北京一次污染過程氣溶膠光學(xué)特性及輻射效應(yīng)

梁苑新 車慧正* 王 宏 彭 玥 張養(yǎng)梅 陶 法

1)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)2)(中國氣象局氣象探測中心， 北京 100081)

引 言

太陽輻射是地球能量的最主要來源之一，氣溶膠通過吸收和散射能影響太陽輻射(直接效應(yīng))到達(dá)地表從而對大氣有較強(qiáng)的加熱或冷卻作用,這會改變大氣的熱力狀況，進(jìn)而影響其動(dòng)力結(jié)構(gòu)，對大氣環(huán)流、降水分布、短期天氣變化和長期氣候預(yù)測具有重要意義[1-3]。IPCC(2013)第5次報(bào)告提出氣溶膠部分抵消了溫室氣體的輻射強(qiáng)迫，是氣候變化中人為強(qiáng)迫最不確定的部分[4]。在我國華北大氣重污染地區(qū)，氣溶膠直接輻射效應(yīng)對局地大氣溫度廓線和區(qū)域環(huán)流的影響尤其顯著[5-7]，氣溶膠層的高度和厚度、氣溶膠光學(xué)特性、下墊面反照率對輻射加熱率影響也不同[8-9]。因此，準(zhǔn)確估算大氣氣溶膠的輻射加熱率是研究氣溶膠天氣、氣候效應(yīng)的基礎(chǔ)和前提。

大量研究成果表明，氣溶膠輻射效應(yīng)在華北地區(qū)冬季重污染過程中具有重要作用。Zhang等[10]指出不利氣象條件與顆粒物濃度之間存在雙向反饋?zhàn)饔?，這也是京津冀地區(qū)冬季持續(xù)性PM2.5重污染過程維持并加劇的主要原因之一。Wang等[11]利用GRAPES_CUACE模式計(jì)算我國京津冀地區(qū)嚴(yán)重霧-霾天氣下氣溶膠輻射反饋和湍流擴(kuò)散減少引起的PM2.5濃度爆發(fā)性增長的貢獻(xiàn)，提出在PM2.5濃度爆發(fā)性增長階段，氣溶膠輻射反饋可造成湍流擴(kuò)散系數(shù)降低約43%～57%。Che等[12]利用中國氣溶膠地基遙感監(jiān)測網(wǎng)(China Aerosol Remote Sensing Network)觀測數(shù)據(jù)分析重污染過程中北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性變化，采用離散標(biāo)準(zhǔn)DISORT方法[13]計(jì)算輻射強(qiáng)迫，指出污染條件下北京城市地區(qū)瞬時(shí)輻射強(qiáng)迫可達(dá)-200 W·m-2，氣溶膠的吸收作用導(dǎo)致大氣層頂負(fù)輻射強(qiáng)迫小于地表輻射強(qiáng)迫。因此，華北地區(qū)冬季污染過程中氣溶膠爆發(fā)性增長，減少到達(dá)地表的太陽輻射，氣溶膠直接輻射效應(yīng)對大氣層影響顯著[13-15]。

已有許多學(xué)者利用輻射傳輸模式模擬氣溶膠直接輻射效應(yīng)，Liou等[16]基于逐帶計(jì)算的方法建立輻射傳輸模式，計(jì)算氣溶膠垂直不均勻分布對短波輻射的影響，指出氣溶膠濃度增大會增加大氣對太陽輻射的吸收,到達(dá)地面的太陽輻射通量減少,在污染大氣中氣溶膠不均勻分布導(dǎo)致近地面冷卻而加熱高層大氣。張華等[17]利用輻射傳輸模式計(jì)算冬夏兩季黑碳?xì)馊苣z的直接輻射強(qiáng)迫在對流層頂和地面的分布，指出黑碳?xì)馊苣z的輻射強(qiáng)迫在對流層頂為正值,而在地面為負(fù)值。王宏等[18]利用基于K分布算法開發(fā)的輻射傳輸模式，計(jì)算東亞地區(qū)沙塵氣溶膠輻射加熱率，模擬不同高度云層對輻射加熱率的影響。田華等[19]利用中尺度數(shù)值模式MM5對我國中東部地區(qū)硫酸鹽氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫及其氣候效應(yīng)進(jìn)行模擬。然而，模式中氣溶膠的濃度和消光系數(shù)及關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)一般采用理論值、氣候平均值或模擬結(jié)果，與氣溶膠真實(shí)情況存在較大差距，這也是氣溶膠輻射效應(yīng)評估不確定性的主要原因之一。

