气溶胶辐射效应对边界层结构及夹卷特征影响的观测分析
发布时间：2021-04-06 23:34
2017年12月22日至2018年1月18日利用无人机携带温、湿和颗粒物浓度探测仪对南京地区灰霾污染条件下大气边界层垂直结构开展加密观测。通过比较不同灰霾污染条件下温度、湿度和PM2.5（直径小于2.5微米的颗粒物）浓度的垂直结构差异,结合地面热通量、2米空气温度、相对湿度、风速、风向及主要大气污染物(如臭氧和PM2.5)浓度,定量评估了气溶胶辐射效应对边界层和夹卷过程的影响。分析表明,灰霾或气溶胶削弱到达地表太阳辐射,减小地表感热通量,延迟边界层发展,增加近地层大气稳定度,降低边界层高度,并加重灰霾污染。灰霾污染物在混合层顶处累积,导致PM2.5浓度最大变化出现在边界层顶部而不是近地层。气溶胶辐射效应对夹卷特征及其特征参数有重要影响。灰霾浓度升高时,夹卷区厚度增加;无量纲化夹卷速度随对流理查逊数的变化不再符合负1次方幂函数关系,与大涡模拟结果一致。本研究进一步指出,为提高重霾污染条件下天气和空气质量数值预报水平,必须考虑气溶胶辐射效应对边界层和夹卷参数化的影响。
【文章来源】：大气科学. 2020,44(06)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
2017年12月23日至2018年1月18日落桥试验站（32°30"N,118°37"E）观测的2 m温度、相对湿度（RH）、风速（WS）、风向（WD）及南京环监站（全市站点平均）臭氧、PM2.5浓度（C）时间序列
2018年1月12日受高压天气系统影响，天气晴好，地面最大风速为0.72 m s-1，最高气温为1.7°C，空气质量良好。与重霾日相比，当日08:00近地层逆温强度明显弱得多[约为0.73 K (100 m)-1]。同时，当日08:00～12:00近地层位温增量（8.2 K）大于重霾日（6.6 K）。由于灰霾浓度较低，气溶胶对到达地表太阳辐射的衰减作用不显著，最大地表感热通量150.8 W m-2，是重霾日3.1倍，且边界层高度达810 m，是重霾日（490 m）的1.65倍。可见，驱动边界层发展的关键因子是地表感热通量，而与地表温度高低关系不大。PM2.5廓线显示，早晨08:00边界层顶部有一浓度达56μg m-3的灰霾累积层（图3b）；随着地表太阳辐射增大，湍流加强，边界层顶部灰霾累积层消失；湍流发展旺盛时（12:00～16:00），灰霾在边界层内充分混合，其浓度垂直分布与位温相似；边界层顶部不存在灰霾累积现象，灰霾浓度增加不明显。气溶胶辐射效应对边界层热力结构及其演变有着重要影响。高浓度灰霾衰减到达地表短波辐射，显著降低到达地表感热通量。同干净日（2018年1月12日）相比，重霾日（2017年12月23日）感热通量显著减少（图4），日间平均地表感热通量降低了67%（将感热通量为正值的时间段判定为白天），日最大感热通量减少了102 W m-2，与中尺度大气模式（Meso NH）模拟结果（100～150 W m-2;Mallet et al.,2009）相近。又如，张晗宇等（2018）利用WRF-Chem模式对京津冀地区气溶胶直接反馈效应对各气象要素的影响进行模拟研究发现，气溶胶直接反馈效应导致京津冀地区整个时段太阳辐射量降低39.8 W m-2，气温下降0.34°C，边界层高度降低37 m。考虑到模式分析存在一定的理想性且所选个例本身天气形势不同，导致最终结果存在一定差异。
