气溶胶在大气边界层中的火炉、穹顶与阳伞效应

来源：中科院大气物理研究所

在国家重点研发计划课题（2016YFC0202001）与中科院战略先导专项任务（XDA23020301）资助下，基于北京地区大气污染边界层物理与化学耦合观测，我所辛金元研究员团队与哈佛大学Scot T. Martin教授团队合作，联合构建了气溶胶在大气边界层中的火炉、穹顶与阳伞效应模型。研究选取典型静稳天气条件（2018年12月10日，早晨6点温度层结为：近地面稳定边界层0-100米，残留层100-420米和顶盖逆温层>420米），结合微尺度大涡模型DALES，分别在残留层420米上下设定400米的气溶胶层并进行敏感性实验。

结果表明：对于残留层之下的吸收型气溶胶浓度（图1a，SSA = 0.80），AOD从0.5增加到1.5，强烈加热残留层，破坏逆温层与残留层之间的稳定层结，促进边界层发展，边界层高度由轻度污染的1080米增长到重污染的1190米（图2c,“火炉”效应）；对于残留层之上的吸收型气溶胶浓度（图1b，SSA = 0.80），AOD从0.5增加到1.5，强烈加热顶盖逆温层，增强逆温层的逆温强度，对边界层的发展产生强烈抑制作用，边界层高度由轻度污染的690米下降到重度污染的470米（图2d,“穹顶”效应）；由于纯散射型气溶胶对大气没有加热，因此在残留层之下和之上的散射型气溶胶层（图1c-d，SSA = 1.0）对边界层的抑制作用相同，增加气溶胶浓度（AOD从0.5增加到1.5）抑制边界层发展，边界层高度从轻度污染的1060米下降到重度污染的920米。气溶胶对边界层的抑制效果仅取决于气溶胶浓度而与气溶胶层高度无关（图2e-f，地面和天空“阳伞”效应）。与同等消光能力的强吸收型气溶胶相比，纯散射型气溶胶将更多太阳辐射前向散射到地面，从而强化了地表的感热通量，因此纯散射型气溶胶对边界层的抑制作用弱于“穹顶”效应。

图1. 不同高度气溶胶层作用下边界层高度日变化特征，（a）近地面吸收型气溶胶，（b）空中吸收型气溶胶，（c）近地面散射型气溶胶，（d）空中散射型气溶胶。（a）-（d）黑色实线为低浓度气溶胶（AOD = 0.5）实验，红色实线为高浓度气溶胶（AOD = 1.5）实验。背景为高浓度与低浓度实验的位温差Δθ = θSEV - θLIG。图（a）中虚线为太阳短波辐射吸收加热导致残留层发展

研究揭示大气中存在一个转换高度h（图2a），在h之上吸收型气溶胶对边界层抑制作用强于散射型气溶胶（即，“穹顶”效应>天空“阳伞”效应），在h之下散射型气溶胶对边界层抑制作用强于吸收型气溶胶（即，地面“阳伞”效应>“火炉”效应）。该转换高度h与早晨残留层高度密切相关。

图2.（a）气溶胶光学特性（吸收、散射），初始气溶胶层高度与边界层日最大高度关系图；（b）典型早晨边界层温度层结结构，近地面稳定边界层（MSBL），残留层（MRL）和顶盖逆温层（MCIL）。（c）-（f）为气溶胶“火炉”，“穹顶”，地面和天空“阳伞”效应概念图。SH为感热通量，PBL为边界层高度

吸收型和散射型气溶胶的“穹顶”效应和（天空、地面）“阳伞”效应对大气边界层产生“双重抑制”，这将导致严重的区域性污染；研究为华北平原地区雾霾的形成提供了大气边界层物理机制解释（图3）。偏南风传输的吸收型和散射型气溶胶漂浮累积在华北平原上空，通过“穹顶”和天空“阳伞”效应抑制边界层发展，定义为“一次抑制”；在该种条件下，局地排放污染物扩散能力减弱，二次无机气溶胶剧烈生成，同时伴随着强烈的吸湿增长，大量的强散射型气溶胶累积在近地面，通过地面“阳伞”效应进一步抑制边界层发展，定义为“二次抑制”。

图3. 华北平原雾霾形成机制概念图。（a）为南风传输污染物累积在华北平原上空；（b）气溶胶吸收散射太阳辐射，基于“穹顶”和“阳伞”效应对边界层产生双重抑制效果，促进污染累积爆发

对于京津冀上空的传输型气溶胶，要加强管控华北平原南部上风向地区的燃煤、秸秆焚烧等吸收型污染物（BC、BrC）高排放的燃烧活动；而对于华北平原局地地区，应加大力度实施机动车限行、燃煤的脱硫处理等措施，减少散射型气溶胶及其气态前体物的排放。研究结果可为区域大气污染防控策略与精准治理提供科学依据。