桂海林,江 琪,康志明,李 炬,劉 超,尤 媛

2016年冬季北京地區(qū)一次重污染天氣過程邊界層特征

桂海林1*,江 琪1,康志明2,李 炬3,劉 超1,尤 媛1

(1.國家氣象中心,北京 100081；2.江蘇省氣象臺,江蘇 南京 210008；3.北京城市氣象研究院,北京 100089)

利用中國氣象局地面常規(guī)觀測資料、微脈沖激光雷達(dá)(MINI-MPL)、風(fēng)廓線雷達(dá)資料、生態(tài)環(huán)境部大氣成分等資料, 對2016年12月16~21日京津冀多地污染過程的生消特征、與氣象條件的關(guān)系以及邊界層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài),低層大氣盛行偏南氣流,大氣濕度持續(xù)增加,加之北京三面環(huán)山不利于污染物擴(kuò)散的特殊地形是造成北京此次嚴(yán)重空氣污染的重要因素.重污染期間,污染物主要聚集在800m高度以下,嚴(yán)重污染時(shí),污染物高度甚至僅有400m左右.風(fēng)廓線雷達(dá)反演風(fēng)場顯示:2次PM2.5濃度快速上升階段低層伴隨持續(xù)偏南風(fēng)或偏東風(fēng).污染過程期間,逆溫結(jié)構(gòu)明顯,兩次污染快速發(fā)展階段恰好出現(xiàn)在兩次逆溫最強(qiáng)時(shí)段.此次污染天氣過程,激光雷達(dá)退偏振比總體小于0.25,反映污染主要是人類活動(dòng)產(chǎn)生氣溶膠,前期以一次排放顆粒物為主,后期以二次轉(zhuǎn)化顆粒物為主.退偏振比污染過程前期呈明顯日變化特征,且白天退偏比比夜間高.

PM2.5；氣溶膠散射系數(shù)；退偏振比；激光雷達(dá)；風(fēng)廓線雷達(dá)；北京

城市邊界層一直是大氣邊界層研究領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-4].中國經(jīng)濟(jì)及城鎮(zhèn)化快速發(fā)展,直接排放的一次氣溶膠和通過化學(xué)變化以及光化學(xué)轉(zhuǎn)化形成的二次氣溶膠所造成的大氣污染排放迅速增加[5-6],使得大氣邊界層內(nèi)顆粒物急劇增多,我國中東部地區(qū),尤其是京津冀區(qū)域的大氣污染呈現(xiàn)出以PM2.5為首要污染物的特征規(guī)律[7-8].觀測研究發(fā)現(xiàn),北京地區(qū)的城市邊界層夜間高度較低(80±50)m,而白天最高可達(dá)3000m[9].重污染天氣發(fā)生時(shí),城市邊界層內(nèi)氣溶膠粒子濃度急劇上升,大氣環(huán)境明顯惡化.王躍等[10]對北京2013年2月污染天氣過程進(jìn)行分析后認(rèn)為,邊界層低層順時(shí)針方向的風(fēng)切變,與大氣中細(xì)顆粒物的爆發(fā)性增長密切相關(guān).城市邊界層內(nèi)污染物垂直變化特征復(fù)雜,不單純是隨著高度的增加而降低[11-12].激光雷達(dá)在垂直結(jié)構(gòu)探空上具有分辨率高、可連續(xù)觀測的優(yōu)點(diǎn),為氣溶膠探測提供了有利的工具,對認(rèn)識氣溶膠時(shí)空變化規(guī)律,尤其是垂直結(jié)構(gòu)的分布特征有明顯優(yōu)勢[13-14],風(fēng)廓線雷達(dá)是通過大氣湍流對電磁波的散射原理來對大氣風(fēng)場等物理量進(jìn)行探測的一種遙感設(shè)備,主要應(yīng)用于大氣風(fēng)場反演、降水研究與預(yù)報(bào)等方面[15-16],兩種儀器觀測結(jié)果的應(yīng)用已廣泛開展[18-20].多名學(xué)者利用微脈沖激光雷達(dá)得到了不同區(qū)域大氣氣溶膠光學(xué)特性的垂直分布、混合層高度及結(jié)構(gòu)的演化特征等[21-23].賀千山等[22]利用其中混合層高度的分析提出了一種新的混合層反演方法.花叢等[24]利用風(fēng)廓線資料分析北京一次秋季霾天氣后認(rèn)為,低空偏南氣流是造成霾維持和發(fā)展的主要原因.李菲等[25]利用風(fēng)廓線雷達(dá)對廣州一次典型灰霾過程進(jìn)行了分析,也指出大氣邊界層高度較低及偏東和偏南氣流帶來的高濕度環(huán)境是廣州出現(xiàn)嚴(yán)重灰霾天氣重要原因.