图6给出了这次观测期间白天08:00～16:00夹卷厚度随近地层PM2.5浓度变化。其中夹卷厚度是根据PM2.5浓度廓线梯度变化确定。观测显示，夹卷厚度在60～250 m之间变化，与大涡模拟（LES）初值的设定较为吻合，如Huang et al.(2011）在LES研究中设置80 m。当PM2.5浓度从20μg m-3增加到160μg m-3时，夹卷厚度增加了47%，验证了LES模式关于气溶胶辐射效应对于夹卷厚度影响的结论。Liu et al.(2019）利用LES研究气溶胶对于夹卷厚度的影响，发现当大气气溶胶光学厚度从0增加到1.5时，夹卷厚度增加了16%～28%。因此，利用LES研究灰霾条件下边界层和夹卷过程时，夹卷厚度初值的设定应随PM2.5浓度的升高而适当增加。图5 地表感热通量（Hs）随地面观测PM2.5浓度变化关系。
【参考文献】：
期刊论文
[1]南京北郊大气能见度影响因子研究[J]. 于超,张蕾. 三峡生态环境监测. 2019(01)
[2]北京地区一次PM2.5重污染过程的边界层特征分析[J]. 贺园园,胡非,刘郁珏,刘磊. 气候与环境研究. 2019(01)
[3]北京不同区域气溶胶辐射效应[J]. 李德平,程兴宏,孙治安,王黎明,张本志,张天明. 应用气象学报. 2018(05)
[4]京津冀区域典型重污染过程与反馈效应研究[J]. 张晗宇,温维,程水源,吕喆. 中国环境科学. 2018(04)
[5]天津污染天气边界层温度层结变化特征及预报阈值确定[J]. 张敏,蔡子颖,韩素芹,姚青,刘敬乐. 环境科学学报. 2018(06)
[6]青藏高原东南部复杂地形区不同天气状况下陆气能量交换特征分析[J]. 李娟,李跃清,蒋兴文,高笃鸣. 大气科学. 2016(04)
[7]南京雾-霾天气个例湍流运动特征的对比研究[J]. 李敏娜,牛生杰,张舒婷,费冬冬. 气象学报. 2015(03)
[8]我国灰霾污染的研究综述[J]. 吴丹,于亚鑫,夏俊荣,曹双. 环境科学与技术. 2014(S2)
[9]近十年中国灰霾天气研究综述[J]. 吴兑. 环境科学学报. 2012(02)
[10]夹卷层厚度定义对其参数化的影响[J]. 徐强君,孙鉴泞,刘罡,刘红年. 南京大学学报(自然科学版). 2008(02)
硕士论文
[1]典型污染源或敏感点大气颗粒物的组分特征与健康暴露水平研究[D]. 柯钊跃.华南理工大学 2011
本文编号：3122362
【文章来源】：大气科学. 2020,44(06)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
2017年12月23日至2018年1月18日落桥试验站（32°30"N,118°37"E）观测的2 m温度、相对湿度（RH）、风速（WS）、风向（WD）及南京环监站（全市站点平均）臭氧、PM2.5浓度（C）时间序列
2018年1月12日受高压天气系统影响，天气晴好，地面最大风速为0.72 m s-1，最高气温为1.7°C，空气质量良好。与重霾日相比，当日08:00近地层逆温强度明显弱得多[约为0.73 K (100 m)-1]。同时，当日08:00～12:00近地层位温增量（8.2 K）大于重霾日（6.6 K）。由于灰霾浓度较低，气溶胶对到达地表太阳辐射的衰减作用不显著，最大地表感热通量150.8 W m-2，是重霾日3.1倍，且边界层高度达810 m，是重霾日（490 m）的1.65倍。可见，驱动边界层发展的关键因子是地表感热通量，而与地表温度高低关系不大。PM2.5廓线显示，早晨08:00边界层顶部有一浓度达56μg m-3的灰霾累积层（图3b）；随着地表太阳辐射增大，湍流加强，边界层顶部灰霾累积层消失；湍流发展旺盛时（12:00～16:00），灰霾在边界层内充分混合，其浓度垂直分布与位温相似；边界层顶部不存在灰霾累积现象，灰霾浓度增加不明显。