北京市雾霾期间大气能见度的影响因素及预报技术

In this study, the factors that affect the visibility during haze and fag events over Beijing is to be analyzed based on aircraft, ground observation and modeling, together with the sources and characters of aerosols over Beijing, including their composition and size distribution, and then establish the method to forecast the visibility accurately. This research includes the following four parts: (1) vertical and horizontal distributions of gaseous pollutants (O3，SO2，NOx，CO，VOCs), aerosol composition (BC, OC, SO4,NO3,NH4, Cl) and size distribution(3nm -32μm), together with the horizontal flux at different altitude; (2) the structure of planetary boundary layer (PBL) during haze and fog events, and the interaction of PBL and aerosol; (3) the source aerosols in the troposphere over Beijing during haze and fog events; (4) method to forecast the visibility during haze and fog events.

基于飞机和地面综合观测试验和数值模式，认识北京市雾霾期间大气气溶胶的性质（成分、数谱、光学）和来源，以及影响大气能见度的主要因素，进而建立可业务化应用的精细化能见度预报系统。具体研究内容包括以下几部分：(1)北京及周边区域气态污染物（O3，SO2，NOx，CO，VOCs），气溶胶成分（硫酸盐，硝酸盐，铵盐，氯，有机物，黑碳）和数谱(3nm -32μm)的空间分布特征，以及华北区域内特征污染物的输送规律；（2）基于地基遥感观测资料和数值模式，认识雾霾期间大气边界层结构、演变特征、及其与大气气溶胶的相互影响机制；（3）结合数值模式和综合观测资料，利用特征污染物之间的关系解析雾霾期间北京市大气气溶胶的来源（局地排放、外源输送、二次形成）；（4）雾霾期间能见度精细化预报技术，利用分档气溶胶预报、相对湿度预报、以及气溶胶吸湿增长参数化方案，建立模式预报系统，实现能见度的精细化预报。

本课题利用先进飞机探测平台结合激光雷达观测与中尺度数值模拟等针对环北京区域重污染天气下气溶胶性质、来源、垂直分布、对其形成影响的机制及边界层相关特征等进行了研究。主要成果如下：.（1）利用飞机揭示了北京上空大气污染物的垂直分布特征. 系统获得了环北京区域上空大气污染物空间分布特征。获得了气溶胶的垂直分布特征（数浓度、粒径与化学成份），表明随高度增加气溶胶数浓度降低、均值粒径减小，高空气溶胶化学成份与近地面存在显著差异等，另外揭示了北京上空边界层高度处存在O3浓度高值区，并且边界层内外O3形成的敏感因子存在巨大差异；揭示了黑碳气溶胶向上输送过程中的老化过程等。.（2）分析了边界层结构与演变特征、揭示了边界层过程、局地环流、天气系统等气象动力学过程对气溶胶垂直分布的影响机制.分析了不同天气形势下边界层演变特征、分析了影响气溶胶垂直分布的因素，包括边界层过程、局地山谷风环流、天气系统等。揭示了气溶胶与边界层之间的正反馈机制；分析了不同天气系统影响下的气溶垂直分布特征，高压系统控制下气溶胶浓度较低、梯度较小，而低压系统控制下，气溶胶浓度大幅增加，尤以近地层为甚。.（3）分析了北京地区重污染天气下气溶胶的来源.通过对北京地区重污染天气个例的模拟研究分析了在不同污染阶段区域输送与本地排放对北京区域污染天气形成的贡献。表明在模拟个例的高污染阶段，重污染主要来源于北京本地排放 (78%), 周边区域排放仅占22%；而后期的污染减轻阶段，周边区域的排放占有相对较重要的地位。O3污染与北京之外的外源输送关系很大，而细颗粒物主要来源于本地生成。.（4）建立了华北区域气溶胶-云参数化方案. 揭示了气溶胶化学组分对CCN活化率的影响，建立了典型组分下的气溶胶-CCN活化率参数化方案。该参数化方案已经应用到数值模式中，模拟结果显示该方案能够在一定程度提高云系的预报水平。