目前以氣溶膠粒子為主要特征的大氣成分觀測多局限于近地層,對邊界層,特別是城市邊界層中氣溶膠粒子的空間分布及其與氣象條件演變特征研究較少,同時(shí)結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)和激光雷達(dá)等非常規(guī)邊界層資料對霧霾天氣進(jìn)行分析的例子更為少見.因此,本文利用近地面常規(guī)氣象觀測資料和大氣污染數(shù)據(jù),結(jié)合微脈沖激光雷達(dá)(MINI-MPL)和L波段風(fēng)廓線邊界層雷達(dá)對2016年12月16~21日重污染過程的邊界層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其與氣象條件的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析,以期為我國城市大氣污染改善提供科學(xué)依據(jù).

1 觀測平臺和數(shù)據(jù)采集

1.1 資料來源

本文使用的激光雷達(dá)是美國SIGMA SPACE公司開發(fā)的微脈沖激光雷達(dá)(MMPL-C-532),位于北京市海淀區(qū)中國氣象局北京城市氣象研究院樓頂,時(shí)間分辨率為30min,空間分辨率為75m.本文所使用的L波段風(fēng)廓線邊界層雷達(dá)(LC),位于北京海淀(站號54399,39.98N,116.28E),海拔高度47m,該風(fēng)廓線雷達(dá)可提供每6min一組包含水平風(fēng)速、風(fēng)向、垂直速度等要素的觀測數(shù)據(jù),垂直分辨率2000m以下為120m, 2000m以上為240m,最低觀測高度150m.此外,文中所用氣象要素(包括溫度、壓強(qiáng)、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度等)均來自中國氣象局國家氣象觀測站數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為1h.PM2.5數(shù)據(jù)由北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心網(wǎng)站(http://www.bjmemc.com.cn) 提供. 垂直速度數(shù)據(jù)由NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心)提供的FNL 再分析資料(http://rda.ucar.edu/ datasets/ds083.2/).

1.2 儀器介紹

1.2.1 激光雷達(dá)簡介 激光雷達(dá)探測基于激光光束在傳輸過程中與大氣中氣溶膠粒子作用發(fā)生的吸收和散射現(xiàn)象,根據(jù)接收到的回波信號可分析出大氣有關(guān)參數(shù)特征.本文使用彈性后散射便攜式微脈沖激光雷達(dá)(MINI-MPL-C-532),該設(shè)備可向大氣垂直發(fā)射532nm或527nm波長激光,其中532nm的垂直和水平偏振信號可分析其回波強(qiáng)度和顆粒物的消偏振特征.退偏振的定義為:垂直分量與平行分量散射波強(qiáng)度之比,通過退偏振比可描述氣溶膠粒子球型或非球型特征.退偏振比越接近0,代表目標(biāo)物越近似為球形,越接近1,代表目標(biāo)物的非球形程度越高.

對于單一波長的激光雷達(dá),激光雷達(dá)方程表達(dá)式為:

1.2.2 風(fēng)廓線雷達(dá)簡介 風(fēng)廓線雷達(dá)基于雷達(dá)回波多普勒頻移特性,利用大氣對電磁波的散射作用進(jìn)行觀測,該風(fēng)廓線雷達(dá)采用五波束掃描探測方式,每個(gè)探測周期包括高、中、低3種探測模式,風(fēng)廓線雷達(dá)探測系統(tǒng)主要提供徑向數(shù)據(jù)、功率譜數(shù)據(jù)以及風(fēng)場數(shù)據(jù)產(chǎn)品3級數(shù)據(jù)結(jié)果,風(fēng)場數(shù)據(jù)主要可提供包括水平風(fēng)速、風(fēng)向、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等信息的實(shí)時(shí)、0.5h以及1h平均數(shù)據(jù)文件.

