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行业动态|北京气象局田平团队关于气溶胶光学特性研究获得新进展--北京地区气溶胶光学特性和升温速率的垂直分布特征
发布时间：2020-03-27
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近日，北京市人工影响天气办公室的田平博士，联合浙江大学地球科学学院大气科学系刘丹彤课题组、中国科学院大气物理研究所及北京大学等机构的研究学者，利用我公司AE 33黑碳仪及Aurora 3000积分浊度仪，开展北京区域气溶胶光学特性的垂直廓线及辐射影响相关研究，并取得了重要进展。该团队利用飞机连续测量北京地区三次污染过程气溶胶廓线的垂直演变特征，详细描述了北京地区气溶胶光学特性的垂直廓线特点，描绘了在典型的污染事件过程中不同高度的光学特性和BC与BrC对大气加热率的影响，该成果极大的丰富了此领域的研究。
文章简介
图文导读
图1.用风廓线雷达测得的11月15日至18日风向（a）和风速（b）的垂直廓线。通过微脉冲雷达测量的颗粒物消光（c）。来自AERONET的气溶胶光学厚度（d）和气溶胶吸收光学厚度（e）（星号），由飞机原位测量得到（五角星）。（f）表面PM2.5和RH。竖直线蓝色，黑色和红色分别表示污染事件中的清洁期，过渡期和重度污染期。
光学性质取决于颗粒尺寸、折射率和气溶胶的混合状态。在评估气溶胶的辐射强迫方面仍然存在很大的不确定性，特别是在东亚地区，这是由于缺乏这些参数的垂直分布信息。
图1为2016年11月15-18日的污染事件期间，田平博士团队利用飞机实地测量的PM2.5，现场测量和AERONET网络的AOD（AAOD），以及散射系数和风向信息的垂直廓线。
图2.分别为清洁期，过渡期和重度污染期的温度（a，b，c），潜在温度（d，e，f）和相对湿度（g，h，i）的垂直分布图。黑点和红点表示大气边界层内部和大气边界层上方。
图2总结了在三次污染事件的不同阶段现场测量的气象参数。团队利用先进的监测仪器和计算工具，详细精准地测量和记录下气溶胶光学性质的各项参数和垂直分布信息，对多波长气溶胶光学特性的垂直廓线进行了原位表征，记录了从污染开始前，全面发展到结束每个阶段的气象参数垂直廓线。
图3.分别为CP（蓝色），TP（黑色）和HP（红色）在440 nm处的气溶胶消光，散射和吸收系数的垂直廓线图。黑线和红线分别表示大气边界层的内部和上方。吸湿性校正后的廓线表示为蓝线。
图3为气溶胶光学特性的垂直分布，包括消光系数（ext），散射系数（sca）和吸收系数（abs）。这些参数结果表明，气溶胶浓度向近地面显著升高，并在大气边界层之上急剧下降。地面排放趋于包含更多的光吸收性一次源，例如BC和BrC，而更高海拔的二次反应气溶胶的增加可能会导致气溶胶消光的增加。
图4. 440 nm的气溶胶单次散射反照率（SSA; a–c），散射Ångström指数（SAE; d–f），吸收Ångström指数（AAE; g–i）和不对称因子（g），分别为CP（a，d，g，j），TP（b，e，h，k）和HP（c，f，i，l）。吸湿性校正的廓线以蓝线表示。
图4为污染事件的不同阶段，所有飞行试验的SSA（单次散射反照率），SAE（散射Ångström指数），AAE（吸收Ångström指数）和g（不对称因子）的垂直廓线。
SSA在大气边界层内部有两种变化模式。在污染的初始阶段，当总颗粒物浓度相对较低时，SSA较低，而随着污染的加剧，二次生成物质增多，因此SSA也随之增大。
SAE反映了颗粒尺寸，较大的尺寸具有较小的SAE。结果表明，随着大气边界层内部污染水平的提高，SAE降低。
AAE反映了向较短波长变化的光学吸收程度，BrC的存在将在短波UV有较强的吸收。地面的AAE具有强烈的季节变化，冬季通常由于固体燃料燃烧的排放较高而表现出较高的AAE（Sun等人，2017年; J.Wang等人，2018年）。但是，由于有限的测量，AAE的垂直变化特性仍然缺乏，这里的结果展示了在较高高度下BrC的增强，主要是针对污染时段。
图5.光化通量（a-c），BC吸收能力（d–f）和BrC吸收能力（g–i）。左，中和右列分别为LP，TP和HP，黑线和红线表示PBL内和上方的区域。（a）至（c）中的灰线表示无气溶胶结果，蓝线表示吸湿校正后的结果。从（d）到（i）的上坐标x轴表示加热速率。
尽管BC是大气边界层内加热的主要贡献者，但BrC的加热分布更均匀，在高海拔时的BrC的加热速率与BC相当，尤其是在重污染时期（图5i）。来自吸收组分的总加热速率的垂直廓线，即加热速率随高度的增加或减小，对大气稳定性影响显著。
图6. CP（a，d），TP（b，e）和HP（c，f）在PBL内外的BC和BrC的光谱吸收系数，BC和BrC分别用黑色和棕色表示。（g）–（i）为CP，TP和HP的BrC加热贡献的垂直廓线。
图6显示了在不同的PBL值下，在PBL内部和上方测量的BrC和BC的吸收系数。BrC在较高海拔下的较高加热贡献意味着其在该条件下在加热中起重要作用，这可能会升高该海拔下的温度，从而抑制加热层下的对流混合。
小结
田平团队首次将通过被动遥感测量（AERONET）的AOD和AAOD与该污染区域的原位测量进行了比较。并通过数据表明，BC是主要的加热物种，在污染发生前，过渡和全面发展期间，大气边界层在当地时间12:00至15:00分别产生0.05、0.1和0.15Kh-1的加热速率。特别是在重污染期间，在大气边界层上方的BrC增加明显，这是由于大气边界层上方的强烈光化学反应引起的。存在于此层的BrC可能会促进加热，从而升高大气边界层顶部的温度，促使逆温情况发生，形成对污染物的穹顶效应。
详见原文：https://www.atmos-chem-phys.net/20/2603/2020/
文中所用仪器相关链接
公众号主页菜单[产品资讯]→[常规监测]→《霾判识》
http://www.bmet.cn/index.php/Index/productdet/cid/130/spid/218.html
【黑碳仪】Aethalometer (AE 33, Magee Scientific Inc, USA）
公众号主页菜单[产品资讯]→[碳分析模块]→《Aethalometer黑碳仪：AE 33》
http://www.bmet.cn/index.php/Index/productdet/cid/130/spid/223.html
