气溶胶对大气辐射特性影响及其气象和空气质量反馈效应的观测与模拟研究

作者：杨健博; 蔡子颖; 杨旭; 邢蕊; 孟丽红; 李英华

来源：中国环境科学, 2022, 1-19.

DOI：10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20220914.027

• 气溶胶辐射效应
• 大气透过率
• 重污染天气
• 大气边界层
• 反馈机制

气溶胶通过吸收和散射太阳光改变大气辐射特性，进而对气象要素和污染物垂直分布产生反馈，且这种影响会随大气中颗粒物浓度的变化而改变.本文选取2015年和2019年不同代表年份，结合外场观测和数值模拟，分析了天津地区不同季节不同天气（晴天、多云、霾）下，气溶胶辐射效应对整层大气透过率和地表入射太阳辐射的影响，以及这种影响在不同年份的差异.借助WRF-Chem模式模拟分析了重污染期间气溶胶辐射效应对垂直方向上气象要素廓线、边界层结构以及PM2.5浓度的反馈机制.结果表明:霾污染可导致大气透过率的明显下降，春、秋、冬不同季节，霾污染导致中午大气透过率分别下降0.09，0.11和0.09.全年平均霾污染可导致大气透过率降低约15.5%.云量的增多也可导致大气透过率明显下降，多云天气下大气透过率相比晴天减小约22.4%.霾和云对大气透过率的影响还与太阳高度角有关，当太阳高度角＞60°时，霾污染导致大气透过率下降8.6%.随污染等级提高，气溶胶对太阳辐射的衰减作用也越强，天津地区空气质量分别为Ⅰ～Ⅵ级时，中午地表入射短波辐射呈稳定下降趋势，依次为484，446，439，342，328和253W·m-2. 重污染期间，气溶胶辐射效应导致大气低层（250 m以下）降温（0.8 ℃）增湿（3.8%），而中高层（300～1900 m）增温（0.5 ℃）降湿（2.4%），边界层逆温趋势增强，大气垂直扩散能力减弱，最终形成气溶胶-辐射-边界层-污染正反馈机制，极端情况下可使得近地面PM2.5浓度进一步升高约40μg·m-3，且这种反馈效应在午后16时最明显.随大气污染防治行动持续深入，天津空气质量明显改善，与2015年相比，2019年天津年均PM2.5浓度下降27.1%，污染超标天数减少43.8%，受此影响，气溶胶对太阳辐射的衰减作用减弱，2019年冬季霾污染导致中午大气透过率减小0.05，Ⅳ级以上污染天气地表入射短波辐射通量下降85.3W·m-2，但重污染期间，气溶胶辐射反馈机制仍可通过改变垂直温度层结，对污染的加剧(约20μg·m-3)产生不容忽视的影响.

• 单位
  南开大学; 天津市滨海新区气象局; 天津市气象科学研究所