2 結(jié)果與討論

2.1 天氣過程分析

2016年12月16~21日期間,京津冀及山東、河南等地出現(xiàn)持續(xù)多日重污染天氣.北京地區(qū)亦出現(xiàn)持續(xù)多日靜穩(wěn)天氣,氣象條件極不利于大氣污染物的稀釋擴(kuò)散,導(dǎo)致北京地區(qū)出現(xiàn)一次嚴(yán)重污染天氣過程,污染過程期間(16日08:00~22日02:00) PM2.5小時(shí)平均濃度為256μg/m3,其中大于150μg/ m3的重度污染時(shí)間占總污染時(shí)段的82.7%.圖1為16日20:00海平面氣壓、500hpa高空形勢及地面風(fēng)場疊加圖,如圖可見,我國中東部地區(qū)上空為緯向環(huán)流,北京位于槽后脊前,高空以弱西北氣流為主,天氣形勢穩(wěn)定,地面位于高壓后部弱氣壓場中,氣壓梯度小,近地層以弱偏南風(fēng)為主,有利于水汽及污染物向北京地區(qū)積聚,且這一穩(wěn)定的天氣形勢一直持續(xù)至21日夜間,其中,19日夜間~20日上午時(shí)段,地面相對濕度超過90%,部分地區(qū)超過95%,接近飽和,在高濕和高污染的共同影響下,近地面空氣質(zhì)量經(jīng)歷了輕度-中度-重度-嚴(yán)重污染的污染天氣(表1),重污染天氣維持至22日凌晨,受東移加深的高空槽影響,強(qiáng)冷空氣侵入北京,大氣擴(kuò)散條件迅速好轉(zhuǎn),空氣質(zhì)量迅速由嚴(yán)重污染轉(zhuǎn)為優(yōu),污染過程隨之結(jié)束.此次污染天氣時(shí)間長、范圍大、污染程度重,由于空氣濕度大,污染物的吸濕增長以及消光效應(yīng),使得華北地區(qū)出現(xiàn)大范圍低能見度天氣,北京能見度低至100m左右,為此生態(tài)環(huán)境部與中國氣象局分別發(fā)布多期相應(yīng)的重污染空氣質(zhì)量紅色預(yù)警及霧、霾橙色預(yù)警.

表1 北京重污染期間全市平均主要污染物濃度及空氣質(zhì)量級別

圖1 2016年12月16日20時(shí)海平面氣壓與500位勢高度場疊加地面風(fēng)場(m/s) Fig.1 Sea level pressure and 500hPa high altitude situation geopotential heights superimposed over surface wind field at 20 o'clock on December 16, 2016

2.2 氣象條件對污染影響分析

受北京西面和北面環(huán)山的特殊地形以及華北工礦企業(yè)布局的影響,北京地區(qū)盛行西北風(fēng)時(shí),空氣質(zhì)量較好,盛行弱風(fēng)或偏南(東)風(fēng)時(shí),大氣污染物易于在山前堆積,出現(xiàn)污染天氣,如果靜穩(wěn)形勢持續(xù)發(fā)展,大氣濕度快速增大,近地面逆溫發(fā)展增強(qiáng),則易導(dǎo)致北京出現(xiàn)重度或嚴(yán)重污染天氣[7,26].因而氣象條件成為重污染天氣形成的關(guān)鍵因素.

圖2 2016年12月15-21日污染過程期間北京海淀大氣成分變化

(a)邊界層高度(PBL) (b)相對濕度(RH)和溫度(Temp);(c)風(fēng)速(WS)、風(fēng)向(WD);(d)PM2.5和能見度(Vis)時(shí)間序列

