實驗設計與進度說明

高屏實驗主要包含三項重點工作:

  1. 地面與垂直之大氣化學與大氣物理密集觀測，
    以高屏為主要範圍。
  2. 大氣環流三維與時間高解析密集觀測，
    涵蓋馬公、綠島、中埔、屏東、小琉球為邊界之範圍，以取得三維大氣流場分布。
  3. 大氣模擬解析空氣污染物傳送與轉化過程，借由布建地面觀測站、垂直觀測(如光達、無人機)、環流觀測(探空、剖風儀、風光達)，
    提供密集觀測時機之事件預報與後續結合觀測資料之事件解析

上述實驗所得資料與大氣空品模式結合，進一步探討高屏地區春季PM2.5與臭氧事件成因解析，以及能見度影響因子探討，提供控制策略制定之科學依據，提升空氣品質效益。

配合此次KPEx高屏實驗，觀測時程為2024年2-3月期間，其間NASA飛航觀測的時間分別2024年的2月15日、2月28日、3月13日、3月27日。

監測項目

監測分佈地圖

配合NASA飛航進行IOP

範例：2024年2月15日 IOP1

地面氣膠超級監測平台

研究目的：

旨在高屏地區設立高時間解析度之氣膠物理與化學監測系統，以達成以下目的：

  1. 量測PM2.5散光係數與化學組成之逐時變化，進而鑑別能見度劣化之化學成因與污染源；
  2. 量測超細微粒粒徑分布之逐時變化，進而鑑別新生微粒生成與成長事件之環境條件與發生機轉；
  3. 量測PM2.5黑碳濃度之逐時變化，進而鑑別氣膠吸光效應及其對能見度的影響；
  4. 探討氣膠物理與化學特性對散光與吸光效應的貢獻，據以擬定高屏地區大氣能見度之改善策略。

研究方法：

部署先進的監測系統、現地量測和對氣膠物理及化學特性進行深入分析。NASA COMMIT及台大IMPACT氣膠超級監測平台配置於高屏地區南北兩地點，包括楠梓高中（上風測站），及鳳山高中（下風測站）圖中另標示超級測站鄰近的環境部空氣品質監測站，由北而南分別為橋頭、楠梓、前金、鳳山、小港與林園測站。

主要儀器設備和測量參數包括，逐時氣膠散光儀和化學監測儀、掃描式電移動分析儀和凝結核計數器、黑碳儀及空氣品質與氣象監測儀器。這些綜合的測量方法和分析技術將為研究提供全面且深入的數據，以探討高屏地區大氣能見度與氣膠特性之間的複雜互動關係。

預期成果：

  1. 解析微粒粒徑分佈（PSD）的季節性變化全面特徵化，以及其對大氣能見度的影響，有助於制訂更有效的空氣品質和能見度精準管理策略。
  2. 分析和量化新微粒形成（NPF）關鍵驅動因素，理解高屏都會區NPF發展過程，並為相關空氣污染控制政策提供重要的決策參考。
  3. 提供高解析度氣膠數據，進而應用於健康和氣候影響評估。

地面氣膠化學與有害物質監測

研究目的：

  1. 進行高屏實驗期間氣膠化學及有害空氣污染物之採樣分析及源解析。
  2. 解析高屏地區有害空氣污染物隨大氣環流傳送與擴散情形之機制。

研究方法：

規劃於2024年春季高屏實驗期間，於氣膠超級監測平台及選定之空氣品質監測站進行氣膠化學害空氣污染物之手動採樣及分析，成分包括陰陽離子、有機酸、脫水醣類、氣膠碳成份(EC/OC)、重金屬(含同位素)、多環芳香烴碳氫化合物(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)、硝基多環芳香烴碳氫化合物(Nitro-PAHs)、有機磷系阻燃劑(OPEs)、多溴二苯醚阻燃劑(PBDEs)、全氟/多氟烷基物質(Per/Poly fluoro alkyl substances, PFAS)、汞(GEM, GOM, PBM)、PCDD/Fs、PCBs及微塑膠粒與纖維。

採樣規劃包含密集觀察期間(Intensive Observation Periods，IOPs)、非密集觀察期間(non-IOPs)及NASA飛航期間，後續將進一步結合高屏實驗所得之空氣品質即時監測與氣膠特性數據，進行有害空氣污染物數據解析，而有害空氣污染物之結果亦能用以評估高屏地區民眾健康效應之影響。

