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北京一次污染过程气溶胶光学特性及辐射效应

梁苑新 车慧正 王宏 彭玥 张养梅 陶法

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北京一次污染过程气溶胶光学特性及辐射效应

Aerosol Optical Properties and Radiative Effects During a Pollution Episode in Beijing

  • 摘要: 利用地面激光雷达、太阳光度计观测反演气溶胶光学特性参数,结合PM2.5观测数据,分析了2018年1月25—28日北京一次完整污染过程中气溶胶光学特性变化。基于观测数据,利用短波辐射传输模式计算了不同程度污染日,晴空背景下气溶胶对辐射加热率的改变程度。结果表明:清洁日(25日),PM2.5日平均质量浓度为19.00 μg·m-3,440 nm气溶胶光学厚度为0.13,单次散射反照率为0.87,整层气溶胶消光系数低于0.10 km-1,短波辐射均为增温效应;污染期间(26—27日),PM2.5日平均质量浓度为83.21 μg·m-3,气溶胶光学厚度为2.48,气溶胶散射能力增强,单次散射反照率达到0.94,气溶胶主要消光层厚度提升至3.00 km高度,消光系数平均值为0.43 km-1,气溶胶在垂直方向的变化导致气溶胶中上层(1.50~3.00 km高度)加热作用强烈,短波辐射加热率平均值达到13.89 K·d-1,而低层(1.50 km高度以内)加热作用较弱,加热率平均值仅为0.99 K·d-1。气溶胶散射能力增强导致加热作用减弱,污染日加热率对于气溶胶散射能力变化更敏感。
  • 图 1  2018年1月北京440 nm, 675 nm, 870 nm和1020 nm波段气溶胶光学厚度日变化

    Fig.1  Daily averaged variation of aerosol optical depth at 440 nm, 675 nm, 870 nm and 1020 nm in Beijing in Jan 2018

    图 2  2018年1月北京PM2.5质量浓度变化趋势

    (阴影部分代表污染事件)

    Fig.2  Daily and hourly averaged variation of PM2.5 concentration in Beijing in Jan 2018

    (the shaded denotes the pollution period)

    图 3  2018年1月25—28日北京532 nm气溶胶消光系数和退偏振比的时空分布

    Fig.3  Temporal and spatial distribution of extinction coefficient and depolarization ratio at 532 nm in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

    图 4  2018年1月25—28日北京毫米波云雷达反射率因子的时空分布

    Fig.4  Temporal and spatial distribution of cloud radar reflectivity in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

    图 5  2018年1月25—28日北京气溶胶单次散射反照率和非对称因子逐日变化

    Fig.5  Daily averaged variation of single scattering albedo and mmetry factor at 440 nm, 675 nm, 870 nm and 1020 nm in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

    图 6  2018年1月北京月平均向下短波辐射通量和太阳高度角逐时变化

    Fig.6  Hourly variation of monthly averaged shortwave downward radiation and solar elevation angle in Beijing in Jan 2018

    图 7  2018年1月25—28日北京白天(08:00—17:00)平均大气消光系数和短波辐射加热率的垂直分布

    Fig.7  Day-time averaged vertical distribution of atmospheric extinction coefficient and solar radiative heating rate(0800 BT to 1700 BT) in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

    图 8  清洁日和污染日短波辐射加热率随单次散射反照率垂直变化趋势

    Fig.8  The vertical distribution of solar radiative heating rate with single scattering albedo in clear day and pollution day

    图 9  2018年1月27日北京白天大气消光系数和短波辐射加热率的垂直分布

    Fig.9  Vertical distribution of day-time extinction coefficient and solar radiative heating rate in Beijing on 27 Jan 2018

    表 1  短波辐射模式中谱带分布和所选波长

    Table 1.  Solar wavelength in the shortwave radiation model

    波段 分段波长/μm 应用波长/μm
    1 (0.175, 0.225] 0.225
    2 (0.225, 0.245] 0.245
    3 (0.245, 0.260] 0.260
    4 (0.280, 0.295] 0.295
    5 (0.295, 0.310] 0.310
    6 (0.310, 0.320] 0.320
    7 (0.320, 0.400] 0.400
    8 (0.400, 0.700] 0.532
    9 (0.700, 1.220] 1.220
    10 (1.220, 2.270] 2.270
    11 (2.270, 10.000] 5.000
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    表 2  2018年1月25—28日气溶胶光学厚度与波长拟合公式