本文基于地面激光雷達(dá)與太陽光度計(jì)觀測氣溶膠光學(xué)特性數(shù)據(jù)，分析2018年1月25—28日北京一次完整污染過程中氣溶膠消光系數(shù)垂直分布特征及氣溶膠光學(xué)厚度、單次散射反照率和非對稱因子的變化，并以此為輻射傳輸模式輸入，計(jì)算污染過程中晴空條件下氣溶膠短波輻射加熱率的變化。通過氣溶膠單次散射反照率敏感性試驗(yàn)，定量評估氣溶膠散射能力變化對氣溶膠輻射加熱作用造成的影響。

1 數(shù)據(jù)與觀測站點(diǎn)

1.1 數(shù) 據(jù)

本文所用數(shù)據(jù)包括：地基激光雷達(dá)觀測的氣溶膠垂直消光系數(shù)和退偏振比，太陽光度計(jì)觀測的氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)，地面觀測的PM2.5質(zhì)量濃度和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的日平均氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時(shí)段均為2018年1月1—31日。

氣溶膠垂直消光系數(shù)來自米-拉曼激光雷達(dá)觀測反演，儀器集合水汽、氣溶膠和云等觀測為一體，時(shí)空分辨率高[20]。激光雷達(dá)裝配Nd:YaG型激光發(fā)射器，發(fā)射中心波長為532 nm激光，單脈沖能量大于100 mJ；回波信號接收系統(tǒng)由卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和光電倍增管組成，接收532 nm平行、垂直的米散射信號，以及607 nm，660 nm的拉曼非彈性散射信號[21]。雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要基于Fernald算法并結(jié)合Klett算法[22]，白天利用532 nm的米散射回波信號反演出大氣氣溶膠后向散射系數(shù)的垂直分布，夜間通過反演607 nm和532 nm的回波信號共同獲得氣溶膠垂直消光系數(shù)[23]。退偏振比定義為532 nm 垂直后向散射系數(shù)和平行后向散射系數(shù)之比，用于識別大氣中不同粒子的形態(tài)，比值越小說明粒子越接近球形[21]。為提高白天回波信號的信噪比，一方面選取激光雷達(dá)接發(fā)器的窄視場限制太陽輻射進(jìn)入，另一方面在觀測前將白天探測的回波信號和太陽光度計(jì)觀測結(jié)合，手動(dòng)訂正雷達(dá)比，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的反演精度。激光雷達(dá)的垂直分辨率為7.50 m，為盡可能避免城市冠層和激光雷達(dá)接收盲區(qū)影響，選取0.20～5.00 km高度數(shù)據(jù)，觀測時(shí)間間隔為5 min。為盡可能排除云層對氣溶膠消光系數(shù)的影響，選取中國氣象局大氣探測綜合試驗(yàn)基地相同時(shí)段毫米波云雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行云檢驗(yàn)[24]。

2018年1月4個(gè)波段(440 nm，675 nm，870 nm，1020 nm)的氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth, AOD)、單次散射反照率和非對稱因子連續(xù)觀測日平均值數(shù)據(jù)，來源于全球地基氣溶膠自動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)(Aerosol Robotic Network，AERONET)，該平臺使用觀測儀器為CE-318型太陽光度計(jì)，所用數(shù)據(jù)均為經(jīng)云檢測和質(zhì)量檢驗(yàn)的2.0級氣溶膠反演產(chǎn)品，其數(shù)據(jù)集在氣溶膠光學(xué)特性相關(guān)研究領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[25]。