2016年12月16~21日污染過程期間,北京地面平均風(fēng)速約0.46m/s,最大風(fēng)速僅為2.3m/s,平均相對濕度為73%,其中,相對濕度日均值分別為59%, 70%, 74%, 82%, 77%,呈明顯升高趨勢,其中,北京通州21日早晨最高相對濕度為98%,大氣幾乎達(dá)到飽和狀態(tài).此次污染過程,北京城區(qū)各監(jiān)測站污染變化趨勢基本一致,因此文中主要以海淀站數(shù)據(jù)進(jìn)行說明(如不加說明均為海淀站).如圖2所示,整個(gè)污染過程期間主要有2個(gè)細(xì)顆粒物濃度急劇上升階段,分別為16日10:00至20:00(峰值濃度233μg/m3)以及19日16:00時(shí)至20日14:00時(shí),(峰值濃度536μg/m3).15日(污染過程開始前),北京全天為西北風(fēng),日均PM2.5小于35μg/m3,空氣質(zhì)量為一級-優(yōu),16日風(fēng)向逐漸由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng),風(fēng)速明顯減弱,16日早晨,PM2.5濃度緩慢上升,10:00后,北京逐漸轉(zhuǎn)受東南風(fēng)控制, PM2.5濃度上升速度明顯加快,從13:00的63μg/m3僅用時(shí)1h上升至115μg/m3,上升速率達(dá)到52μg/ (m3·h),因而外來輸送對這一時(shí)段北京大氣污染累積作用顯著, 20:00全市PM2.5小時(shí)平均濃度已達(dá)195μg/m3,空氣質(zhì)量達(dá)重度污染級別,PM2.5平均小時(shí)增速達(dá)22.3μg/(m3·h),其中,海淀萬柳觀測站濃度達(dá)233μg/m3,與此同時(shí),大氣水平能見度迅速下降,由上午10:00的27km降至19:00的3km.入夜后,PM2.5增長速率放緩,呈波動(dòng)式上升.20日早晨6:00時(shí),大氣能見度降至整個(gè)過期最低(100m左右),PM2.5亦在20日14:00達(dá)到此次污染的峰值濃度536μg/m3,全市平均416μg/m3,之后PM2.5濃度維持在嚴(yán)重污染等級,濃度呈波動(dòng)變化,直至22日凌晨隨著強(qiáng)冷空氣入侵,大氣擴(kuò)散條件迅速好轉(zhuǎn),PM2.5濃度由2:00時(shí)的371μg/m3僅1h迅速降低至3:00的56μg/m3,空氣質(zhì)量由嚴(yán)重污染變?yōu)榱?污染過程結(jié)束.