    Table 2.  Fitting functions between AOD and wavelength from 25 Jan to 28 Jan in 2018

    日期 拟合公式 相关系数
    25 lnτ = -1.72lnλ+9.57 0.95
    26 lnτ = -1.64lnλ+9.91 0.99
    27 lnτ = -0.77lnλ+5.66 0.98
    28 lnτ = -1.75lnλ+9.79 0.96
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-04
  • 修回日期:  2020-05-28
  • 刊出日期:  2020-09-30

北京一次污染过程气溶胶光学特性及辐射效应

  • 1. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 中国气象局大气化学重点开放实验室, 北京 100081
  • 2. 中国气象局气象探测中心, 北京 100081

摘要: 利用地面激光雷达、太阳光度计观测反演气溶胶光学特性参数,结合PM2.5观测数据,分析了2018年1月25—28日北京一次完整污染过程中气溶胶光学特性变化。基于观测数据,利用短波辐射传输模式计算了不同程度污染日,晴空背景下气溶胶对辐射加热率的改变程度。结果表明:清洁日(25日),PM2.5日平均质量浓度为19.00 μg·m-3,440 nm气溶胶光学厚度为0.13,单次散射反照率为0.87,整层气溶胶消光系数低于0.10 km-1,短波辐射均为增温效应;污染期间(26—27日),PM2.5日平均质量浓度为83.21 μg·m-3,气溶胶光学厚度为2.48,气溶胶散射能力增强,单次散射反照率达到0.94,气溶胶主要消光层厚度提升至3.00 km高度,消光系数平均值为0.43 km-1,气溶胶在垂直方向的变化导致气溶胶中上层(1.50~3.00 km高度)加热作用强烈,短波辐射加热率平均值达到13.89 K·d-1,而低层(1.50 km高度以内)加热作用较弱,加热率平均值仅为0.99 K·d-1。气溶胶散射能力增强导致加热作用减弱,污染日加热率对于气溶胶散射能力变化更敏感。

English Abstract

    • 太阳辐射是地球能量的最主要来源之一,气溶胶通过吸收和散射能影响太阳辐射(直接效应)到达地表从而对大气有较强的加热或冷却作用, 这会改变大气的热力状况,进而影响其动力结构,对大气环流、降水分布、短期天气变化和长期气候预测具有重要意义[1-3]。IPCC(2013)第5次报告提出气溶胶部分抵消了温室气体的辐射强迫,是气候变化中人为强迫最不确定的部分[4]。在我国华北大气重污染地区,气溶胶直接辐射效应对局地大气温度廓线和区域环流的影响尤其显著[5-7],气溶胶层的高度和厚度、气溶胶光学特性、下垫面反照率对辐射加热率影响也不同[8-9]。因此,准确估算大气气溶胶的辐射加热率是研究气溶胶天气、气候效应的基础和前提。

      大量研究成果表明,气溶胶辐射效应在华北地区冬季重污染过程中具有重要作用。Zhang等[10]指出不利气象条件与颗粒物浓度之间存在双向反馈作用,这也是京津冀地区冬季持续性PM2.5重污染过程维持并加剧的主要原因之一。Wang等[11]利用GRAPES_CUACE模式计算我国京津冀地区严重雾-霾天气下气溶胶辐射反馈和湍流扩散减少引起的PM2.5浓度爆发性增长的贡献,提出在PM2.5浓度爆发性增长阶段,气溶胶辐射反馈可造成湍流扩散系数降低约43%~57%。Che等[12]利用中国气溶胶地基遥感监测网(China Aerosol Remote Sensing Network)观测数据分析重污染过程中北京地区气溶胶光学特性变化,采用离散标准DISORT方法[13]计算辐射强迫,指出污染条件下北京城市地区瞬时辐射强迫可达-200 W·m-2,气溶胶的吸收作用导致大气层顶负辐射强迫小于地表辐射强迫。因此,华北地区冬季污染过程中气溶胶爆发性增长,减少到达地表的太阳辐射,气溶胶直接辐射效应对大气层影响显著[13-15]

