1 簡介

由于空氣污染物和溫度的增加，許多城市地區(qū)正面臨雙重威脅（IPCC，  2021）。隨著全球人口趨勢預(yù)計(jì)到 2,050 年城市居民將增加 25 億，城市高溫和空氣污染嚴(yán)重的負(fù)面影響預(yù)計(jì)會增加（Hong 等人，  2019 年；Jacob 和 Winner，  2009 年；Nolte 等人，  2018 年）。改造現(xiàn)有城市和設(shè)計(jì)未來城市以減少與更熱和污染更嚴(yán)重的城市環(huán)境相關(guān)的健康影響是一項(xiàng)關(guān)鍵需求，增加城市植被已成為許多城市政策制定者的重要政策目標(biāo)。一些模型研究表明熱量和空氣質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)會降低（Escobedo 和 Nowak，  2009 年; Morani 等人，  2011 年）與美國城市樹木清除 O 3相關(guān)（Nowak 等人，  2014 年）。然而，其他人則認(rèn)為，樹木類型也很重要，會影響生物揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 的數(shù)量和類型，從而導(dǎo)致不同的臭氧形成潛力（Gu 等人，  2021 年）。在洛杉磯等城市，熱浪和高 O 3濃度并存的情況很常見，這可能是由于樹木中 VOC 的增加和更多停滯的空氣，這兩者都與高溫天有關(guān)（Nussbaumer & Cohen，  2020 年）。而植被比例與溫度反相關(guān)，溫度與O 3正相關(guān)兩者都在文獻(xiàn)中得到很好的證實(shí)（Nussbaumer & Cohen，  2020 年；Pusede 等人，  2015 年），支持城市規(guī)模基于模型的評估的數(shù)據(jù)非常有限（Tong 等人，  2015 年），并且與少數(shù)領(lǐng)域的比較觀察結(jié)果的含義不太明確（Churkina 等人，  2015 年；Pataki 等人，  2011 年）。值得注意的是，在城市環(huán)境中，尤其是在公里或更小的街區(qū)尺度上，由于缺乏觀測數(shù)據(jù)， 很少同時(shí)研究人與環(huán)境相互作用的變化 O 3和溫度（Cabaraban et al., 2013 ） ; Shiflett 等人，  2017 年) 除了在某些情況下使用移動設(shè)施一周或更短的時(shí)間（Samad & Vogt，  2020）；然而，這些尺度適用于可以降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的干預(yù)措施和政策（Harlan 等人，  2013 年）。

 

解決個(gè)人與環(huán)境的相互作用對于了解支撐鄰里脆弱性的環(huán)境條件，從而改善個(gè)人和政策制定者的決策至關(guān)重要。Landsat 等高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的像素大小為 30–90 m（Tomlinson 等人，  2011 年），但是它們?nèi)狈r(shí)間覆蓋，尤其是在多云條件下。每天，現(xiàn)有的基于衛(wèi)星的產(chǎn)品對于地表溫度 (LST) 和物候特征的分辨率最多為 0.5–1 公里，例如，來自中分辨率成像光譜儀 (MODIS)（Wan 等人，  2004 年） ), 以及城市尺度上 7-10 公里分辨率的空氣質(zhì)量指標(biāo)，例如大氣中 NO 的負(fù)荷2來自對流層監(jiān)測儀 (TROPOMI)（Griffin 等人，  2019 年）。此外，基于衛(wèi)星的地表溫度和空氣污染數(shù)據(jù)都不能代表通常在地面以上 2 米處測量的氣溫和地表污染濃度。同時(shí)，地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的空間分布密度非常低，無法解決鄰域變化問題。例如，在大洛杉磯都會區(qū)內(nèi)，只有約 25 個(gè) O 3報(bào)告站，其空間布局無法表征鄰里尺度或 4-5 公里內(nèi)高 O 3和溫度的聯(lián)合發(fā)生——典型的空間區(qū)域空氣質(zhì)量模型的分辨率（~4 公里）。

 

