北京不同站点气溶胶辐射效应及其气象影响观测研究

发布时间：2020-05-24 03:44

【摘要】：本文基于北京不同气象站地面观测总辐射、直接辐射、风速、风向、相对湿度、气压、气温以及本站或邻近环境监测站点的PM_(10)、PM_(2.5)浓度、AOD(Aerosol Optical Depth)实测数据分析了太阳短波辐射、多种气象要素、两种颗粒物浓度、AOD的时空变化特征及其城郊差异,并分析了总辐射与颗粒物浓度、AOD的时间变化关系以及多种气象要素对气溶胶短期辐射效应影响。在此基础上,参考国外研究方法采用澳大利亚气象局SES2(the second Sun-Edward-Slingo radiative transfer model)辐射传输模式和0.125°×0.125°的ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts reanalysis dataset)细网格再分析资料计算了北京地区4个观测站点考虑云和水汽影响的、地面接收的短波辐射通量,并与地面观测的辐射通量进行比较分析气溶胶的短期辐射效应及其城郊差异,并着重分析了风速、相对湿度对北京城区、近郊区和远郊区气溶胶的短期辐射效应的影响及城郊差异。研究结果表明,北京4个站点的月平均总辐射时间变化较一致,位于近郊区的南郊和远郊区的上甸子站月平均总辐射值略高于位于市区的海淀和石景山站,尤其是春夏季和冬季北京城郊总辐射差异较大,中度以上污染日远郊区月平均总辐射远大于其他2个城区和近郊区站点,气溶胶浓度对北京城区和近郊区的影响远大于远郊区。4个站点的PM_(10)、PM_(2.5)浓度具有明显的季节变化特征,尤其是PM_(2.5)浓度较明显,即秋冬季PM_(10)、PM_(2.5)浓度较高,春夏季较低。2个市区站点和近郊区南郊站PM_(10)、PM_(2.5)浓度远大于远郊区站,即南郊站PM_(10)、PM_(2.5)浓度最大,海淀和石景山站次之,上甸子站最小。南郊站AOD大于上甸子站,尤其是秋冬季两个站AOD差异更大。南郊站3年平均AOD较上甸子站平均偏高0.2,极大值偏大0.6。PM_(10)、PM_(2.5)浓度月变化和城郊差异特征与中度以上污染日的总辐射时间变化趋势及其城郊差异相反,这是因为气溶胶对太阳辐射的吸收和散射作用导致其到达地面的短波辐射通量减少。北京城区气溶胶对总辐射的影响约为远郊区的2倍,北京南部和西部气溶胶对辐射的影响较大,晴天和云天北京城区气溶胶对总辐射的削减值分别为146.23~180.99W·m~(-2)和202.11~217.02 W·m~(-2)之间,晴天情况下北京不同城区的总辐射削减值差异大于云天。北京城郊总辐射削减率的空间差异与大气污染物的空间分布较一致,北京远郊区气溶胶对中午时段的总辐射削减远小于市区;秋冬季气溶胶对总辐射的影响明显大于春夏季,北京南郊秋冬季气溶胶对总辐射的削减作用最大可达60%,较春夏季高10~20%;晴天条件下,上甸子站气溶胶对辐射的影响明显小于其他3个站;4个站中海淀和石景山两个站点的辐射削减较大,这与4个站的污染状况差异以及气象条件和大气污染物外来输送对辐射削减的影响差异有关;云天时当PM_(2.5)浓度小于350μg_·m~(-3)时总辐射削减差异较小,大于此阈值时,总辐射削减有明显增加,这可能与云天湿度较大导致气溶胶浓度吸湿增长作用显著增强,从而造成气溶胶辐射影响增加有关。北京城郊总辐射和直接辐射削减率与AOD均呈线性变化关系,近地面PM_(2.5)浓度对辐射的影响不容忽视;风速、风向和相对湿度是影响气溶胶天气尺度辐射效应的重要因素。远郊区风速和相对湿度高于市区和近郊区,而污染较重的秋冬季市区和近郊区的风速较小,相对湿度较大,从而加剧了气溶胶的生成和增长,间接影响了气溶胶对太阳辐射的削减作用,减少了到达地面的太阳短波辐射。而且风速和相对湿度对气溶胶短期辐射效应的影响特征有所不同,即北京城区和郊区湿度对气溶胶短期辐射效应的影响较一致,但风速影响存在城郊差异。研究结果对深入认识气溶胶-云-辐射的相互作用物理机制、提高环境气象观测和预报、改进太阳能资源精细化评估和预报均具有一定的科学意义。
【图文】：

甸子,时间变化特征,晴天

文北京不同站点气溶胶辐射效应及其气象影响观测研究11图 2-4 和图 2-5 分别给出了 2013 年 1 月～2015 年 10 月全天空和晴天情况下南郊和上甸子站逐日AOD的时间变化特征，总体来看南郊站AOD大于上甸子站，尤其是秋冬季两个站 AOD 差异更大。另外由于受到云的影响有云情况下 AOD 反演误差较大，导致全天空情况下两个站夏季 AOD 亦较高，但晴空时夏季 AOD 均较低。从图 2-4 可看出晴空时两个站 AOD 季节变化特征较明显，即秋冬季和春季 AOD较高，夏季较低，另外多数时段上甸子站 AOD 小于南郊站，与全天空相比，晴空时两个站 AOD 差异更大。图2-4 2013年1月～2015年10月全天空情况下南郊和上甸子站逐日AOD的时间变化特征：

总辐射,月变化特征,月平均,测站

2.3 北京城郊总辐射时间变化特征及气溶胶影响初步分析本文分析了 2013 年 1 月～2015 年 10 月全天空（各月所有样本）、晴空（各月中的晴天样本）、中度以上污染日（逐时 PM2.5浓度大于 115μg.m-3的数据样本）三种情况下月平均总辐射的月变化特征。2.3.1 全天空图 2-7 与表 2-4 给出了全天空情况下 4 个测站月平均总辐射的月变化特征，总体而言 4 个站点的月平均总辐射时间变化较一致，位于郊区的南郊和上甸子站的月平均总辐射值略高于位于市区的海淀和石景山站，尤其是春夏季和冬季北京城郊总辐射差异较大，秋季差异不明显。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X513

【参考文献】