預期成果：

  1. 完成高屏實驗期間有害空氣污染物之採樣分析及源解析。
  2. 明瞭密集觀察期間(IOPs)及非密集觀察期間(non-IOPs)有害空氣污染物之特徵及流佈。
  3. 明瞭有害空氣污染物經由長程傳輸對高屏地區有害空氣污染物之影響。
  4. 瞭解高屏地區有害空氣污染物隨局部環流傳送與擴散情形之機制。
  5. 整合計畫研究成果可提供政府評估有害空氣污染物對高屏地區民眾健康效應影響之參考。

局部環流與垂直觀測整合

研究目的：

利用垂直剖面探空觀測和地面遙測技術，研究高屏地區在高污染的天氣條件下，局地環流與空氣污染物的三維分布及時間演化特徵，觀測數據進一步與NASA飛航觀測實驗、數值模式與衛星資料進行比較、驗證與整合分析，研析出臺灣南部高污染事件與天氣、氣流場和地形效應之間的關聯性，並由觀測成果的角度，協助提出衛星監測應用於高屏地區之應注意要點。最後提出未來針對南部空品區的監測重點與最佳三維觀測部署方案。地面觀測網為固定站點，包含太陽光度計、剖風儀部、風光達等。搭配NASA飛航實驗進行密集觀測期間施作，施放探空氣球加上無人機觀測，取得高時間解析的垂直剖面資料。

風光達

太陽光度計

垂直探空觀測網

搭配NASA飛航實驗進行密集觀測期間施作，施放探空氣球加上無人機觀測，取得高時間解析的垂直剖面資料。

預期成果：

  1. 收集2024年2-4月高屏地區，地面遙測觀測網高時間解析度的氣膠與風場三維分布資料。
  2. 利用垂直探空技術，完成三次IOP觀測及三次NASA飛航觀測期間的資料收集，並配合地面遙測資料，解析局地環流與空氣污染物的三維分布及時間演化特徵，探討空氣污染物、氣流場和地形結構三者之間的關聯性。
  3. 特徵化高屏地區大氣垂直結構於空氣品質惡化的指標。
  4. 臭氧物染物及其前驅物在沿岸與內陸的垂直剖面差異。
  5. 利用高密度的AERONET資料，驗證衛星觀測高屏地區AOD的準確度。
  6. 與NASA G-III機載光達和衛星觀測資料比對，確保地面觀測的合理性，並整合分析氣膠與臭氧在三維上之空間變異及時間演化。
  7. 提出未來針對南部空品區的監測重點與最佳三維觀測部署方案。

地面與垂直VOCs監測

研究目的：

目的透過實際大氣觀測探討高屏地區揮發性有機化合物 (volatile organic compounds, VOCs) 排放源，與下風環境生成臭氧之間的因果關係，尤其是時空與高度之分布，以評估石化VOCs排放削減對當地改善臭氧的量化效益。一般認為林園石化工業區以及高雄市區交通排放為VOCs、NOx臭氧前驅物主要排放來源，經光化反應形成下風環境如萬巒、潮州等地高臭氧現象。

長久以來，大氣垂直剖面的觀測主要仰賴氣象局探空測站的資料，但受限於測站分布稀疏，且時間解析度上為一天早晚兩筆資料，並無法解析邊界層高時間解析度變化特徵。加上探空成本高昂，因此過去除了特殊的強降水觀測計畫，政府及學界較難支付如此龐大的開銷，故針對邊界層內空氣污染事件的觀測，逐漸成熟的無飛行載具 (unmanned aerial vehicle, UAV) 應用無異提供了進入三維研究直接有效的解決方案。

藉由無人機於高屏地區排放源區以及下風區進行密集VOCs垂直採樣，分析樣品中數的化學成分、來源不同 (如交通、工業、植物)，以及化學活性差迥異之多元特性作為以下用途：

  1. 於排放源上空採集代表性化學成分指紋，解析關鍵指紋資料。
  2. 利用下風地區光化站數據，以受體模式如PMF解析來自於石化與其他工業、交通、植被貢獻占比， 比對受體模式解析結果。
  3. 在上下風處進行不同高度採樣，將VOCs在垂直分布上之成分以及濃度，驗證空氣品質模式CMAQ模擬結果時空分布之合理性，進而校準VOCs排放係數。
  4. 校準後之CMAQ可模擬在不同高度下檢視光化活性差異大之成對(pared) VOCs物質間之濃度相對關係 (比值)，作為鑒別臭氧為本地光化產生或境外移入之化學佐證。

