北京地区霾的垂直结构及边界层特征的影响研究

With the rapid development of the economy and urbanization, the haze phenomenon occurs more frequently in large cities in China due to the the high concentrations of anthropogenic aerosol particles. The variation of underlying layer in urban area has resulted in the change of boundary layer structure. It is important to study the vertical structure of haze for understanding the property and formation mechanism of haze pollution. The vertical variation of haze and its formation are closely related to the structure of boundary layer. In this study, vertical measurement of aerosol optical properties and meteorological elements will be conducted contiously in Beijing urban area using aerosol lidar, wind profile lidar and microwave radiometer etc.. The vertical structure of haze and its variation in Beijing urban area will be investigated according to the different haze type in this study. The dynamical and thermal structure of boundary layer in different type of haze will be studied. The impact of the boundary layer structure and local circulation on the vertical distribution and formationof haze will be analyzed with tethered-balloon observations. The results of this study can provide scientific support to further research of climate effect of aerosol and improve the forecast technique of haze.

随着国民经济的快速发展和城市化进程的加快，人类活动产生的气溶胶细粒子导致我国许多大城市霾污染事件频繁出现，城市地区下垫面性质的改变也造成了城市边界层特征发生了变化。对霾垂直结构的观测研究是深入认识霾污染特征及其形成机制的关键，而大气边界层特征对霾的垂直分布及形成起着重要的作用。本项目拟利用气溶胶激光雷达、风廓线雷达和微波辐射计等垂直探测设备，结合地面气溶胶粒度谱仪、浊度仪和黑碳仪等，在北京城区开展气溶胶物理光学特性及气象要素的连续观测。通过分析研究揭示北京地区不同类型霾的垂直结构及其变化规律，给出不同类型霾天大气边界层动力、热力结构特征；同时结合系留气艇观测，确定边界层结构与局地环流对霾垂直分布及其形成的影响。本研究结果可为气溶胶的气候效应和改进霾预报技术方法研究提供科学支持。

北京作为我国的首都，城市化发展对空气质量造成了诸多负面影响，频繁出现的霾天气对人体健康、经济活动和城市景观都已造成严重危害。为了更好的防治霾天气的发生，亟需深入认识霾污染特征及其形成机制。本项目通过开展综合观测实验，获得了北京地区霾研究所需的环境气象三维数据集，结合已有长期观测资料，研究给出了不同季节霾垂直分布的特征，其主要分布在600m-1200m之间，秋冬季最低，夏季最高。将所有观测到的霾天气进行分型，依据地面形势分为6种类型，分别为高压后部型、低压辐合型、高压底部型、均压场型、倒槽型和华北地形槽型。研究给出了前四类典型霾天气的垂直分布特点及边界层结构特征，揭示了边界层结构对霾形成的影响及霾加重阶段的重要指示因子。边界层高度基本上决定了霾主体可达到的范围，边界层内高相对湿度的形成是霾加重阶段的关键气象因子。最为严重的高压后部型，其边界层高度最低为400m左右，且高相对湿度持续时间最长。低压辐合天气伴随着边界层高度的降低，相对湿度的激增，霾迅速加重。此外，边界层内的贴地逆温或者近地层大气分层仍会造成霾在边界层内的分层。利用观测与模拟相结合的研究方法，研究了区域输送与局地环流对霾垂直分布的影响。当北京及周边地区受低压辐合系统的影响，上游地区大气垂直运动会将地面颗粒物抬升至高层，并在高层偏南风的驱动下，向北京地区输送，从而造成在高层和低层出现双层霾的现象。北京的特殊地形不但会导致气流在山前停滞，使得污染物累积形成霾，其造成的局地环流会加强污染物的偏南输送，使北京地区的霾进一步加重。在一定天气条件下，山地地形与偏东风配合可将霾抬升至高层。项目的研究结果不但对霾形成机理的科学认识有一定提高，其对严重霾天气的预报预警也有很好的指示意义。