我國發現北京低層大氣污染物的垂直分布特征和演變規律

　　北京空氣質量持續改善，但秋冬季重污染天氣仍時有發生。大氣污染物經常呈現垂直分布不均勻現象。如霾天登山，山頂空氣清新，能見度好，但山下城市灰蒙一片。在市區，也通常出現“抬頭藍天低頭霾”現象（圖1）。為深入了解北京城市邊界層內大氣污染垂直分布特征，中科院大氣所大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室研究團隊以北京325米氣象塔為依托，利用吊艙系統（圖2）對兩次重污染過程中顆粒物總消光系數、黑碳和NO₂進行了連續垂直觀測，獲取了地面至高空（白天260米，夜間200米）144組垂直分布廓線。與此同時，利用氣溶膠質譜儀（HR-AMS和ACSM）對地面和260米高度處化學組分（有機物、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和氯化物）進行了同步、實時連續在線觀測。

圖1. 2014年11月21日 早上8:30 （a）地面仰拍天空圖和（b）氣象塔280米俯拍圖（右圖來自大氣所公共技術服務中心）。

圖2. 北京325米氣象塔吊艙觀測系統（儀器包括腔衰減相位氣溶膠消光儀、腔衰減相位二氧化氮監測儀和黑碳儀）。地面和260米分別采用高分辨飛行時間氣溶膠質譜儀 (HR-AMS)和氣溶膠化學組分在線監測儀(ACSM)對化學組分進行實時連續觀測。

　　研究顯示重污染過程中大氣污染呈現四類典型的垂直分布特征，即（1）垂直分布均勻型，（2）下高上低漸變型，（3）上高下低型和（4）下高上低突變型（圖3）。結合混合層高度、氣象要素和湍流數據等垂直觀測結果，揭示了影響垂直分布的三大主要因素，包括混合層高度、地面和城市高層一次排放源差異和城市逆溫層。值得注意的是，不同氣團交匯疊加時產生的逆溫會導致大氣消光系數在某一特定高度出現急劇變化。如圖3（d）所示，逆溫層和上下氣團的差異導致高層消光系數比近地面低近2倍，同時地面和260米高度處化學組分也存在顯著差異，尤其是地面一次排放的生物質燃燒和餐飲等比260米高20–30%，該垂直分布較好地闡釋了“抬頭藍天低頭霾”的現象。此外，通過對一次重污染過程中垂直廓線的演變分析發現在重污染天氣下，特別是在夜間，云高儀反演的混合層高度比實際值高~40–150米，因此氣象塔的連續垂直觀測是對云高儀觀測研究的一個很好的補充。該研究結果發表在Atmospheric Chemistry & Physics。

圖3. 重污染天氣下，顆粒物消光系數四類典型垂直廓線：（a）均勻分布型，（b）下高上低漸變型，（c）上高下低型和（d）下高上低突變型。另外給出的還有消光系數與NO2比值、溫度、濕度、風速和風向的垂直分布。

圖4. 重污染過程中顆粒物消光系數及氣象要素垂直分布演變規律。同時給出的還有云高儀反演的混合層高度和地面、260米觀測的顆粒物濃度時間序列。