模式所用的氣壓、溫度、比濕等氣象數(shù)據(jù)來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的日平均氣象數(shù)據(jù)(https:∥apps.ecmwf.int/datasets/)，數(shù)據(jù)按照等氣壓面從1000 hPa到1 hPa分成33層，并利用雙線性方法插值到站點(diǎn)。逐小時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于北京市環(huán)境保護(hù)檢測中心(http:∥www.bjmemc.com.cn/)。

1.2 觀測站點(diǎn)

本文主要觀測儀器包括地基激光雷達(dá)和太陽光度計(jì)，均安裝在中國氣象科學(xué)研究院觀測站(Chinese Academy of Meteorological Sciences, 以下簡稱CAMS站)，該站位于北京市海淀區(qū)，為典型城市觀測站,可以進(jìn)行市區(qū)垂直輻射和污染物時(shí)空分布監(jiān)測。PM2.5數(shù)據(jù)來源于北京市西城區(qū)官園站，與CAMS站直線距離為2.00 km。為驗(yàn)證CAMS站觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對比相同時(shí)段內(nèi)中國科學(xué)院大氣物理研究所觀測站(Institute of Atmospheric Physics，以下簡稱IAP站)的太陽光度計(jì)觀測結(jié)果，IAP站與CAMS站直線距離為7.00 km。這3個(gè)站點(diǎn)之間距離較近，數(shù)據(jù)可被認(rèn)為具有良好的相互代表性。

2 模式簡介

輻射傳輸模式主要應(yīng)用美國NASA開發(fā)的Goddard短波輻射參數(shù)化方案，計(jì)算氣溶膠對短波輻射效應(yīng)的影響[26]。Goddard短波輻射方案是一個(gè)復(fù)雜的譜方案，計(jì)算大氣中氣體分子、云和氣溶膠引起的吸收，以及多次散射過程產(chǎn)生的短波輻射通量[27]。光譜范圍從0.17 μm到10.00 μm共分為11個(gè)波段(表1)，其中第8波段采用地基激光雷達(dá)532 nm的觀測數(shù)據(jù)。Chou等[26]對本文使用的短波輻射方案與高分辨率的精確計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：對于地表短波輻射通量的計(jì)算結(jié)果與高分辨率計(jì)算的量級相當(dāng)。

Goddard輻射傳輸模式需要輸入的氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)為消光系數(shù)、單次散射反照率和非對稱因子。其中，氣溶膠消光系數(shù)采用地基激光雷達(dá)垂直觀測結(jié)果，利用對數(shù)線性回歸方法將觀測數(shù)據(jù)插值到模式不同波段中，單次散射反照率和非對稱因子采用440 nm波段日平均值。由此通過氣象數(shù)據(jù)和氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)，可計(jì)算得到不同污染程度中大氣加熱率，計(jì)算結(jié)果減去相同氣象條件下無氣溶膠存在的大氣加熱率，便得到氣溶膠輻射加熱率。

為討論污染過程中氣溶膠對于輻射加熱率的影響，降低其他要素的干擾，模式中氣象數(shù)據(jù)采用2018年1月25—28日平均值；地表反照率設(shè)為0.20，代表城區(qū)的光亮地表；太陽常數(shù)設(shè)定為1367.00 W·m-2。污染過程基于1月25—28日白天3.00 km高度內(nèi)氣溶膠的真實(shí)變化，模擬計(jì)算晴空條件下氣溶膠短波輻射加熱率。

表1 短波輻射模式中譜帶分布和所選波長Table 1 Solar wavelength in the shortwave radiation model

3 結(jié)果分析

3.1 2018年1月氣溶膠質(zhì)量濃度與光學(xué)特性變化

圖1為2018年1月北京AOD變化特征，CAMS站和IAP站的AOD日平均值變化趨勢較為一致，受局地環(huán)境影響造成數(shù)值上略有偏差。1月27日IAP站AOD低于CAMS站，這是由于儀器觀測頻次不同和濾云處理存在誤差導(dǎo)致。CAMS站和IAP站440 nm AOD月平均值分別為0.41和0.32，表明2018年1月北京背景大氣較為清潔[28-29]。隨著大氣中氣溶膠含量增多，13—21日440 nm AOD顯著增大，AOD第2個(gè)峰值出現(xiàn)在27日，其中CAMS站440 nm AOD高達(dá)2.48，該結(jié)果說明27日大氣中氣溶膠具有很強(qiáng)的消光作用。

