高屏實驗 - 實驗架構

主要實驗項目/分組

本次實驗之超極測站、地面氣膠化學、垂直觀測與大氣環流實驗所得資料，進一步與環境觀測、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。

此次KPEx高屏實驗，密集觀測時程與NASA啟動之ASIA-AQ（Airborne and Satellite Investigation of Asian Air Quality）亞洲空氣品質之飛航實驗，其飛航觀測經台灣高屏地區之期程同步，分別為2024年的 2月15日、 2月28日、 3月13日、 3月27日。

監測分佈地圖

分組說明

監測目的、方法、地理位置與預期成果

地面氣膠超級監測平台：

研究目的與地理分佈：

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）。

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。

鳳山高中（2024/3/29）

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

研究目的與地理分佈：

  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。
  3. 採樣地點包括： 楠梓高中、鳳山高中、小測測站、屏科大、小琉球、枋山站與花蓮新城。

氣膠化學分佈站點

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. 解析密集觀察期間（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. 解析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

研究目的與地理分佈：

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。

垂直探空觀測分佈示意圖

風光達

太陽光度計

探空氣球

預期成果：

  • 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。
  • 利用垂直探空技術完成密集觀測，分析NASA ASIA-AQ亞洲飛航觀測實驗並配合地面遙測資料，解析環流與空污的三維分布和時間演化特徵。
  • 特徵化高屏地區大氣垂直結構於空品惡化的指標。
  • 臭氧及其前驅物在沿岸與內陸的垂直剖面差異。
  • 利用AERONET資料，驗證衛星觀測高屏地區的準確度。
  • 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空間變異及時間演化。
  • 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

研究目的與地理分佈：

通過實際大氣觀測，探討高屏地區揮發性有機化合物（VOCs）排放源與下風環境臭氧生成之間的因果關係，尤期是時空及高度的分布，以量化削減石化VOCs排放對臭氧改善的效益。林園石化工業區及高雄市區交通是主要的VOCs和NOx臭氧前驅物排放源，這些污染物經光化反應，在下風地區如萬巒、潮州等地形成高臭氧現象。故於林園與萬巒做為上下風站進行觀測。近年來無人飛行載具（UAV）的應用逐漸成熟，為邊界層內空氣污染事件的三維研究提供了直接有效的解決方案。

傳統上，大氣垂直剖面觀測主要依賴氣象局探空測站資料，然受限於低測站分布密度及時間解析度，探空成本高昂，無法詳細解析邊界層高時間解析度的變化特徵

垂直VOC觀測站點

預期成果：

  1. 在排放源上空取樣代表性化學成分指紋。
  2. 利用下風地區的長期高品質光化站數據，解析來自林園石化、其他工業、交通和植被的貢獻比例。
  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模式模擬結果進行比對，使模式在削減VOC控制臭氧生成方面更為準確。
  4. 校準後的空品模式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），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，例如GEMS之觀測資料，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。

衛星應用示意圖

預期成果：

  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。

模式應用示意圖

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。