在這里，我們提出了一項(xiàng)試點(diǎn)研究，使用社區(qū)科學(xué)項(xiàng)目來解決鄰里和鄰里內(nèi)尺度的城市熱和空氣污染挑戰(zhàn)，包括采取測量來評估衛(wèi)星和區(qū)域模型（天氣研究和預(yù)報(bào)耦合）的保真度和缺陷化學(xué)，或 WRF-Chem，在這些尺度上配置了業(yè)務(wù)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的通用實(shí)踐）。在鄰里范圍內(nèi)，可以假設(shè) O 3有很大的變化，因?yàn)?NOx 和 VOC 的生命周期短（從幾小時(shí)到不到一天）（尤其是在夏季）以及排放源在空間和時(shí)間上的異質(zhì)性 (Racherla & 亞當(dāng)斯，  2008 年)，以及由樹木和建筑物陰影引起的地表太陽輻射和溫度的時(shí)空變化。理解與該假設(shè)相關(guān)的過程需要來自空間密集觀察的數(shù)據(jù)，如果沒有社區(qū)參與，這些數(shù)據(jù)可能很難獲得。普塞德等人。( 2015 ) 回顧了 O 3形成過程對氣溫的依賴性，而 Shiflett 等人。( 2017 ) 顯示了鄰里范圍內(nèi)氣溫的大空間變化。迄今為止，鄰域和鄰域內(nèi)尺度的 O 3和氣溫的并置測量仍然很少見。

 

我們的社區(qū)科學(xué)項(xiàng)目最初設(shè)計(jì)為公民科學(xué)項(xiàng)目，涉及所有居民，包括公民和非公民。根據(jù)美國國家科學(xué)院和醫(yī)學(xué)院（2018 年）的說法，“公民科學(xué)項(xiàng)目通常涉及非科學(xué)家（即未受過項(xiàng)目相關(guān)學(xué)科專業(yè)培訓(xùn)的人）參與研究的過程、方法和標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)科學(xué)知識或應(yīng)用的預(yù)期目標(biāo)。” 例如，公民科學(xué)項(xiàng)目已被用于評估雷達(dá)估計(jì)的降水和颶風(fēng)強(qiáng)度特征（Elmore 等人，  2014 年）). 在衛(wèi)星遙感的背景下，學(xué)生在線云觀測 (S'COOL) 項(xiàng)目和全球?qū)W習(xí)和觀測有益于環(huán)境 (GLOBE) 計(jì)劃是顯示公民科學(xué)數(shù)據(jù)對評估衛(wèi)星的價(jià)值的例子-基于云分?jǐn)?shù)的產(chǎn)品，例如，（Chambers 等人，  2017 年；Kennedy 和 Henderson，  2003 年）。最近的一項(xiàng)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，來自公民科學(xué)觀察的數(shù)據(jù)可以揭示人們在社區(qū)范圍內(nèi)的看法和暴露水平（Mahajan 等人，  2020 年）). 然而，文獻(xiàn)中還沒有報(bào)道同時(shí)關(guān)注城市熱和空氣污染的社區(qū)科學(xué)項(xiàng)目，更不用說將社區(qū)參與和社區(qū)科學(xué)與模型預(yù)測、衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)交付結(jié)果相結(jié)合的項(xiàng)目了。

2 社區(qū)科學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)和活動

我們設(shè)計(jì)了我們的研究，以評估2017 年夏季從單個(gè)地塊到洛杉磯大都市區(qū)（圖 1a ）的多個(gè)尺度的溫度和 O 3變化。我們圍繞單個(gè)社區(qū)組織了傳感器部署，我們將其定義為 4 × 4 km 2樣方. 密集的現(xiàn)場部署集中在加利福尼亞州長灘和內(nèi)陸帝國的各個(gè)部分（圖 1c-1h），這是洛杉磯大都市地區(qū)的一個(gè)子集，嚴(yán)重未達(dá)到 O 3. 部署持續(xù)時(shí)間分為三個(gè)活動。在 2017 年 6 月至 7 月的第一次活動中，六個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)被分布到長灘附近距離小于 20 公里的兩個(gè)樣方（每個(gè)樣方三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)）（例如，圖 1中的樣方 1A 和 1B） . 通過這種設(shè)計(jì)，樣方大小可與空氣質(zhì)量模型和 EPA 排放清單的標(biāo)稱空間分辨率相媲美，后者通常為 4 × 4 km 2，而兩個(gè)樣方之間的距離可與 TROPOMI 足跡的尺寸相媲美（ 4 × 7 公里2) 在最低點(diǎn)。因此，社區(qū)科學(xué)網(wǎng)絡(luò)的分布非常適合進(jìn)行測量，以解決有關(guān)亞網(wǎng)格尺度模型不確定性和亞像素分辨率衛(wèi)星檢索不確定性的問題。2017 年 7 月至 8 月的第二次活動和 2017 年 8 月至 9 月的第三次活動的部署與第一階段的部署類似，但針對克萊蒙特（圖 1中的 2A 和 2B ）和圣貝納迪諾（3A）附近的不同樣方和3B），分別。當(dāng)兩個(gè)樣方在項(xiàng)目的每個(gè)階段配對以測量子區(qū)域梯度預(yù)期溫度和 O 3時(shí)，項(xiàng)目所有三個(gè)階段中的鄰域?qū)Χ急贿x擇以共同反映區(qū)域梯度。