圖1 2018年1月北京440 nm,675 nm,870 nm和1020 nm波段氣溶膠光學(xué)厚度日變化Fig.1 Daily averaged variation of aerosol optical depth at 440 nm,675 nm,870 nm and 1020 nmin Beijing in Jan 2018

圖2為2018年1月北京PM2.5質(zhì)量濃度變化。由圖2可以看到，PM2.5變化趨勢與AOD變化相似，PM2.5質(zhì)量濃度月平均值為34.91 μg·m-3，進(jìn)一步說明2018年1月北京大氣中顆粒物含量較低。從1月PM2.5變化可以發(fā)現(xiàn)兩次污染過程(圖2)，第1次污染過程發(fā)生在11—22日，14日PM2.5平均值約為140.58 μg·m-3，15日迅速下降到27.50 μg·m-3，19日又增加至95.88 μg·m-3，污染過程持續(xù)時(shí)間長，高質(zhì)量濃度污染多發(fā)生在夜間；第2次污染過程發(fā)生在26—28日，27日PM2.5平均值約為83.21 μg·m-3，達(dá)到輕度污染水平[30]，最大值出現(xiàn)在17：00(北京時(shí)，下同)約為110.00 μg·m-3。由于第1次污染過程中PM2.5高值主要集中在夜間，不利于氣溶膠短波輻射效應(yīng)的研究，因此，本文選取25—28日完整的污染過程，詳細(xì)分析北京冬季一次典型氣溶膠爆發(fā)性增長過程對短波輻射加熱率的影響。

圖2 2018年1月北京PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢(陰影部分代表污染事件)Fig.2 Daily and hourly averaged variation of PM2.5 concentration in Beijing in Jan 2018(the shaded denotes the pollution period)

3.2 污染過程中氣溶膠光學(xué)特性變化趨勢

圖3為2018年1月25—28日北京一次典型冬季污染過程中基于激光雷達(dá)觀測得到的532 nm氣溶膠消光系數(shù)和退偏振比的時(shí)空分布。25日和28日3.00 km高度內(nèi)消光系數(shù)均低于0.15 km-1，說明清潔大氣條件下氣溶膠質(zhì)量濃度低，消光能力弱。

圖3 2018年1月25—28日北京532 nm氣溶膠消光系數(shù)和退偏振比的時(shí)空分布Fig.3 Temporal and spatial distribution of extinction coefficient and depolarization ratio at 532 nm in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

26—27日污染爆發(fā)期間，消光系數(shù)高值區(qū)主要集中在1.50 km高度以內(nèi)，最高可達(dá)3.00 km高度。AOD于27日達(dá)到峰值，消光系數(shù)最大可達(dá)0.72 km-1，表明污染過程中環(huán)境氣溶膠的積累質(zhì)量濃度升高，氣溶膠層消光作用增強(qiáng)導(dǎo)致到達(dá)地表的短波輻射減少，近地面大氣污染加重[31-32]。結(jié)合相同時(shí)段云雷達(dá)觀測結(jié)果(圖4)可以看到，26日00：00—27日18：00，3.00 km高度內(nèi)大氣中不存在系統(tǒng)性云團(tuán)，說明該時(shí)間范圍內(nèi)激光雷達(dá)探測到消光系數(shù)增大是氣溶膠粒子的消光作用增強(qiáng)所致。

1月26日00：00—27日18：00，在3.00 km高度內(nèi)退偏振比低于0.15，表明3.00 km高度大氣中球形氣溶膠粒子占主導(dǎo)，該結(jié)果與Liu等[33]基于飛機(jī)探測的研究結(jié)論相吻合。26日02：00，在4.50～5.50 km 高度，消光系數(shù)大于0.90且退偏振比大于0.20，此時(shí)以非球形粒子為主，根據(jù)溫度和高度可以判定為冰晶粒子[34]。從近地面至3.00 km高度，一定環(huán)境容量內(nèi)大氣氣溶膠不斷積累，使大氣污染更加復(fù)雜。