      已有许多学者利用辐射传输模式模拟气溶胶直接辐射效应,Liou等[16]基于逐带计算的方法建立辐射传输模式,计算气溶胶垂直不均匀分布对短波辐射的影响,指出气溶胶浓度增大会增加大气对太阳辐射的吸收, 到达地面的太阳辐射通量减少, 在污染大气中气溶胶不均匀分布导致近地面冷却而加热高层大气。张华等[17]利用辐射传输模式计算冬夏两季黑碳气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的分布,指出黑碳气溶胶的辐射强迫在对流层顶为正值, 而在地面为负值。王宏等[18]利用基于K分布算法开发的辐射传输模式,计算东亚地区沙尘气溶胶辐射加热率,模拟不同高度云层对辐射加热率的影响。田华等[19]利用中尺度数值模式MM5对我国中东部地区硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应进行模拟。然而,模式中气溶胶的浓度和消光系数及关键光学参数一般采用理论值、气候平均值或模拟结果,与气溶胶真实情况存在较大差距,这也是气溶胶辐射效应评估不确定性的主要原因之一。

      本文基于地面激光雷达与太阳光度计观测气溶胶光学特性数据,分析2018年1月25—28日北京一次完整污染过程中气溶胶消光系数垂直分布特征及气溶胶光学厚度、单次散射反照率和非对称因子的变化,并以此为辐射传输模式输入,计算污染过程中晴空条件下气溶胶短波辐射加热率的变化。通过气溶胶单次散射反照率敏感性试验,定量评估气溶胶散射能力变化对气溶胶辐射加热作用造成的影响。

    • 本文所用数据包括:地基激光雷达观测的气溶胶垂直消光系数和退偏振比,太阳光度计观测的气溶胶光学特性参数,地面观测的PM2.5质量浓度和欧洲中期天气预报中心的日平均气象数据。数据时段均为2018年1月1—31日。

      气溶胶垂直消光系数来自米-拉曼激光雷达观测反演,仪器集合水汽、气溶胶和云等观测为一体,时空分辨率高[20]。激光雷达装配Nd:YaG型激光发射器,发射中心波长为532 nm激光,单脉冲能量大于100 mJ;回波信号接收系统由卡塞格林光学望远镜和光电倍增管组成,接收532 nm平行、垂直的米散射信号,以及607 nm,660 nm的拉曼非弹性散射信号[21]。雷达数据处理主要基于Fernald算法并结合Klett算法[22],白天利用532 nm的米散射回波信号反演出大气气溶胶后向散射系数的垂直分布,夜间通过反演607 nm和532 nm的回波信号共同获得气溶胶垂直消光系数[23]。退偏振比定义为532 nm垂直后向散射系数和平行后向散射系数之比,用于识别大气中不同粒子的形态,比值越小说明粒子越接近球形[21]。为提高白天回波信号的信噪比,一方面选取激光雷达接发器的窄视场限制太阳辐射进入,另一方面在观测前将白天探测的回波信号和太阳光度计观测结合,手动订正雷达比,进一步提高数据的反演精度。激光雷达的垂直分辨率为7.50 m,为尽可能避免城市冠层和激光雷达接收盲区影响,选取0.20~5.00 km高度数据,观测时间间隔为5 min。为尽可能排除云层对气溶胶消光系数的影响,选取中国气象局大气探测综合试验基地相同时段毫米波云雷达观测数据进行云检验[24]

      2018年1月4个波段(440 nm,675 nm,870 nm,1020 nm)的气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)、单次散射反照率和非对称因子连续观测日平均值数据,来源于全球地基气溶胶自动观测网络(Aerosol Robotic Network,AERONET),该平台使用观测仪器为CE-318型太阳光度计,所用数据均为经云检测和质量检验的2.0级气溶胶反演产品,其数据集在气溶胶光学特性相关研究领域已得到广泛应用[25]

