北京重污染天气下基于气溶胶垂直探测的光学特性对辐射影响研究

【摘要】：通过对气溶胶光学特性参数和质量浓度的连续观测,分析了北京地区2018年1-12月气溶胶光学厚度(AOD)、?ngstr?m波长指数(AE)、单次散射反照率(SSA)等关键光学特性的月变化,结合地基激光雷达垂直探测,同时分析了不同污染情形中气溶胶的垂直变化。基于污染过程中气溶胶光学特性地基探测数据,利用短波辐射传输模式计算了晴空条件下气溶胶对辐射加热率的影响,并设计了气溶胶SSA改变对加热率影响的敏感性实验。结果表明:北京地区春季3-5月PM_(10)质量浓度在120.0μg·m~(-3)以上,AOD_(440nm)在0.80以上,说明大气中颗粒物含量高,消光能力较强,AE值为全年最低在0.80附近,受到粗粒子影响相对其他季节较大。夏、秋两季颗粒物浓度相当约为70.0μg·m~(-3),但夏季气溶胶粒子的吸湿增长作用可导致光学厚度增大,散射能力增强,SSA440nm约为0.95。1、2和12月大气中气溶胶浓度较低,AOD_(440nm)在0.40以下。三次典型污染个例分析表明:雾霾污染爆发期间,气溶胶散射能力逐渐增强,SSA_(440nm)在0.94以上,主要消光区多集中在1.5 km以内,最高可达3.0 km,3.0 km内消光系数(ECs)最大均值为0.43 km~(-1)(1月雾霾过程)和0.70 km~(-1)(3月雾霾过程)。3月沙尘污染期间,SSA_(440nm)下降至0.88,说明沙尘粒子在短波波段具有较强的吸收性,气溶胶垂直分布在5.0 km以内,5.0 km内ECs最大均值为0.40 km~(-1)。辐射传输模式模拟结果表明:气溶胶对于大气主要表现为加热作用,但气溶胶在垂直方向的不均分布使加热率呈现分层变化。清洁天气下,整层ECs低于0.1 km~(-1),加热率在10.0 K·day~(-1)以内。污染过程中,气溶胶对大气加热作用主要集中在气溶胶中上层,而低气溶胶层对大气加热作用迅速降低。1月雾霾过程,ECs均值为0.43 km~(-1)时,集中加热层(5.0 K·day~(-1))位于1.5-3.0 km,此层加热率均值13.89 K·day~(-1),而集中加热层之下的加热率仅为0.99 K·day~(-1);3月雾霾过程,ECs均值为0.70 km~(-1)时,集中加热层(10.0K·day~(-1))位于0.8-2.0 km,加热率均值为22.42 K·day~(-1),1.0 km内加热率均值为7.12 K·day~(-1)。沙尘过程加热率与3月雾霾过程量级相当,加热率极值为42.0 K·day~(-1),集中加热层位于2.2-5.0 km,该层加热率均值为24.73 K·day~(-1),而1.5 km内加热率小于0.50 K·day~(-1)。敏感实验表明:气溶胶散射能力增强会降低对大气的加热作用,污染条件下加热率对于SSA变化更为敏感。1月雾霾事件期间,SSA_(440nm)从0.94降低至0.87导致集中加热层的加热率增大3.74 K·day~(-1),而集中加热层之下的加热率则降低0.81 K·day~(-1)。