实测揭示北京地区秋冬季颗粒物污染与大气边界层结构的反馈机制

大气污染除受当地排放和区域传输影响外，边界层结构的改变对大气污染的形成与演变起着关键的作用。近年来，大气颗粒物污染与边界层气象条件之间的关系受到广泛关注，行使模式可以模仿大气气溶胶与边界层结构的相互作用，而大气气溶胶辐射强迫效应引起边界层结构的转变仍难于定量。

　　在国家重点研发计划（2016YFC0202001）等项目资助下，我所辛金元研究员团队行使微波辐射计、太阳分光光度计与325m气象铁塔，针对北京2018年秋冬季大气污染过程进行了体系观测，获取长期延续的大气边界层结构转变，填补了探空数据低时间分辨率的不足，行使实测数据，定量揭示了大气气溶胶与边界层结构之间的相互作用机制。效果注解：秋冬季典型污染过程可以分为传输阶段、累积阶段、重污染阶段和消失阶段。南风主导的传输阶段将北京南部高浓度的大气污染物和水汽输送至北京，并持续累积。随着PM2.5浓度和水汽密度的增长 （近地层PM2.5从~ 8 μg m-3上升到~125 μg m-3，水汽密度从~ 2.8 g m-3上升到~7.9 g m-3），气溶胶光学厚度AOD从~ 0.25上升到~ 1.56。在高浓度气溶胶和高密度水汽环境中，伴随着气溶胶吸湿增加，散射性加强，使得更多的太阳辐射被散射出地气体系（大气柱顶部的气溶胶辐射强迫TOA从~5 W m-2上升到~-52 W m-2）；同时，高浓度气溶胶吸取更多的太阳辐射，加热气溶胶所在的大气层（在大气层内部的辐射强迫由~21 W m-2增长到~42 W m-2）；气溶胶的吸取和散射效应共同作用使地表进一步冷却（地表辐射强迫从~- 16 W m-2到~-90 W m-2）。在累积阶段，因气溶胶辐射强迫加热大气，冷却地面，导致大气边界层的稳固度赓续增强，出现逆温征象，气溶胶与水汽浓度持续上升；随之南风减小至静风，在300 m以下形成强贴地逆温（最大逆温强度可达2.06 ℃/100 m），在700-1500 m上空形成脱地逆温层（逆温强度平均达0.23 ℃/100 m），北京地区达到重污染阶段；在高湿环境下，高浓度大气污染物极易吸湿增加和发生化学反应生成二次粒子，导致PM2.5浓度进一步升高。观测实验体系揭示了北京地区秋冬季气溶胶辐射强迫效应与边界层结构之间的延续反馈效应，使得大气边界层稳固度快速增强，大气环境容量降低，空气污染加剧。最后，在消失阶段，干洁强劲的北风，打破了反馈机制，重污染被快速消灭。

　　研究效果对城市区域大气边界层结构的转变机制及重污染成因有肯定指示意义和参考价值，文章被《Science of the Total Environment》接收发表。

　　关键词：大气污染；气溶胶辐射强迫；反馈效应；大气边界层稳固度；微波辐射计

　　图1. 北京秋冬季大气污染事件形成及气溶胶与边界层结构反馈效应图

　　图2. 2018年10月31日-11月4日北京PM2.5, PM10及 AOD (a), 辐射强迫 (b)，风矢量廓线 (c)，逆温强度廓线 (d) 和水汽密度廓线 (e) 的时间序列图。

　　Citation:

　　Dandan Zhao, Jinyuan Xin*, Chongshui Gong, Jiannong Quan, Guangjing Liu, Wenpeng Zhao, Yuesi Wang, Zan Liu, Tao Song, 2019. The formation mechanism of air pollution episodes in Beijing city: Insights into the measured feedback between aerosol radiative forcing and the atmospheric boundary layer stability, Science of the Total Environment, 692, 371-381. （IF: 5.589）https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.07.255