氣溶膠單次散射反照率定義為大氣氣溶膠散射消光占總消光的百分比，主要取決于氣溶膠粒子的形狀、組分和濃度，數(shù)值越大散射能力越強(qiáng)，對輻射效應(yīng)計(jì)算具有重要影響[35]。氣溶膠非對稱因子定義為散射角余弦的加權(quán)平均值，表征顆粒物前向散射程度，數(shù)值越大前向散射越大[36]。污染期間氣溶膠單次散射反照率和非對稱因子日變化與波長沒有明顯相關(guān)性(圖5)，不同波段變化趨勢存在差異，進(jìn)一步說明氣溶膠光學(xué)特性的復(fù)雜程度。1月25日清潔大氣背景下，4個(gè)波段單次散射反照率變化范圍在0.84～0.88，26—28日440 nm單次散射反照率從0.89增加到0.94，說明污染期間氣溶膠粒子散射能力逐漸增強(qiáng)。25—27日440 nm非對稱因子從0.72下降至0.67，28日回升至0.73，說明污染期間大氣氣溶膠后向散射能力增強(qiáng)。污染大氣中氣溶膠質(zhì)量濃度增大使前向和后向散射同時(shí)增加，后向散射增加更多，造成太陽光在大氣中產(chǎn)生更多次散射，更多的氣溶膠粒子吸收太陽能量加熱大氣，進(jìn)而減少到達(dá)地表的短波輻射。

圖4 2018年1月25—28日北京毫米波云雷達(dá)反射率因子的時(shí)空分布Fig.4 Temporal and spatial distribution of cloud radar reflectivity in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

圖5 2018年1月25—28日北京氣溶膠單次散射反照率和非對稱因子逐日變化Fig.5 Daily averaged variation of single scattering albedo and mmetry factor at 440 nm,675 nm,870 nm and 1020 nm in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

3.3 晴空條件下氣溶膠垂直變化對短波輻射影響

3.3.1 氣溶膠數(shù)據(jù)處理

氣溶膠粒子對太陽光衰減具有波長依賴性，大量研究[37-38]表明：氣溶膠光學(xué)厚度隨波長增加呈指數(shù)遞減，這也符合大陸城市型氣溶膠光學(xué)厚度變化特征。為了更準(zhǔn)確地?cái)M合AOD與波長之間關(guān)系，基于?ngstr?m波長公式[39]，采用對數(shù)線性回歸擬合方法，利用340 nm，380 nm，440 nm，500 nm，675 nm，870 nm，1020 nm和1640 nm波段的AOD日平均值，擬合AOD與波長之間的相關(guān)關(guān)系，擬合得到的斜率即為?ngstr?m波長指數(shù)，表征氣溶膠粒子大小[40]。如表2所示，1月25—28日擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上(達(dá)到0.01顯著性水平)，AOD與波長之間具有較好的相關(guān)性。單次散射反照率和非對稱因子與波長相關(guān)性不明顯，選取440 nm波段日平均值輸入模式中。

表2 2018年1月25—28日氣溶膠光學(xué)厚度與波長擬合公式Table 2 Fitting functions between AOD and wavelength from 25 Jan to 28 Jan in 2018

3.3.2 氣溶膠消光系數(shù)垂直變化對輻射加熱率影響

氣溶膠對大氣加熱作用取決于它在大氣中的濃度、垂直分布、化學(xué)組分、粒子形狀和太陽高度角(h0)等因素[18]。北京冬季有效太陽照射時(shí)間短，太陽高度角比較低。由圖6可知，1月北京日照時(shí)長為08：00—17：00，h0在12：00達(dá)到最大，約為26.60°，此時(shí)短波輻射通量也達(dá)到最大，約為498.08 W·m-2，h0變化導(dǎo)致一日內(nèi)向下的短波輻射通量差異較大。

圖6 2018年1月北京月平均向下短波輻射通量和太陽高度角逐時(shí)變化Fig.6 Hourly variation of monthly averaged shortwave downward radiation and solar elevation angle in Beijing in Jan 2018