2.3 激光雷達(dá)后向回波與風(fēng)廓線雷達(dá)反演風(fēng)場分析

后向散射強(qiáng)度圖(圖3)顯示,污染過程主要分為2個(gè)階段,第1階段主要發(fā)生在16至19日,這期間激光雷達(dá)回波強(qiáng)度日變化明顯,回波強(qiáng)度在白天中午前后快速增大,夜間20:00后回波強(qiáng)度迅速減弱.16日14:00回波強(qiáng)度迅速增大,后向散射回波值從0.17迅速增加至0.4左右,氣溶膠厚度也迅速從200m快速增長到600m左右,邊界層高度低且穩(wěn)定少變,這一時(shí)段地面PM2.5濃度亦快速上升,地面PM2.5質(zhì)量濃度增長最快時(shí)段的近地層相對濕度僅為約30%,此時(shí)大氣能見度僅為3km左右,因而霾是造成能見度降低的主要因素.21:00左右,相對濕度維持在30%~65%,激光雷達(dá)回波強(qiáng)度明顯減弱.通常夜間隨著邊界層高度降低,地面輻射降溫,逆溫層結(jié)出現(xiàn),污染物濃度增大,回波強(qiáng)度應(yīng)該增大,是何原因造成回波強(qiáng)度反而減弱.16日11:00左右風(fēng)廓線反演風(fēng)場顯示,1000m以上高空為西北風(fēng),1000m以下逐漸由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng),且風(fēng)速明顯增大,達(dá)4~6m/s,垂直方向風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn),顯示北京地區(qū)上空有暖平流輸送,大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,不利于污染物垂直方向擴(kuò)散,低層持續(xù)偏南風(fēng)有利于京津冀南部區(qū)域污染物向北京地區(qū)輸送,全市平均濃度從16:00的140μg/m3增加到20:00的195μg/m3,PM2.5濃度快速上升,區(qū)域輸送效果明顯. 17日凌晨,1500m以上高空大風(fēng)速核明顯減小,1500m以下風(fēng)向由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)且風(fēng)速明顯增加,顯示垂直方向高空有動(dòng)量下傳,垂直方向擾動(dòng)增大,有利于污染物的垂直擴(kuò)散.其中,天壇站PM2.5濃度從263μg/m3降至91μg/m3,海淀站從239μg/m3降至94μg/m3,市區(qū)其他各監(jiān)測點(diǎn)污染物濃度均有明顯下降.17日12:00后隨著冷空氣減弱消失,地面維持小風(fēng),PM2.5濃度再次上升.17日21:00左右,300m以下高度回波強(qiáng)度明顯減弱, 300m高空處殘留有一懸空強(qiáng)回波帶,風(fēng)廓線反演風(fēng)場顯示此時(shí)低層為東北風(fēng),探空數(shù)據(jù)顯示,17日8:00逆溫層最高溫為5℃,20:00降為2℃,顯示低層有弱冷空氣侵入,受其影響,20:00 300m以下高空逆溫層消失,弱冷空氣侵入及逆溫層的消失均有利于污染物的稀釋擴(kuò)散,因此城區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)PM2.5濃度均出現(xiàn)明顯下降,但回波強(qiáng)度減弱幅度更大,這或許是激光雷達(dá)近地面探測盲區(qū)的固有缺陷,導(dǎo)致激光雷達(dá)對近地面層顆粒物濃度的低估,因此弱回波區(qū)較為明顯.18日凌晨后隨著高空西北風(fēng)侵入,滯留在300m高空的強(qiáng)回波區(qū)逐漸減弱消散,地面至高空均為弱回波區(qū),18日 11:00左右,地面轉(zhuǎn)為弱北風(fēng)或西南風(fēng),激光雷達(dá)回波再度增強(qiáng),至夜間又快速降低,呈現(xiàn)出明顯的日變化特征,與地面測站污染濃度變化趨勢一致.

第2階段主要從19日16:00~22日2:00污染過程結(jié)束, 19日午后回波強(qiáng)度快速增強(qiáng)且穩(wěn)定維持,強(qiáng)回波區(qū)位于400m以下,第二階段回波強(qiáng)度無明顯日變化特征,海淀站監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,19日下午 PM2.5濃度從16:00的171μg/m3升至22:00 326μg/m3,小時(shí)平均增長25μg/m3,20日2:00開始,PM2.5呈快速增長趨勢,PM2.5濃度從219μg/m3升至20日6:00的465μg/m3,小時(shí)平均增長62μg/m3,午后14:00又繼續(xù)攀升至此次過程峰值濃度536μg/m3,20日后激光雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)平均高度位于400m左右,明顯低于第一階段平均高度(800m).風(fēng)廓線反演風(fēng)場顯示19日午后北京上空西北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏西或偏南風(fēng),且風(fēng)速減小,20日2:00后,800m高度以下轉(zhuǎn)為東北風(fēng),風(fēng)速由小于2m/s增長至4~5m/s,800m以上則為西南風(fēng),且風(fēng)速由2~4m/s增大至8~12m/s,低層?xùn)|北風(fēng),高層西南風(fēng),邊界層內(nèi)風(fēng)向隨高度順時(shí)針變化,顯示有明顯暖平流,導(dǎo)致逆溫層強(qiáng)度達(dá)到本次過程最強(qiáng),層結(jié)更為穩(wěn)定.選取東北風(fēng)上游北京順義站數(shù)據(jù),可發(fā)現(xiàn)順義站PM2.5峰值濃度出現(xiàn)時(shí)間在19日21:00時(shí),峰值濃度為508μg/m3,比城區(qū)海淀站早9h(20日6:00時(shí)出現(xiàn)夜間峰值濃度),因此在區(qū)域輸送與大氣穩(wěn)定層結(jié)共同作用下,19日夜間至20日早晨時(shí)段,地面PM2.5濃度再度快速增長,20日6:00海淀站達(dá)到階段峰值,而后略有下降,20日14:00達(dá)到本次污染過程峰值濃度,21日污染濃度在高濃度區(qū)間(大于300μg/m3)呈現(xiàn)脈動(dòng)式變化.