      模式所用的气压、温度、比湿等气象数据来自欧洲中期天气预报中心的日平均气象数据(https://apps.ecmwf.int/datasets/),数据按照等气压面从1000 hPa到1 hPa分成33层,并利用双线性方法插值到站点。逐小时PM2.5质量浓度数据来源于北京市环境保护检测中心(http://www.bjmemc.com.cn/)。

    • 本文主要观测仪器包括地基激光雷达和太阳光度计,均安装在中国气象科学研究院观测站(Chinese Academy of Meteorological Sciences, 以下简称CAMS站),该站位于北京市海淀区,为典型城市观测站, 可以进行市区垂直辐射和污染物时空分布监测。PM2.5数据来源于北京市西城区官园站,与CAMS站直线距离为2.00 km。为验证CAMS站观测数据的准确性,对比相同时段内中国科学院大气物理研究所观测站(Institute of Atmospheric Physics,以下简称IAP站)的太阳光度计观测结果,IAP站与CAMS站直线距离为7.00 km。这3个站点之间距离较近,数据可被认为具有良好的相互代表性。

    • 辐射传输模式主要应用美国NASA开发的Goddard短波辐射参数化方案,计算气溶胶对短波辐射效应的影响[26]。Goddard短波辐射方案是一个复杂的谱方案,计算大气中气体分子、云和气溶胶引起的吸收,以及多次散射过程产生的短波辐射通量[27]。光谱范围从0.17 μm到10.00 μm共分为11个波段(表 1),其中第8波段采用地基激光雷达532 nm的观测数据。Chou等[26]对本文使用的短波辐射方案与高分辨率的精确计算进行验证,结果表明:对于地表短波辐射通量的计算结果与高分辨率计算的量级相当。

      表 1  短波辐射模式中谱带分布和所选波长

      Table 1.  Solar wavelength in the shortwave radiation model

      波段 分段波长/μm 应用波长/μm
      1 (0.175, 0.225] 0.225
      2 (0.225, 0.245] 0.245
      3 (0.245, 0.260] 0.260
      4 (0.280, 0.295] 0.295
      5 (0.295, 0.310] 0.310
      6 (0.310, 0.320] 0.320
      7 (0.320, 0.400] 0.400
      8 (0.400, 0.700] 0.532
      9 (0.700, 1.220] 1.220
      10 (1.220, 2.270] 2.270
      11 (2.270, 10.000] 5.000

      Goddard辐射传输模式需要输入的气溶胶光学特性参数为消光系数、单次散射反照率和非对称因子。其中,气溶胶消光系数采用地基激光雷达垂直观测结果,利用对数线性回归方法将观测数据插值到模式不同波段中,单次散射反照率和非对称因子采用440 nm波段日平均值。由此通过气象数据和气溶胶光学特性参数,可计算得到不同污染程度中大气加热率,计算结果减去相同气象条件下无气溶胶存在的大气加热率,便得到气溶胶辐射加热率。为讨论污染过程中气溶胶对于辐射加热率的影响,降低其他要素的干扰,模式中气象数据采用2018年1月25—28日平均值;地表反照率设为0.20,代表城区的光亮地表;太阳常数设定为1367.00 W·m-2。污染过程基于1月25—28日白天3.00 km高度内气溶胶的真实变化,模拟计算晴空条件下气溶胶短波辐射加热率。

    • 图 1为2018年1月北京AOD变化特征,CAMS站和IAP站的AOD日平均值变化趋势较为一致,受局地环境影响造成数值上略有偏差。1月27日IAP站AOD低于CAMS站,这是由于仪器观测频次不同和滤云处理存在误差导致。CAMS站和IAP站440 nm AOD月平均值分别为0.41和0.32,表明2018年1月北京背景大气较为清洁[28-29]。随着大气中气溶胶含量增多,13—21日440 nm AOD显著增大,AOD第2个峰值出现在27日,其中CAMS站440 nm AOD高达2.48,该结果说明27日大气中气溶胶具有很强的消光作用。