結(jié)合1月25—28日白天(08：00—17：00)氣溶膠消光系數(shù)平均變化廓線，h0設(shè)為30°，利用短波輻射模式計(jì)算氣溶膠短波輻射加熱率(以下簡稱加熱率)，分析污染過程中氣溶膠變化導(dǎo)致加熱率垂直分布差異(圖7)。25日清潔大氣條件下，消光系數(shù)在0.45 km高度附近達(dá)到最大值，為0.09 km-1，高值區(qū)(超過0.50 km-1)出現(xiàn)在0.27～1.40 km高度，該高度層消光系數(shù)平均值約為0.07 km-1，3.00 km高度內(nèi)消光系數(shù)平均值約為0.05 km-1，結(jié)果表明，清潔大氣中氣溶膠對太陽輻射為弱消光作用。污染過程中，在3.00 km高度內(nèi)氣溶膠消光性增強(qiáng)，消光系數(shù)在垂直方向不均勻分布。26日3.00 km高度內(nèi)消光系數(shù)平均值為0.18 km-1，最大值出現(xiàn)在1.58 km高度處，為0.31 km-1；27日消光系數(shù)平均值高達(dá)0.43 km-1，最大值出現(xiàn)在0.97 km高度處，為0.59 km-1。27日3.00 km高度內(nèi)消光系數(shù)平均值相比于25日提高9.2倍，此時(shí)大氣氣溶膠強(qiáng)消光作用嚴(yán)重削減到達(dá)地表的短波輻射。28日污染物消散，3.00 km高度內(nèi)消光系數(shù)平均值迅速下降為0.07 km-1，最大值出現(xiàn)在近地面0.39 km高度附近，為0.11 km-1，垂直分布與25日相似。

清潔轉(zhuǎn)為污染過程中大氣氣溶膠消光性增強(qiáng)，是造成加熱率增加的主要原因。清潔天氣條件下氣溶膠消光性較弱，氣溶膠層對大氣表現(xiàn)為弱加熱作用。1月25日和28日3.00 km高度內(nèi)短波輻射加熱率平均約為5.39 K·d-1和4.01 K·d-1，雖然28日消光系數(shù)平均值略高于25日，但28日氣溶膠粒子散射性較強(qiáng)，導(dǎo)致加熱率低于25日。污染天氣條件下，消光系數(shù)在3.00 km高度內(nèi)不規(guī)則分布，造成氣溶膠對大氣的加熱作用在垂直方向上呈現(xiàn)出分層變化。氣溶膠中上層1.50～3.00 km高度為主要加熱區(qū)，26日加熱率平均值約為10.54 K·d-1，最大加熱率出現(xiàn)在3.30 km高度處，約為12.13 K·d-1；27日加熱率平均值約為13.89 K·d-1，最大值出現(xiàn)在2.74 km高度處，約為23.94 K·d-1，說明氣溶膠消光性增強(qiáng)有利于太陽輻射在大氣中多次散射,并造成更多吸收，從而加熱大氣。1.50 km 高度以下低氣溶膠層，26日和27日加熱率平均值分別為2.28 K·d-1和0.99 K·d-1，說明氣溶膠消光性增強(qiáng)使得到達(dá)低層的太陽輻射減少，低氣溶膠層對大氣加熱作用減弱。綜上可知，冬季污染過程中氣溶膠消光性增強(qiáng)，對氣溶膠中上層大氣有較強(qiáng)的加熱作用，而低層加熱率降低，這與Liou等[16]的研究結(jié)果較為一致。

圖7 2018年1月25—28日北京白天(08：00—17：00)平均大氣消光系數(shù)和短波輻射加熱率的垂直分布Fig.7 Day-time averaged vertical distribution of atmospheric extinction coefficient and solar radiative heating rate(0800 BT to 1700 BT) in Beijing from 25 Jan to 28 Jan in 2018