研究方法：

吸附管採樣模組將掛載於王聖翔教授團隊無人機隊上，於萬巒與林園兩地進行VOC探空實驗，前者代表排放源，後者為下風環境。因每次IOP至少持續48小時，每次垂直採樣估計攜帶5根吸附管，每3小時進行採樣一次，每日8次= 40根。因規劃在2地同時進行，故需 40 x 2 = 80根採樣管。加上備用所需20，整個計畫需求約需100 根吸附管供上下風兩地同時採樣作業。

以無人機掛載採樣罐與吸附管採集VOCs樣本, 於萬巒（代表排放源）與林園（下風環境）兩地進行VOC探空實驗

預期成果：

  1. 在排放源上空取樣代表性化學成分指紋，因為地面採樣易受鄰近源影響，無法代表整體排放特性，例如在林園石化區內的任何角落都存在全面性不足的問題。
  2. 利用下風地區（如潮州、小港）的長期高品質光化站數據，透過受體模式（如PMF）解析來自林園石化、其他工業、交通和植被的貢獻比例。同時，使用預先建立的排放源指紋（如林園石化）對比受體模式解析結果，避免PMF源解析結果的主觀性。
  3. 在上下風處如林園、萬巒進行不同高度的採樣，將VOC在垂直分布上的成分和濃度與CMAQ模擬結果進行比對，驗證模式在處理VOC時空分布的合理性，進而校準VOC排放係數，使模式在削減VOC控制臭氧生成方面更為準確。
  4. 校準後之CMAQ可模擬在不同高度下檢視光化活性差異大之兩兩VOC物質間之濃度相對關係（比值），與垂直觀測數據共同研判當地大氣條件為區外移入或本地穩定滯留，作為臭氧區分來源之化學佐證。

衛星遙測與應用

研究目的：

基於2024 KPEx期間SMART-s從紫外至紅外頻譜的觀測資料，配合實際氣膠成分量測，嘗試歸納OC與BC吸收與散射頻譜特性，並應用地球同步衛星GEMS (右圖)觀測資料於每小時大範圍東南亞地區有機碳與黑炭氣膠種類之時空分布。同時亦將應用地面觀測(AERONET)多頻譜氣膠光學厚度(AOD)之正規化一階與二階AOD頻譜微分所對應之氣膠粒徑分佈及折射指數等參數[2-3]，配合實際氣膠成分之量測，檢驗沙塵(dust)、硫酸鹽(sulfate)及黑炭(black carbon)之光學特性，並應用於向日葵八號(Himawari-8 AHI)。上述衛星觀測之結果最終將提供擴散模式初始場之設定參考，以及模式輸出結果之比較與改進參考。

  1. 基於地面SMART-s觀測資料與實際氣膠成分量測，建構OC與BC吸收與散射頻譜特性；
  2. 應用地球同步衛星GEMS每小時提供東南亞地區有機碳(Organic Carbon；OC)與黑炭(Black Carbon；BC)氣膠種類之時空分布；應用於向日葵八號(Himawari-8 AHI)提供亞洲地區沙塵(dust)、硫酸鹽(sulfate)及黑炭(black carbon)等PM2.5種類之時空分布。

大氣模式與觀測資料整合解析

研究目的：

應用大氣與空氣品質模式探討區域與局部環流對高屏地區空氣污染物之傳送與擴散過程，以及PM2.5及臭氧生成、轉化與沉降機制；並以高屏實驗與NASA飛航實驗之三維資料驗證與改善模式。

預期成果：

主要以大氣與空氣品質模式(例如，WRF-CMAQ、WRF-CHEM)之多重網格設定，針對高屏地區(1km 及3 km解析度)2024年2-4月進行氣象模與空氣污染物之排放、傳送、轉化、沉降過程模擬。就前述高屏實驗密集觀測期間所得三維大氣環流分布與大氣化學觀測資料，以及NASA飛航實驗之高解析度高空大氣物理與化學資料，邀請國內大氣模式研究團隊參與高屏觀測實驗期間之個案模擬探討比對，進而驗證與改善大氣與空氣品質模式，據以探討PM2.5與臭氧事件日之形成原因，以及空品改善之控制策略。

在事件日解析上，例如，應用Chang et al. (2023) 的方法，利用WRF/CMAQ-HDDM (Community Multiscale Air Quality model higher-order decoupled direct method) 於高屏地區進行高解析度 (1 km × 1 km) 之模擬，並且搭配受體模式－正矩陣因子法 (Positive Matrix Factorization，PMF) 用於分析並識別高屏地區 (包含沿海城市、郊區、工業園區及內陸山區等複雜區域) 對O3形成高度潛力之VOC物種的主要來源，藉此探討O3有效減量策略之關鍵VOC種類。