      图  1  2018年1月北京440 nm, 675 nm, 870 nm和1020 nm波段气溶胶光学厚度日变化

      Figure 1.  Daily averaged variation of aerosol optical depth at 440 nm, 675 nm, 870 nm and 1020 nm in Beijing in Jan 2018

      图 2为2018年1月北京PM2.5质量浓度变化。由图 2可以看到,PM2.5变化趋势与AOD变化相似,PM2.5质量浓度月平均值为34.91 μg·m-3,进一步说明2018年1月北京大气中颗粒物含量较低。从1月PM2.5变化可以发现两次污染过程(图 2),第1次污染过程发生在11—22日,14日PM2.5平均值约为140.58 μg·m-3,15日迅速下降到27.50 μg·m-3,19日又增加至95.88 μg·m-3,污染过程持续时间长,高质量浓度污染多发生在夜间;第2次污染过程发生在26—28日,27日PM2.5平均值约为83.21 μg·m-3,达到轻度污染水平[30],最大值出现在17:00(北京时,下同)约为110.00 μg·m-3。由于第1次污染过程中PM2.5高值主要集中在夜间,不利于气溶胶短波辐射效应的研究,因此,本文选取25—28日完整的污染过程,详细分析北京冬季一次典型气溶胶爆发性增长过程对短波辐射加热率的影响。

      图  2  2018年1月北京PM2.5质量浓度变化趋势

      Figure 2.  Daily and hourly averaged variation of PM2.5 concentration in Beijing in Jan 2018

    • 图 3为2018年1月25—28日北京一次典型冬季污染过程中基于激光雷达观测得到的532 nm气溶胶消光系数和退偏振比的时空分布。25日和28日3.00 km高度内消光系数均低于0.15 km-1,说明清洁大气条件下气溶胶质量浓度低,消光能力弱。26—27日污染爆发期间,消光系数高值区主要集中在1.50 km高度以内,最高可达3.00 km高度。AOD于27日达到峰值,消光系数最大可达0.72 km-1,表明污染过程中环境气溶胶的积累质量浓度升高,气溶胶层消光作用增强导致到达地表的短波辐射减少,近地面大气污染加重[31-32]。结合相同时段云雷达观测结果(图 4)可以看到,26日00:00—27日18:00,3.00 km高度内大气中不存在系统性云团,说明该时间范围内激光雷达探测到消光系数增大是气溶胶粒子的消光作用增强所致。

      图  3  2018年1月25—28日北京532 nm气溶胶消光系数和退偏振比的时空分布

      Figure 3.  Temporal and spatial distribution of extinction coefficient and depolarization ratio at 532 nm in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

      图  4  2018年1月25—28日北京毫米波云雷达反射率因子的时空分布

      Figure 4.  Temporal and spatial distribution of cloud radar reflectivity in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

      1月26日00:00—27日18:00,在3.00 km高度内退偏振比低于0.15,表明3.00 km高度大气中球形气溶胶粒子占主导,该结果与Liu等[33]基于飞机探测的研究结论相吻合。26日02:00,在4.50~5.50 km高度,消光系数大于0.90且退偏振比大于0.20,此时以非球形粒子为主,根据温度和高度可以判定为冰晶粒子[34]。从近地面至3.00 km高度,一定环境容量内大气气溶胶不断积累,使大气污染更加复杂。

      气溶胶单次散射反照率定义为大气气溶胶散射消光占总消光的百分比,主要取决于气溶胶粒子的形状、组分和浓度,数值越大散射能力越强,对辐射效应计算具有重要影响[35]。气溶胶非对称因子定义为散射角余弦的加权平均值,表征颗粒物前向散射程度,数值越大前向散射越大[36]。污染期间气溶胶单次散射反照率和非对称因子日变化与波长没有明显相关性(图 5),不同波段变化趋势存在差异,进一步说明气溶胶光学特性的复杂程度。1月25日清洁大气背景下,4个波段单次散射反照率变化范围在0.84~0.88,26—28日440 nm单次散射反照率从0.89增加到0.94,说明污染期间气溶胶粒子散射能力逐渐增强。25—27日440 nm非对称因子从0.72下降至0.67,28日回升至0.73,说明污染期间大气气溶胶后向散射能力增强。污染大气中气溶胶质量浓度增大使前向和后向散射同时增加,后向散射增加更多,造成太阳光在大气中产生更多次散射,更多的气溶胶粒子吸收太阳能量加热大气,进而减少到达地表的短波辐射。