3.3.3 氣溶膠單次散射反照率對輻射加熱率影響

不同組分氣溶膠對于太陽輻射的吸收程度差異較大，如黑碳類氣溶膠具有強(qiáng)吸收性、無機(jī)鹽類氣溶膠具有強(qiáng)散射性，單次散射反照率變化會導(dǎo)致加熱率計(jì)算結(jié)果明顯差異。利用1月25—28日單次散射反照率440 nm日平均值模擬加熱率隨單次散射反照率的變化(圖8)，以25日(PM2.5質(zhì)量濃度為8.24 μg·m-3，440 nm AOD為0.13)代表清潔日和27日(PM2.5質(zhì)量濃度為83.21 μg·m-3，440 nm AOD為2.48)代表污染日的兩種氣溶膠消光廓線進(jìn)行敏感性試驗(yàn)。試驗(yàn)中h0設(shè)為30°。結(jié)果表明:氣溶膠散射能力增強(qiáng)會使短波輻射加熱率隨氣溶膠單次散射反照率增大而減小，但不改變加熱率的整體分布特征。清潔日氣溶膠消光能力弱，散射性增強(qiáng)導(dǎo)致整層加熱率降低，單次散射反照率從0.87增大至0.94，3.00 km高度內(nèi)加熱率平均值從5.58 K·d-1降低至3.30 K·d-1，若不考慮單次散射反照率的變化會造成約16.2%的誤差。污染日氣溶膠中上層(1.50～3.00 km高度)加熱率的變化與清潔日相似，單次散射反照率由0.87增大至0.94，該層加熱率平均值從18.51 K·d-1降低至14.77 K·d-1，平均降低了3.74 K·d-1，加熱率極值降低了13.58 K·d-1。氣溶膠散射能力增強(qiáng)導(dǎo)致進(jìn)入低層大氣的太陽輻射增加，1.50 km高度內(nèi)氣溶膠加熱率從0.47 K·d-1提升至1.28 K·d-1。污染過程中氣溶膠散射能力更強(qiáng)，加熱率變化對于單次散射反照率更敏感。精確測算污染過程中氣溶膠散射特性，對于準(zhǔn)確模擬氣溶膠短波輻射效應(yīng)尤為重要。

3.3.4 污染過程輻射加熱率逐時(shí)變化特征

根據(jù)太陽高度角的變化規(guī)律，利用1月27日白天逐2 h氣溶膠消光系數(shù)廓線，討論加熱率逐時(shí)變化特征。由圖9可以看到，27日08：00消光系數(shù)最大值出現(xiàn)在1.04 km高度處，約為0.64 km-1，12：00 消光系數(shù)最大值出現(xiàn)在1.38 km高度處，約為0.75 km-1，說明大氣升溫有利于地面污染物抬升。污染過程中3.00 km高度內(nèi)消光系數(shù)和加熱率平均變化：08：00h0只有4°，消光系數(shù)為0.39 km-1，整層加熱率約為0.53 K·d-1；12：00h0增大到27°，消光系數(shù)為0.41 km-1，整層加熱率增加至7.62 K·d-1，加熱率極值為35.34 K·d-1；16：00h0降低為8°，消光系數(shù)為0.43 km-1，整層加熱率降低至1.37 K·d-1。可以看出，一日之內(nèi)太陽高度角的變化，引起短波輻射加熱率的變化幅度非常大，加熱率最大平均值和極大值均出現(xiàn)在12：00。值得注意的是，與無氣溶膠情況相比，0.50 km高度內(nèi)08：00和16：00加熱率平均值分別降低了0.13 K·d-1和0.08 K·d-1，這主要是由于氣溶膠層對太陽輻射的吸收和散射會減少抵達(dá)低層大氣的太陽輻射，低層加熱率由低層氣溶膠的吸收作用和中上層氣溶膠對太陽輻射的阻擋作用共同影響，氣溶膠消光性增強(qiáng)實(shí)質(zhì)上減弱了對低層大氣加熱作用，這與Liou[16]的研究結(jié)果相一致。

圖8 清潔日和污染日短波輻射加熱率隨單次散射反照率垂直變化趨勢Fig.8 The vertical distribution of solar radiative heating rate with single scattering albedo in clear day and pollution day

圖9 2018年1月27日北京白天大氣消光系數(shù)和短波輻射加熱率的垂直分布Fig.9 Vertical distribution of day-time extinction coefficient and solar radiative heating rate in Beijing on 27 Jan 2018