22日2:00左右,隨著強(qiáng)冷空氣侵入,地面至3000m高空均為一致偏北風(fēng),最大風(fēng)速核位于約1500m高度,風(fēng)速達(dá)18~20m/s,大氣水平與垂直擴(kuò)散條件快速好轉(zhuǎn),地面PM2.5濃度迅速降低,污染天氣結(jié)束.近地面逆溫層阻礙了大氣垂直對流運(yùn)動(dòng),不利于污染物的擴(kuò)散,易出現(xiàn)重污染天氣.此次污染過程期間,近地層均有明顯逆溫結(jié)構(gòu)(表2).16日8:00逆溫層頂約為500m,最大逆溫差4℃,850hPa 溫度為-2℃,16日20:00,逆溫層頂上升至850m左右,最大逆溫差5℃,850hPa 溫度為2℃, 850hPa明顯升溫,表示北京上空有暖氣團(tuán),大氣層結(jié)穩(wěn)定度增大,16日午后,受偏南氣流輸送及本地穩(wěn)定大氣層結(jié)影響,污染物濃度迅速增大,17日8:00 850hPa溫度1℃,逆溫頂高度800m左右,最大逆溫差5℃,熱力結(jié)構(gòu)變化不大,17日20:00,逆溫頂高度雖然仍在800m高度左右,但300m以下逆溫層被破壞,逆溫層僅出現(xiàn)在300~ 800m高空,且逆溫層最高溫度也由8:00的5℃降至20:00的2℃,說明近地面層確有冷空氣侵入,因此300m以下逆溫層被破壞,擴(kuò)散條件好轉(zhuǎn),造成17日夜間至18日凌晨時(shí)段近地層污染濃度明顯降低,而在300m以上高空仍殘留部分高濃度污染物.持續(xù)靜穩(wěn)條件下,污染物濃度在波動(dòng)中逐漸上升.19日夜間至20日是污染逐漸上升至此次污染過程濃度最高時(shí)段,19日夜間低層溫度達(dá)到此次過程最高8℃, 850hPa溫度從19日08:00開始就呈現(xiàn)持續(xù)升溫趨勢,20日08時(shí),上升2℃,20日上午08:00逆溫最大溫差達(dá)9℃,為此次污染過程最大逆溫溫差.此次污染過程中,除了16日早晨8:00最大逆溫差小于20:00的最大逆溫差,其余幾天早晨8:00最大逆溫差均大于晚上20:00的最大逆溫差,說明逆溫在夜間是逐漸增強(qiáng)的時(shí)段,白天由于太陽輻射,逆溫強(qiáng)度會有所減弱.本文將消光系數(shù)梯度最大值所處高度定義為大氣邊界層高度[27-28].污染期間,邊界層前期維持在500~700m左右高度,接近2013年12月污染過程中京津冀邊界層高度的觀測值(618m)[29],19日午后,邊界層高度呈明顯下降趨勢,最高處僅為400m左右,這或許由于污染物與邊界層的雙向反饋有關(guān),隨著近地面污染物濃度持續(xù)增加,地表接收到太陽短波輻射減小,因此地表降溫比高空更為明顯,從而導(dǎo)致逆溫增強(qiáng),同時(shí)伴隨濕度的持續(xù)增加,近地層大氣靜穩(wěn)程度增加,湍流活動(dòng)更弱,導(dǎo)致邊界層高度也更低.

圖3 2016年12月16~23日激光雷達(dá)后向反射系數(shù)

整個(gè)污染過程期間,北京上空(1000~700hPa)基本處于下沉氣流控制區(qū)(圖5中正值表示下沉運(yùn)動(dòng),負(fù)值表示上升運(yùn)動(dòng)),有利于污染在近地層堆積,且16日至20日上午,整層的下沉運(yùn)動(dòng)較弱(0~2Pa/s),且2次弱下沉運(yùn)動(dòng)中心均與污染物濃度增長最快時(shí)段對應(yīng).22日凌晨隨著強(qiáng)冷空氣的侵入,下沉速度急劇增大,污染過程結(jié)束.