 

在每個(gè)樣方中，布置了三個(gè)定制傳感器節(jié)點(diǎn)（圖 1b），以盡可能多地從不同環(huán)境設(shè)置（例如停車場、住宅后院和樹蔭區(qū)域）采樣空氣。iButton 網(wǎng)絡(luò)由約 290 個(gè)傳感器組成，這些傳感器通過社區(qū)科學(xué)合作伙伴設(shè)計(jì)放置在每個(gè)社區(qū)內(nèi)，但仍覆蓋每個(gè)社區(qū)的綜合條件分布。iButton 傳感器放置在貝爾土壤和灌溉草地上方以及樹冠下方，本研究僅使用從地表上方 2 米處收集的數(shù)據(jù)。這些 2 m 傳感器的位置在圖 1c–1h中顯示為黃點(diǎn)總共六個(gè)樣方。每個(gè) iButton 都被一個(gè)定制的白色通風(fēng)帽屏蔽，并被編程為每小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)。iButton 溫度讀數(shù)經(jīng)過校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)精度為 ±1.0°C；它們與每次測量的時(shí)間一起存檔。Shiflett 等人提供了有關(guān)使用 iButton 測量的溫度研究城市氣溫的詳細(xì)信息。（2017 年）。

 

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都集成了微氣象和 O 3傳感器（圖 1a ），可以在每小時(shí)同時(shí)對 O 3、風(fēng)和溫度進(jìn)行空間和時(shí)間同步測量。傳感器節(jié)點(diǎn)的獨(dú)特之處在于高端 臭氧分析儀106-L（2B Technologies，博爾德，科羅拉多州），用于測量 O 3濃度在 2 m。106-L 儀器被 EPA 指定為聯(lián)邦等效方法 (FEM)，用于根據(jù)美國清潔空氣法案 (EQOA–0914–218) 進(jìn)行監(jiān)測。節(jié)點(diǎn)上還集成了氣象傳感器，包括用于測量風(fēng)向和風(fēng)速的風(fēng)速計(jì)，以及用于測量溫度的溫度計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)輻射屏蔽中的 HMP-60（41003-5，Campbell Scientific，Logat UT），所有這些傳感器都放置在距離地面 2 米處每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用家庭 Wi-Fi 或手機(jī)熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。

 

對于傳感器節(jié)點(diǎn)和 iButton，我們在受控大氣室和現(xiàn)場條件下定期進(jìn)行了一系列校準(zhǔn)和驗(yàn)證研究；測量的O 3的不確定性約為1-2 ppb，溫度數(shù)據(jù)的不確定性為±1.0°C。來自傳感器節(jié)點(diǎn)和 iButton 溫度的所有傳感器數(shù)據(jù)均每小時(shí)測量一次。社區(qū)收集的所有傳感器部署和數(shù)據(jù)均由項(xiàng)目人員監(jiān)督。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)審查了數(shù)據(jù)并重新評估了有問題的數(shù)據(jù)，以將其納入分析。

 

3 總結(jié)與討論

我們介紹了一個(gè)社區(qū)科學(xué)項(xiàng)目的發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)目整合了社區(qū)參與、傳感器數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和模型預(yù)測，以研究臭氧污染和溫度如何變化和共變，以及在鄰里和內(nèi)部監(jiān)測和預(yù)測它們的挑戰(zhàn)。鄰里尺度。幾個(gè)主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下。