4 結(jié) 論

針對2018年1月25—28日北京一次典型氣溶膠爆發(fā)性增長的污染過程，利用地基激光雷達(dá)和太陽光度計(jì)反演的氣溶膠垂直消光系數(shù)及光學(xué)特性參數(shù)，結(jié)合地面PM2.5連續(xù)觀測數(shù)據(jù)分析了污染過程中氣溶膠光學(xué)特性變化，利用短波輻射傳輸模式評估了晴空條件下3.00 km高度內(nèi)氣溶膠質(zhì)量濃度、散射能力和太陽高度變化對短波輻射加熱率的影響。主要結(jié)論如下：

1) 清潔大氣條件下，PM2.5日平均質(zhì)量濃度為8.24 μg·m-3(25日)和12.83 μg·m-3(28日)，消光系數(shù)均低于0.10 km-1，大氣中氣溶膠含量低，氣溶膠消光作用弱；污染過程(26—27日)中氣溶膠爆發(fā)性增長，氣溶膠消光作用增強(qiáng)，散射能力增強(qiáng)。污染最嚴(yán)重的27日440 nm AOD達(dá)到2.48，PM2.5質(zhì)量濃度為83.21 μg·m-3，440 nm單次散射反照率增大至0.92，主要消光層厚度達(dá)到3.00 km高度，消光系數(shù)平均值為0.43 km-1，是25日消光系數(shù)的9.2倍。

2) 清潔大氣條件下，氣溶膠對于太陽輻射主要表現(xiàn)為弱吸收作用，3.00 km高度內(nèi)加熱率分別約為5.39 K·d-1(25日)和4.01 K·d-1(28日)。污染過程中，氣溶膠垂直方向不均勻分布，對大氣加熱作用集中在氣溶膠中上層，低氣溶膠層加熱作用較弱。當(dāng)3.00 km高度內(nèi)平均消光系數(shù)為0.43 km-1時(shí)(27日)，1.50～3.00 km高度加熱率為13.89 K·d-1，1.50 km高度內(nèi)加熱率為0.99 K·d-1，加熱率極值出現(xiàn)在2.74 km高度處，約為23.94 K·d-1。

3) 氣溶膠散射能力變化對短波輻射加熱率的影響顯著，且在污染天氣條件下影響更大。污染天氣條件下，3.00 km高度內(nèi)消光系數(shù)平均值為0.43 km-1時(shí)，單次散射反照率從0.87增加到0.94，氣溶膠中上層的加熱率降低3.74 K·d-1，低層加熱率提高0.81 K·d-1。

4) 27日白天(08：00—17：00)氣溶膠消光系數(shù)和加熱率垂直變化表明：太陽高度角的日變化導(dǎo)致最大消光系數(shù)高度從地面逐漸抬升后下沉，12：00在1.30 km高度達(dá)到最大高度。氣溶膠對大氣加熱作用也在12：00達(dá)到最強(qiáng)，3.00 km高度以下加熱率平均值約為7.62 K·d-1，極值高達(dá)35.34 K·d-1。

綜上所述，短波輻射加熱率主要依賴于氣溶膠的質(zhì)量濃度及其垂直分布，還受到氣溶膠單次散射反照率和太陽高度角的影響。因此，當(dāng)運(yùn)用集合模式對污染過程進(jìn)行模擬時(shí)，需重點(diǎn)考慮這些因素的變化，避免造成較大誤差。值得注意的是，本文僅理想化計(jì)算了晴空條件下3.00 km高度內(nèi)氣溶膠變化導(dǎo)致短波輻射加熱率的改變，實(shí)際過程中4.50～6.00 km 高度有高云存在，會對短波加熱率造成一定影響，在今后的工作中會進(jìn)行更深入研究。

致 謝：感謝AERONET-IAP站首席研究員陳洪濱老師提供的數(shù)據(jù)支持及長期以來對于站點(diǎn)維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸做出的貢獻(xiàn)；感謝中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所的王珍珠副研究員及中國氣象科學(xué)研究院的趙胡笳、鄭宇、桂柯等的大力幫助。