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科研进展

ACP: 气溶胶与大气边界层相互作用中的辐射强迫污染反馈阈值与自净能力阈值

  近年来,随着我国大气污染治理研究的不断深入,大气颗粒物污染与边界层气象条件之间的相互作用受到广泛关注,研究揭示气溶胶与大气边界层相互作用机理,定量气溶胶辐射强迫对边界层结构的反馈机制对大气污染防控策略有着重要的指导意义。

  在大气边界层物理与大气化学国家重点实验室仪器专项经费资助下,辛金元研究团队利用多普勒风廓线激光雷达、微波辐射计、云高仪、太阳分光光度计及颗粒物浓度与成分测量仪等设备,建立了“京津冀区域大气气溶胶对边界层气象反馈机制观测系统”,实现对典型城镇区域大气边界层物理与大气污染过程的精细化耦合探测。
  系统观测发现,在北京秋冬季节,周期性大气污染过程显著地受到气溶胶与边界层反馈机制的影响,气溶胶直接辐射强迫的阳伞与穹顶效应导致大气边界层稳定性增加,大气污染持续累积(图1)。气溶胶主要集中于大气边界层内,定义气溶胶辐射强迫参数|SFC-ATM|为气溶胶对近地面与上层大气的净辐射强迫(其中,SFC:气溶胶对地表辐射强迫,为负值;ATM:气溶胶对周边大气辐射强迫,为正值),即气溶胶辐射强迫对大气边界层热力过程的能量扰动。2018-2019年冬季长期探测结果表明,气溶胶对大气边界层热力过程的能量扰动|SFC-ATM|与细颗粒物PM2.5浓度之间存在显著正线性关系,随着PM2.5浓度上升、气溶胶辐射强迫加强,导致近地面和上层大气之间的温差加大(图2)。同时,计算边界层湍流动能TKE高分辨率垂直廓线结构发现,边界层内湍流动能TKE随着气溶胶辐射强迫|SFC-ATM|的增加呈指数下降趋势。这种平滑的指数变化关系在边界层内部最显著;而在大气边界层以上及气溶胶层以上,未呈现气溶胶辐射强迫对湍流动能的影响;研究探测证实了大气边界层内气溶胶层的辐射强迫效应对边界层结构的非线性影响(图3)。
  根据探测获取的边界层内湍流动能TKE与气溶胶辐射强迫效应|SFC-ATM|的理想指数方程,本研究首次发现气溶胶与边界层相互作用存在直接辐射强迫反馈阈值区域(图4),北京冬季|SFC-ATM|的阈值范围大概在55 W m-2左右,对应PM2.5浓度大概在50 μg m-3左右。当气溶胶辐射强迫大于该阈值范围,边界层热力发展受到抑制,大气污染物累积,随着PM2.5浓度上升,气溶胶辐射强迫增强对边界层热力发展抑制,这将激发气溶胶与边界层相互作用的污染反馈机制,大气边界层结构将快速稳定,大气环境容量迅速下降。相反,当气溶胶辐射强迫小于该阈值,不足以抑制边界层热力发展,大气环境自净能力激活,大气污染物对流扩散,PM2.5浓度迅速下降;弱的气溶胶辐射强迫与大气自由对流形成良性循环,大气环境维持较强的自净能力。
  课题负责人辛金元研究员指出,由于大气边界层气象要素与大气污染相互作用的非线性关系,特别是气溶胶辐射强迫与边界层热力学过程的非线性反馈机制,导致在大气污染治理过程中存在最困难的阶段,当突破这一阶段,随着大气自净能力的激活,可高效地维持优良空气质量。针对不同天气气候条件与地理区域,科学建立大气边界层气象与环境要素垂直探测体系,系统研究大气边界层气象要素与大气污染相互反馈的阈值效应,有助于科学指导大气污染阶段性管控目标的制定。系列研究得到了国家重点研发计划大气污染成因与控制技术研究专项课题(2016YFC0202001)、中国科学院战略先导专项美丽中国生态文明建设科技工程专题任务(XDA23020301)与国家自然科学基金(42061130215)等项目的资助。
 
图1. 北京冬季霾污染典型期I(2018/12/13-16)、典型期II(2019/1/5-8)、以及典型清洁期III(2018/12/27-30)的边界层气象与环境要素高分辨率探测结果示例。(a)垂直湍流结构(阴影颜色:TKE),(b)垂直温度结构(阴影颜色:逆温强度)和(c)悬浮粒子的垂直分布(阴影颜色:大气后向散射系数)。

  

图2. PM2.5与气溶胶对大气层顶辐射强迫TOA、大气层辐射强迫ATM、地面辐射强迫SFC,及对大气边界层热力过程能量扰动|SFC-ATM|的散点关系。 

  

图3. 气溶胶辐射强迫对大气边界层能量扰动|SFC-ATM|与不同高度及边界层内外湍流动能TKE的相关关系。 

  

图4. 气溶胶与大气边界层相互作用机制与直接辐射强迫反馈阈值
 

 

  

  Citation: 

  Dandan Zhao, Jinyuan Xin*, Chongshui Gong, Jiannong Quan, Yuesi Wang, Guiqian Tang, Yongxiang Ma, Lindong Dai, Xiaoyan Wu, Guangjing Liu, and Yongjing Ma. The impact threshold of the aerosol radiation forcing on the boundary layer structure in the pollution region. Atmospheric Chemistry and Physics., 21, 5739–5753, 2021. .  

  YongjingMa; Jianhuai Ye; Jinyuan Xin*; Wenyu Zhang; Vilà-Guerau de Arellano Jordi; Shigong Wang; Dandan Zhao; Lindong Dai; Yongxiang Ma; Xiaoyan Wu; Xiangao Xia; Guiqian Tang; Yuesi Wang; Pengke Shen; Yali Lei; and Scot T. Martin* (2020). The Stove, Dome, and Umbrella Effects of Atmospheric Aerosol on the Development of the Planetary Boundary Layer in Hazy Region. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL087373. . 

  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.  

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