 

首先，在城市環(huán)境中，地表溫度、2 m 氣溫和 O 3的空間變化很大，但 MODIS 在 1 km 像素分辨率和 WRF-Chem 預(yù)測在 4 km 網(wǎng)格框分辨率。諸如 WRF-Chem 之類的模型可以識別區(qū)域范圍內(nèi)的變異熱點(diǎn)，應(yīng)該在地方范圍內(nèi)進(jìn)一步改進(jìn)。該模型還可以從社區(qū)的角度很好地整體預(yù)測溫度的變化。其次，與空間變化的表現(xiàn)相比，O 3和2 m氣溫的日變化及其協(xié)變被模型較好地解決了。觀察和模型均顯示每小時(shí) O 3之間存在適度相關(guān)性和小時(shí)溫度，但總體而言，模型低估了溫度和 O 3之間的協(xié)變，部分原因是模型低估了 O 3的小時(shí)波動。由于洛杉磯盆地正處于 NO x限制和 VOC 限制之間的過渡狀態(tài)，這里低估 O 3的確切原因值得進(jìn)一步調(diào)查。整體溫度預(yù)測比O 3預(yù)測性能好很多并且比臭氧預(yù)測所需的最少 12-36 小時(shí)啟動時(shí)間要少得多。模型高估了夜間的臭氧，低估了白天的臭氧，而預(yù)測的溫度從下午晚些時(shí)候到第二天早上通常有正偏差。第三，雖然我們的項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間相對較短（3 個(gè)月），但我們表明（在補(bǔ)充中進(jìn)一步支持）社區(qū)科學(xué)項(xiàng)目具有獨(dú)特的潛力，可以幫助 (a) 解決與空間分辨率相關(guān)的科學(xué)問題表征城市熱變率（支持信息S1中的圖S9 ) 和 (b) 通過對不同提前期的多個(gè)預(yù)測進(jìn)行平均來量化集合預(yù)報(bào)的潛在價(jià)值，以預(yù)測鄰域尺度的溫度空間變異性（支持信息 S1中的圖 S10 ）。

 

這項(xiàng)研究是首次嘗試使用社區(qū)科學(xué)方法在社區(qū)內(nèi)部和社區(qū)之間研究城市熱和臭氧污染。它強(qiáng)調(diào)了之前的研究，即洛杉磯盆地的臭氧總體上正在過渡到 NO x限制，并表明綠地間距有可能成為臭氧的匯。在高溫條件下，對于 O 3的形成，由于樹木更多而導(dǎo)致的溫度降低的影響可能超過樹木更多導(dǎo)致 VOC 相關(guān)變化的影響，從而導(dǎo)致 O 3的整體減少. 雖然還需要進(jìn)行更多研究，但我們發(fā)現(xiàn)通過綠化間隔同時(shí)減輕臭氧污染和高溫的共同效益對我們參與的社區(qū)來說非常具有啟發(fā)性和吸引力。社區(qū)科學(xué)家也非常熱衷于與專業(yè)科學(xué)家打交道。越來越多的社區(qū)成員愿意與我們合作，共同應(yīng)對與其社區(qū)相關(guān)的環(huán)境問題，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)，通過這個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，科學(xué)在大多數(shù)情況下確實(shí)有效，例如，預(yù)測高臭氧濃度和氣溫的日子。還發(fā)現(xiàn)在線、交互式和實(shí)時(shí)工具對于吸引社區(qū)居民并幫助他們培養(yǎng)成為社區(qū)科學(xué)家的興趣至關(guān)重要。一起，社區(qū)科學(xué)家和專業(yè)研究人員可以改進(jìn)對各個(gè)社區(qū)的觀察，并幫助推進(jìn)否則無法實(shí)現(xiàn)的科學(xué)研究。反過來，社區(qū)科學(xué)家的科學(xué)發(fā)現(xiàn)（例如溫度隨樹冠類型和大小的變化）也可以將科學(xué)研究擴(kuò)大到社區(qū)，從而幫助社區(qū)做出客觀和基于科學(xué)的決策，以減輕城市熱度和污染同時(shí)。