圖5 2016年12月16~22日垂直速度時(shí)間-高度序列

表2 污染過程期間垂直逆溫統(tǒng)計(jì)

2.4 退偏振正比分析

圖6 2016年12月16~23日激光雷達(dá)退偏振比系數(shù)

由2016年12月16~23日激光雷達(dá)退偏振比系數(shù)的變化趨勢(圖6)可以看出,污染過程前期退偏振比較大,說明顆粒物主要是以一次排放物(如交通排放、工廠煙塵、揚(yáng)塵等)為主,后期,退偏振比數(shù)值明顯減小,二次轉(zhuǎn)化生成的顆粒物比例明顯上升[30].

退偏振比呈現(xiàn)明顯日變化特征,過程期間整體退偏振比小于0.25,白天退偏振比比夜間高,峰值一般出現(xiàn)在午后.從相對濕度變化分析可知,20日后北京大氣濕度明顯增加,退偏振比數(shù)值20日后也明顯降低,其可能原因?yàn)闈穸仍黾雍?氣溶膠吸濕效應(yīng)后形態(tài)更趨于球形,因此后期退偏振比較前期退偏振比數(shù)值呈減小趨勢.

2.5 消光系數(shù)垂直廓線分布

為了更清楚的了解此次污染過程中大氣邊界層高度垂直變化特點(diǎn),分別選取清潔時(shí)段(16日8:00、22日10:00)與重度污染時(shí)段(17日20:00、20日20:00)消光系數(shù)垂直廓線圖進(jìn)行對比分析.圖7中根據(jù)激光雷達(dá)所測的信號反演得到的氣溶膠消光系數(shù)對應(yīng)著探測高度的氣溶膠濃度,消光系數(shù)越大,表明在該高度上的氣溶膠濃度越大.

圖7分別為16日8:00(良),17日20:00(重度污染)、20日20:00(嚴(yán)重污染)、22日10:00(優(yōu))4個(gè)時(shí)刻消光系數(shù)垂直廓線分布,從垂直分布結(jié)構(gòu)分析可知,前3個(gè)時(shí)刻的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布結(jié)構(gòu)比較相似,氣溶膠消光系數(shù)隨高度均呈指數(shù)遞減,最大值高度約400~800m,消光系數(shù)變化區(qū)間維持在0.03~1.2km-1.22日10:00清潔時(shí)段,消光系數(shù)隨高度線性遞減.16日8:00空氣質(zhì)量良,消光系數(shù)由0.37km-1隨高度升高迅速減小到約0.08km-1.17日20:00消光系數(shù)最大達(dá)1.2km-1,在800m高度存在一個(gè)消光系數(shù)拐點(diǎn), 800m以上高度消光系數(shù)迅速減小,說明氣溶膠濃度明顯降低,氣溶膠主要積聚在800m以下高度,800m以下消光系數(shù)迅速增大,說明低層大氣能見度很低(此時(shí)地面能見度約為1.6km).20日20:00,地面PM2.5濃度達(dá)到450~500μg/m3,消光系數(shù)最大值達(dá)1.3km-1,基本與17日20:00相當(dāng),消光系數(shù)拐點(diǎn)高度約400m,明顯低于17:日20:00消光系數(shù)拐點(diǎn)高度,說明氣溶膠主要積聚在400m以下高度.無論清潔天或污染天,1km以上高度消光系數(shù)廓線均呈鋸齒狀分布.說明高空仍有少量的氣溶膠粒子存在,因此消光系數(shù)呈現(xiàn)出一定的鋸齒狀形態(tài).受強(qiáng)冷空氣影響,22日4:00空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為優(yōu),10:00PM2.5濃度約為10μg/m3,消光系數(shù)由下至上呈單調(diào)線性降低,整層消光系數(shù)均小于0.06,1km以下高度消光系數(shù)明顯小于污染天氣時(shí)消光系數(shù),1km以上鋸齒狀特征不如污染時(shí)段明顯.

圖7 氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線圖

3 結(jié)論

3.1 2016年12月16~21日重污染期間,污染物主要聚集在800m高度以下,最嚴(yán)重時(shí)段(20~21日),污染物高度僅有400m左右.垂直方向,清潔天時(shí),消光系數(shù)小,隨高度呈線性單調(diào)遞減;污染天時(shí),低層消光系數(shù)變幅大,1km以下高度,隨高度消光系數(shù)呈指數(shù)減小.1km以上高空,消光系數(shù)均呈鋸齒狀分布.