      图  5  2018年1月25—28日北京气溶胶单次散射反照率和非对称因子逐日变化

      Figure 5.  Daily averaged variation of single scattering albedo and mmetry factor at 440 nm, 675 nm, 870 nm and 1020 nm in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

    • 气溶胶粒子对太阳光衰减具有波长依赖性,大量研究[37-38]表明:气溶胶光学厚度随波长增加呈指数递减,这也符合大陆城市型气溶胶光学厚度变化特征。为了更准确地拟合AOD与波长之间关系,基于Ångström波长公式[39],采用对数线性回归拟合方法,利用340 nm,380 nm,440 nm,500 nm,675 nm,870 nm,1020 nm和1640 nm波段的AOD日平均值,拟合AOD与波长之间的相关关系,拟合得到的斜率即为Ångström波长指数,表征气溶胶粒子大小[40]。如表 2所示,1月25—28日拟合结果的相关系数均在0.95以上(达到0.01显著性水平),AOD与波长之间具有较好的相关性。单次散射反照率和非对称因子与波长相关性不明显,选取440 nm波段日平均值输入模式中。

      表 2  2018年1月25—28日气溶胶光学厚度与波长拟合公式

      Table 2.  Fitting functions between AOD and wavelength from 25 Jan to 28 Jan in 2018

      日期 拟合公式 相关系数
      25 lnτ = -1.72lnλ+9.57 0.95
      26 lnτ = -1.64lnλ+9.91 0.99
      27 lnτ = -0.77lnλ+5.66 0.98
      28 lnτ = -1.75lnλ+9.79 0.96
    • 气溶胶对大气加热作用取决于它在大气中的浓度、垂直分布、化学组分、粒子形状和太阳高度角(h0)等因素[18]。北京冬季有效太阳照射时间短,太阳高度角比较低。由图 6可知,1月北京日照时长为08:00—17:00,h0在12:00达到最大,约为26.60°,此时短波辐射通量也达到最大,约为498.08 W·m-2h0变化导致一日内向下的短波辐射通量差异较大。

      图  6  2018年1月北京月平均向下短波辐射通量和太阳高度角逐时变化

      Figure 6.  Hourly variation of monthly averaged shortwave downward radiation and solar elevation angle in Beijing in Jan 2018

      结合1月25—28日白天(08:00—17:00)气溶胶消光系数平均变化廓线,h0设为30°,利用短波辐射模式计算气溶胶短波辐射加热率(以下简称加热率),分析污染过程中气溶胶变化导致加热率垂直分布差异(图 7)。25日清洁大气条件下,消光系数在0.45 km高度附近达到最大值,为0.09 km-1,高值区(超过0.50 km-1)出现在0.27~1.40 km高度,该高度层消光系数平均值约为0.07 km-1,3.00 km高度内消光系数平均值约为0.05 km-1,结果表明,清洁大气中气溶胶对太阳辐射为弱消光作用。污染过程中,在3.00 km高度内气溶胶消光性增强,消光系数在垂直方向不均匀分布。26日3.00 km高度内消光系数平均值为0.18 km-1,最大值出现在1.58 km高度处,为0.31 km-1;27日消光系数平均值高达0.43 km-1,最大值出现在0.97 km高度处,为0.59 km-1。27日3.00 km高度内消光系数平均值相比于25日提高9.2倍,此时大气气溶胶强消光作用严重削减到达地表的短波辐射。28日污染物消散,3.00 km高度内消光系数平均值迅速下降为0.07 km-1,最大值出现在近地面0.39 km高度附近,为0.11 km-1,垂直分布与25日相似。

      图  7  2018年1月25—28日北京白天(08:00—17:00)平均大气消光系数和短波辐射加热率的垂直分布

      Figure 7.  Day-time averaged vertical distribution of atmospheric extinction coefficient and solar radiative heating rate(0800 BT to 1700 BT) in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