气溶胶辐射效应对边界层热力结构及其演变有着重要影响。高浓度灰霾衰减到达地表短波辐射，显著降低到达地表感热通量。同干净日（2018年1月12日）相比，重霾日（2017年12月23日）感热通量显著减少（图4），日间平均地表感热通量降低了67%（将感热通量为正值的时间段判定为白天），日最大感热通量减少了102 W m-2，与中尺度大气模式（Meso NH）模拟结果（100～150 W m-2;Mallet et al.,2009）相近。又如，张晗宇等（2018）利用WRF-Chem模式对京津冀地区气溶胶直接反馈效应对各气象要素的影响进行模拟研究发现，气溶胶直接反馈效应导致京津冀地区整个时段太阳辐射量降低39.8 W m-2，气温下降0.34°C，边界层高度降低37 m。考虑到模式分析存在一定的理想性且所选个例本身天气形势不同，导致最终结果存在一定差异。
图6给出了这次观测期间白天08:00～16:00夹卷厚度随近地层PM2.5浓度变化。其中夹卷厚度是根据PM2.5浓度廓线梯度变化确定。观测显示，夹卷厚度在60～250 m之间变化，与大涡模拟（LES）初值的设定较为吻合，如Huang et al.(2011）在LES研究中设置80 m。当PM2.5浓度从20μg m-3增加到160μg m-3时，夹卷厚度增加了47%，验证了LES模式关于气溶胶辐射效应对于夹卷厚度影响的结论。Liu et al.(2019）利用LES研究气溶胶对于夹卷厚度的影响，发现当大气气溶胶光学厚度从0增加到1.5时，夹卷厚度增加了16%～28%。因此，利用LES研究灰霾条件下边界层和夹卷过程时，夹卷厚度初值的设定应随PM2.5浓度的升高而适当增加。图5 地表感热通量（Hs）随地面观测PM2.5浓度变化关系。
【参考文献】：
期刊论文
[1]南京北郊大气能见度影响因子研究[J]. 于超,张蕾. 三峡生态环境监测. 2019(01)
[2]北京地区一次PM2.5重污染过程的边界层特征分析[J]. 贺园园,胡非,刘郁珏,刘磊. 气候与环境研究. 2019(01)
[3]北京不同区域气溶胶辐射效应[J]. 李德平,程兴宏,孙治安,王黎明,张本志,张天明. 应用气象学报. 2018(05)
[4]京津冀区域典型重污染过程与反馈效应研究[J]. 张晗宇,温维,程水源,吕喆. 中国环境科学. 2018(04)
[5]天津污染天气边界层温度层结变化特征及预报阈值确定[J]. 张敏,蔡子颖,韩素芹,姚青,刘敬乐. 环境科学学报. 2018(06)
[6]青藏高原东南部复杂地形区不同天气状况下陆气能量交换特征分析[J]. 李娟,李跃清,蒋兴文,高笃鸣. 大气科学. 2016(04)
[7]南京雾-霾天气个例湍流运动特征的对比研究[J]. 李敏娜,牛生杰,张舒婷,费冬冬. 气象学报. 2015(03)
[8]我国灰霾污染的研究综述[J]. 吴丹,于亚鑫,夏俊荣,曹双. 环境科学与技术. 2014(S2)
[9]近十年中国灰霾天气研究综述[J]. 吴兑. 环境科学学报. 2012(02)
[10]夹卷层厚度定义对其参数化的影响[J]. 徐强君,孙鉴泞,刘罡,刘红年. 南京大学学报(自然科学版). 2008(02)
硕士论文
[1]典型污染源或敏感点大气颗粒物的组分特征与健康暴露水平研究[D]. 柯钊跃.华南理工大学 2011
本文编号：3122362
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