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)計到 2,050 年城市居民將增加 25 億，城市高溫和空氣污染嚴重的負面影響預(yù)計會增加（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)計未來城市以減少與更熱和污染更嚴重的城市環(huán)境相關(guān)的健康影響是一項關(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。一些模型研究表明熱量和空氣質(zhì)量風險會降低（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，其他人則認為，樹木類型也很重要，會影響生物揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 的數(shù)量和類型，從而導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)兩者都在文獻中得到很好的證實（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)施一周或更短的時間（Samad & Vogt，  2020）；然而，這些尺度適用于可以降低環(huán)境風險的干預(yù)措施和政策（Harlan 等人，  2013 年）。

 

解決個人與環(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更多為 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，例如大氣中 NO 的負荷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，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 O 3報告站，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，我們提出了一項試點研究，使用社區(qū)科學項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)報耦合）的保真度和缺陷化學，或 WRF-Chem，在這些尺度上配置了業(yè)務(wù)空氣質(zhì)量預(yù)報的通用實踐）。在鄰里范圍內(nèi)，可以假設(shè) O 3有很大的變化，因為 NOx 和 VOC 的生命周期短（從幾小時到不到一天）（尤其是在夏季）以及排放源在空間和時間上的異質(zhì)性 (Racherla & 亞當斯，  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)科學項目更初設(shè)計為公民科學項目，涉及所有居民，包括公民和非公民。根據(jù)美國國家科學院和醫(yī)學院（2018 年）的說法，“公民科學項目通常涉及非科學家（即未受過項目相關(guān)學科專業(yè)培訓的人）參與研究的過程、方法和標準，推進科學知識或應(yīng)用的預(yù)期目標。” 例如，公民科學項目已被用于評估雷達估計的降水和颶風強度特征（Elmore 等人，  2014 年）). 在衛(wèi)星遙感的背景下，學生在線云觀測 (S'COOL) 項目和全球?qū)W習和觀測有益于環(huán)境 (GLOBE) 計劃是顯示公民科學數(shù)據(jù)對評估衛(wèi)星的價值的例子-基于云分數(shù)的產(chǎn)品，例如，（Chambers 等人，  2017 年；Kennedy 和 Henderson，  2003 年）。更近的一項文獻調(diào)查發(fā)現(xiàn)，來自公民科學觀察的數(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，文獻中還沒有報道同時關(guān)注城市熱和空氣污染的社區(qū)科學項目，更不用說將社區(qū)參與和社區(qū)科學與模型預(yù)測、衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析和實時交付結(jié)果相結(jié)合的項目了。

2 社區(qū)科學傳感器網(wǎng)絡(luò)和活動

我們設(shè)計了我們的研究，以評估2017 年夏季從單個地塊到洛杉磯大都市區(qū)（圖 1a ）的多個尺度的溫度和 O 3變化。我們圍繞單個社區(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)陸帝國的各個部分（圖 1c-1h），這是洛杉磯大都市地區(qū)的一個子集，嚴重未達到 O 3. 部署持續(xù)時間分為三個活動。在 2017 年 6 月至 7 月的第一次活動中，六個傳感器節(jié)點被分布到長灘附近距離小于 20 公里的兩個樣方（每個樣方三個傳感器節(jié)點）（例如，圖 1中的樣方 1A 和 1B） . 通過這種設(shè)計，樣方大小可與空氣質(zhì)量模型和 EPA 排放清單的標稱空間分辨率相媲美，后者通常為 4 × 4 km 2，而兩個樣方之間的距離可與 TROPOMI 足跡的尺寸相媲美（ 4 × 7 公里2) 在更低點。因此，社區(qū)科學網(wǎng)絡(luò)的分布非常適合進行測量，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。當兩個樣方在項目的每個階段配對以測量子區(qū)域梯度預(yù)期溫度和 O 3時，項目所有三個階段中的鄰域?qū)Χ急贿x擇以共同反映區(qū)域梯度。

 

在每個樣方中，布置了三個定制傳感器節(jié)點（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 個傳感器組成，這些傳感器通過社區(qū)科學合作伙伴設(shè)計放置在每個社區(qū)內(nèi)，但仍覆蓋每個社區(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中顯示為黃點總共六個樣方。每個 iButton 都被一個定制的白色通風帽屏蔽，并被編程為每小時記錄一次數(shù)據(jù)。iButton 溫度讀數(shù)經(jīng)過校準，發(fā)現(xiàn)精度為 ±1.0°C；它們與每次測量的時間一起存檔。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信息。（2017 年）。

 

每個傳感器節(jié)點都集成了微氣象和 O 3傳感器（圖 1a ），可以在每小時同時對 O 3、風和溫度進行空間和時間同步測量。傳感器節(jié)點的獨特之處在于高端 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) 進行監(jiān)測。節(jié)點上還集成了氣象傳感器，包括用于測量風向和風速的風速計，以及用于測量溫度的溫度計（標準輻射屏蔽中的 HMP-60（41003-5，Campbell Scientific，Logat UT），所有這些傳感器都放置在距離地面 2 米處每個傳感器節(jié)點都連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用家庭 Wi-Fi 或手機熱點，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。

 

對于傳感器節(jié)點和 iButton，我們在受控大氣室和現(xiàn)場條件下定期進行了一系列校準和驗證研究；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)點和 iButton 溫度的所有傳感器數(shù)據(jù)均每小時測量一次。社區(qū)收集的所有傳感器部署和數(shù)據(jù)均由項目人員監(jiān)督。項目團隊審查了數(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

我們介紹了一個社區(qū)科學項目的發(fā)現(xiàn)，該項目整合了社區(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，應(yīng)該在地方范圍內(nèi)進一步改進。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 O 3之間存在適度相關(guān)性和小時溫度，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)測所需的更少 12-36 小時啟動時間要少得多。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候到第二天早上通常有正偏差。第三，雖然我們的項目持續(xù)時間相對較短（3 個月），但我們表明（在補充中進一步支持）社區(qū)科學項目具有獨特的潛力，可以幫助 (a) 解決與空間分辨率相關(guān)的科學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預(yù)測進行平均來量化集合預(yù)報的潛在價值，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 ）。

 

這項研究是首次嘗試使用社區(qū)科學方法在社區(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，由于樹木更多而導致的溫度降低的影響可能超過樹木更多導致 VOC 相關(guān)變化的影響，從而導致 O 3的整體減少. 雖然還需要進行更多研究，但我們發(fā)現(xiàn)通過綠化間隔同時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)科學家也非常熱衷于與專業(yè)科學家打交道。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，因為他們發(fā)現(xiàn)，通過這個試點項目，科學在大多數(shù)情況下確實有效，例如，預(yù)測高臭氧濃度和氣溫的日子。還發(fā)現(xiàn)在線、交互式和實時工具對于吸引社區(qū)居民并幫助他們培養(yǎng)成為社區(qū)科學家的興趣至關(guān)重要。一起，社區(qū)科學家和專業(yè)研究人員可以改進對各個社區(qū)的觀察，并幫助推進否則無法實現(xiàn)的科學研究。反過來，社區(qū)科學家的科學發(fā)現(xiàn)（例如溫度隨樹冠類型和大小的變化）也可以將科學研究擴大到社區(qū)，從而幫助社區(qū)做出客觀和基于科學的決策，以減輕城市熱度和污染同時。