      清洁转为污染过程中大气气溶胶消光性增强,是造成加热率增加的主要原因。清洁天气条件下气溶胶消光性较弱,气溶胶层对大气表现为弱加热作用。1月25日和28日3.00 km高度内短波辐射加热率平均约为5.39 K·d-1和4.01 K·d-1,虽然28日消光系数平均值略高于25日,但28日气溶胶粒子散射性较强,导致加热率低于25日。污染天气条件下,消光系数在3.00 km高度内不规则分布,造成气溶胶对大气的加热作用在垂直方向上呈现出分层变化。气溶胶中上层1.50~3.00 km高度为主要加热区,26日加热率平均值约为10.54 K·d-1,最大加热率出现在3.30 km高度处,约为12.13 K·d-1;27日加热率平均值约为13.89 K·d-1,最大值出现在2.74 km高度处,约为23.94 K·d-1,说明气溶胶消光性增强有利于太阳辐射在大气中多次散射, 并造成更多吸收,从而加热大气。1.50 km高度以下低气溶胶层,26日和27日加热率平均值分别为2.28 K·d-1和0.99 K·d-1,说明气溶胶消光性增强使得到达低层的太阳辐射减少,低气溶胶层对大气加热作用减弱。综上可知,冬季污染过程中气溶胶消光性增强,对气溶胶中上层大气有较强的加热作用,而低层加热率降低,这与Liou等[16]的研究结果较为一致。

    • 不同组分气溶胶对于太阳辐射的吸收程度差异较大,如黑碳类气溶胶具有强吸收性、无机盐类气溶胶具有强散射性,单次散射反照率变化会导致加热率计算结果明显差异。利用1月25—28日单次散射反照率440 nm日平均值模拟加热率随单次散射反照率的变化(图 8),以25日(PM2.5质量浓度为8.24 μg·m-3,440 nm AOD为0.13)代表清洁日和27日(PM2.5质量浓度为83.21 μg·m-3,440 nm AOD为2.48)代表污染日的两种气溶胶消光廓线进行敏感性试验。试验中h0设为30°。结果表明:气溶胶散射能力增强会使短波辐射加热率随气溶胶单次散射反照率增大而减小,但不改变加热率的整体分布特征。清洁日气溶胶消光能力弱,散射性增强导致整层加热率降低,单次散射反照率从0.87增大至0.94,3.00 km高度内加热率平均值从5.58 K·d-1降低至3.30 K·d-1,若不考虑单次散射反照率的变化会造成约16.2%的误差。污染日气溶胶中上层(1.50~3.00 km高度)加热率的变化与清洁日相似,单次散射反照率由0.87增大至0.94,该层加热率平均值从18.51 K·d-1降低至14.77 K·d-1,平均降低了3.74 K·d-1,加热率极值降低了13.58 K·d-1。气溶胶散射能力增强导致进入低层大气的太阳辐射增加,1.50 km高度内气溶胶加热率从0.47 K·d-1提升至1.28 K·d-1。污染过程中气溶胶散射能力更强,加热率变化对于单次散射反照率更敏感。精确测算污染过程中气溶胶散射特性,对于准确模拟气溶胶短波辐射效应尤为重要。

      图  8  清洁日和污染日短波辐射加热率随单次散射反照率垂直变化趋势

      Figure 8.  The vertical distribution of solar radiative heating rate with single scattering albedo in clear day and pollution day

