华北地区逆温层与气溶胶的相互作用研究

Low-level atmospheric temperature inversions create stable atmospheric conditions which constrain vertical transport and dispersion of atmospheric pollutants, suspended particles, water vapor and harmful gas near surface, and then seriously affect air quality. North China region is one of the most polluted areas in the world, severe atmospheric pollution episodes frequently occurred in recent years. Investigation of the variability of low-level temperature inversions and mechanism of interaction between inversion, radiation and aerosols in North China region not only helps us to correctly understand the impact of inversion to environment changes, but also provide a reliable basis for effectively control pollution and emissions, and to further improve the quality of atmospheric environment. Currently, little attention has been paid to the interaction between temperature inversion and aerosols in North China region. Using long-term continuous comprehensive data of cloud, radiation, aerosol, temperature/humidity profiles and surface meteorological observation at Xianghe station, we will obtain statistical characteristics of different inversions, quantitatively assess the effects of different inversion on aerosols, investigate the role of aerosol in the process of inversion formation and dissipation combined radiation data with radiation transport model, and better understand the development of inversion and mechanism of interaction between inversion, radiation and aerosols in North China region.

地面之上的大气逆温层阻碍了近地面层大气污染物的垂直输送扩散，使得近地大气层中气溶胶粒子、水汽和有害气体成分积聚，对大气环境污染的形成与加剧有重要的影响。我国华北地区是世界上污染最严重的地区之一，近年来频繁出现重度污染天气，深入地了解华北地区逆温层的发展规律以及逆温层与辐射和气溶胶的作用机制，不仅有助于我们正确认识逆温层对环境变化的影响，更能为我们有效控制污染，合理进行排放，进一步改善大气环境质量提供科学支撑。目前对华北地区逆温层与气溶胶的相互作用研究不多。本申请项目将利用香河站综合观测的云、辐射、气溶胶、大气温湿度廓线等观测数据分析获得华北地区逆温层的统计特征，估算逆温层对近地面气溶胶积聚的影响；分析气溶胶吸收特性的差异对逆温层生消发展过程的作用，得到参数化关系，并利用边界层模式和气候模式验证气溶胶对逆温层的影响，以期更加深入准确地了解逆温层的发展规律及逆温层、辐射和气溶胶相互作用的机制。

地面之上的大气逆温层阻碍了近地面层大气污染物的垂直输送扩散，使得近地大气层中常积聚着大量的气溶胶粒子、水汽和有害气体，对大气环境的污染有重要的影响。准确了解逆温层的发展规律以及逆温层与辐射和气溶胶的作用机制，不仅有助于我们正确认识逆温层对环境变化的影响，更能为我们有效控制污染，合理进行排放，进一步改善大气环境质量提供可靠的依据。.本项目利用2012年～2015年间华北平原香河站积累的云、辐射、气溶胶、大气温湿廓线和地面气象要素等长期连续的高质量综合观测数据，分析了香河站逆温层的统计特征和发展规律，重点分析和研究了逆温层与气溶胶的相互作用，主要结果概述如下：（1）利用香河站的高时间和垂直分辨率探空数据获得了华北地区逆温层的统计特征、垂直结构和季节变化规律等的全面信息。结果表明：香河站逆温层的出现频率、厚度、温度差值等参数存在明显的日变化和显著的季节变化，逆温层在不同高度出现的频率也存在着明显的日变化，日变化主要发生在800米以下的高度。夏季接地逆温层形成晚，抬升早，消散早，温度差值和温度梯度最小；冬季接地逆温层形成早，抬升晚，消散晚；春季和秋季的接地逆温层各参数介于冬季和夏季之间，秋季略强于春季。（2）分析和定量评估了香河站逆温层对近地面气溶胶的影响以及这种影响的季节差异，尝试分析影响地面气溶胶积聚的可能原因。分析结果表明：接地逆温层的出现明显改变了低层大气中气溶胶的光学特性和物理特性，使得气溶胶光学厚度、粒子数浓度和粒子质量-体积浓度显著增加，增加幅度分别为34.9%、66.0％和53.0%，同时吸收性强的小粒径气溶胶粒子明显增加；在夜间接地逆温层出现时，逆温层的温度、位温梯度和厚度与地面气溶胶粒子数浓度之间存在显著的正相关，并获得了逆温层各参数与气溶胶浓度之间的参数化经验公式。（3）结合地面辐射观测数据，通过辐射传输计算获得逆温层出现时气溶胶引起的太阳短波辐射强迫，结果表明接地逆温层通过影响大气低层气溶胶的积聚进而影响太阳短波辐射，使得地面接收的太阳短波辐射明显减少。