3.2 污染過程期間,風(fēng)廓線反演風(fēng)場及地面濕度顯示,低層持續(xù)偏南風(fēng)或偏東風(fēng)有利于北京地區(qū)大氣增濕與污染物的區(qū)域輸送,風(fēng)速6~8m/s時(shí),地面污染物濃度呈持續(xù)上升趨勢.另外,當(dāng)1500m或更高空大風(fēng)速核明顯下降時(shí),動(dòng)量下傳導(dǎo)致垂直方向擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好,盡管低層大氣及地面仍維持小風(fēng)或弱風(fēng), PM2.5濃度也會明顯降低.

3.3 本次污染過程大氣垂直方向均有明顯逆溫,2次污染物濃度增長最快階段,除了區(qū)域間的污染輸送,均與本地快速增強(qiáng)的逆溫過程有密切聯(lián)系.污染過程期間邊界層高度基本低于1km,其中,最嚴(yán)重時(shí)段,邊界層高度僅400m左右,這或許與氣溶膠與邊界層雙向反饋過程有關(guān).

3.4 本次污染過程,總體退偏振比小于0.25,前期退偏振比明顯比后期大,說明污染主要是人類活動(dòng)產(chǎn)生的氣溶膠,前期以一次排放顆粒物為主,后期以二次轉(zhuǎn)化顆粒物為主.另外,前期退偏振比呈現(xiàn)明顯日變化特征,白天退偏比比夜間高.

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Analysis of boundary layer characteristics of a heavily polluted weather process in Beijing in winter 2016.

GUI Hai-lin1*, JIANG Qi1, KANG Zhi-ming2, LI Ju3, LIU Chao1, YOU Yuan1

(1.National Meteorological Center, Beijing 100081, China；2.Jiangsu Meteorological Observatory, Nanjing 210008, China；3.Beijing Institute of Urban Meteorology, Beijing 100089, China)., 2019,39(7)：2739~2747

The characteristics of the pollution process occurred in Beijing, Tianjin and Hebe province during 16~21 December 2016, the relationship between the pollution process and meteorological conditions were studied by using the data of routine ground observation, Micropulse Lidar (MINI-MPL), wind profiler radar, and atmospheric composition of the Ministry of Ecology, etc. of China Meteorological Administration. The static state of the atmosphere, the prevailing southerly airflow in the lower atmosphere, the continuous increase of atmospheric humidity, and the special terrain surrounding the mountains on three sides of Beijing which was not conducive to the diffusion of pollutants were the important factors causing the serious air pollution in Beijing. During the period of heavy pollution, the pollutants mainly accumulated below 800 meters. When the pollution was serious, the height of pollutants was only about 400 meters. Wind profiler radar retrieved wind field showed that the low level of PM2.5concentration rose rapidly during two periods, accompanied by persistent southerly or easterly winds. During the pollution process, the inversion structure was obvious, and the rapid development of two pollution stages occured in the two periods of the strongest inversion. In this polluted weather process, the depolarization ratio of lidar was less than 0.25, reflecting that the pollution was mainly caused by human activities. In the early stage, primary particulate matter was the main pollutant, and in the later stage, secondary transformed particulate matter was the main. The depolarization ratio showed obvious daily change in the early stage of pollution process, and the depolarization ratio was higher in daytime than at night.

PM2.5；aerosol extinction coefficient；depolarization ratio；laser radar；wind profiler radar；Beijing

X513

A

1000-6923(2019)07-2739-09

桂海林(1974-),男,廣西桂林人,高級工程師,碩士,主要從事大氣物理及環(huán)境、衛(wèi)星資料應(yīng)用方面的研究.發(fā)表文章5篇.

2018-12-24

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41875181);科技部國家科技支撐計(jì)劃課題(2015BAC03B07);大氣重污染成因與治理攻關(guān)項(xiàng)目(DQGG0104)

* 責(zé)任作者, 工程師, ghlnj@sina.com