    • 根据太阳高度角的变化规律,利用1月27日白天逐2 h气溶胶消光系数廓线,讨论加热率逐时变化特征。由图 9可以看到,27日08:00消光系数最大值出现在1.04 km高度处,约为0.64 km-1,12:00消光系数最大值出现在1.38 km高度处,约为0.75 km-1,说明大气升温有利于地面污染物抬升。污染过程中3.00 km高度内消光系数和加热率平均变化:08:00 h0只有4°,消光系数为0.39 km-1,整层加热率约为0.53 K·d-1;12:00 h0增大到27°,消光系数为0.41 km-1,整层加热率增加至7.62 K·d-1,加热率极值为35.34 K·d-1;16:00 h0降低为8°,消光系数为0.43 km-1,整层加热率降低至1.37 K·d-1。可以看出,一日之内太阳高度角的变化,引起短波辐射加热率的变化幅度非常大,加热率最大平均值和极大值均出现在12:00。值得注意的是,与无气溶胶情况相比,0.50 km高度内08:00和16:00加热率平均值分别降低了0.13 K·d-1和0.08 K·d-1,这主要是由于气溶胶层对太阳辐射的吸收和散射会减少抵达低层大气的太阳辐射,低层加热率由低层气溶胶的吸收作用和中上层气溶胶对太阳辐射的阻挡作用共同影响,气溶胶消光性增强实质上减弱了对低层大气加热作用,这与Liou[16]的研究结果相一致。

      图  9  2018年1月27日北京白天大气消光系数和短波辐射加热率的垂直分布

      Figure 9.  Vertical distribution of day-time extinction coefficient and solar radiative heating rate in Beijing on 27 Jan 2018

    • 针对2018年1月25—28日北京一次典型气溶胶爆发性增长的污染过程,利用地基激光雷达和太阳光度计反演的气溶胶垂直消光系数及光学特性参数,结合地面PM2.5连续观测数据分析了污染过程中气溶胶光学特性变化,利用短波辐射传输模式评估了晴空条件下3.00 km高度内气溶胶质量浓度、散射能力和太阳高度变化对短波辐射加热率的影响。主要结论如下:

      1) 清洁大气条件下,PM2.5日平均质量浓度为8.24 μg·m-3(25日)和12.83 μg·m-3(28日),消光系数均低于0.10 km-1,大气中气溶胶含量低,气溶胶消光作用弱;污染过程(26—27日)中气溶胶爆发性增长,气溶胶消光作用增强,散射能力增强。污染最严重的27日440 nm AOD达到2.48,PM2.5质量浓度为83.21 μg·m-3,440 nm单次散射反照率增大至0.92,主要消光层厚度达到3.00 km高度,消光系数平均值为0.43 km-1,是25日消光系数的9.2倍。

      2) 清洁大气条件下,气溶胶对于太阳辐射主要表现为弱吸收作用,3.00 km高度内加热率分别约为5.39 K·d-1(25日)和4.01 K·d-1(28日)。污染过程中,气溶胶垂直方向不均匀分布,对大气加热作用集中在气溶胶中上层,低气溶胶层加热作用较弱。当3.00 km高度内平均消光系数为0.43 km-1时(27日),1.50~3.00 km高度加热率为13.89 K·d-1,1.50 km高度内加热率为0.99 K·d-1,加热率极值出现在2.74 km高度处,约为23.94 K·d-1

      3) 气溶胶散射能力变化对短波辐射加热率的影响显著,且在污染天气条件下影响更大。污染天气条件下,3.00 km高度内消光系数平均值为0.43 km-1时,单次散射反照率从0.87增加到0.94,气溶胶中上层的加热率降低3.74 K·d-1,低层加热率提高0.81 K·d-1

      4) 27日白天(08:00—17:00)气溶胶消光系数和加热率垂直变化表明:太阳高度角的日变化导致最大消光系数高度从地面逐渐抬升后下沉,12:00在1.30 km高度达到最大高度。气溶胶对大气加热作用也在12:00达到最强,3.00 km高度以下加热率平均值约为7.62 K·d-1,极值高达35.34 K·d-1

      综上所述,短波辐射加热率主要依赖于气溶胶的质量浓度及其垂直分布,还受到气溶胶单次散射反照率和太阳高度角的影响。因此,当运用集合模式对污染过程进行模拟时,需重点考虑这些因素的变化,避免造成较大误差。值得注意的是,本文仅理想化计算了晴空条件下3.00 km高度内气溶胶变化导致短波辐射加热率的改变,实际过程中4.50~6.00 km高度有高云存在,会对短波加热率造成一定影响,在今后的工作中会进行更深入研究。

参考文献 (40)

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