我国发现北京低层大气污染物的垂直分布特征和演变规律

　　北京空气质量持续改善，但秋冬季重污染天气仍时有发生。大气污染物经常呈现垂直分布不均匀现象。如霾天登山，山顶空气清新，能见度好，但山下城市灰蒙一片。在市区，也通常出现“抬头蓝天低头霾”现象（图1）。为深入了解北京城市边界层内大气污染垂直分布特征，中科院大气所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室研究团队以北京325米气象塔为依托，利用吊舱系统（图2）对两次重污染过程中颗粒物总消光系数、黑碳和NO₂进行了连续垂直观测，获取了地面至高空（白天260米，夜间200米）144组垂直分布廓线。与此同时，利用气溶胶质谱仪（HR-AMS和ACSM）对地面和260米高度处化学组分（有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物）进行了同步、实时连续在线观测。

图1. 2014年11月21日 早上8:30 （a）地面仰拍天空图和（b）气象塔280米俯拍图（右图来自大气所公共技术服务中心）。

图2. 北京325米气象塔吊舱观测系统（仪器包括腔衰减相位气溶胶消光仪、腔衰减相位二氧化氮监测仪和黑碳仪）。地面和260米分别采用高分辨飞行时间气溶胶质谱仪 (HR-AMS)和气溶胶化学组分在线监测仪(ACSM)对化学组分进行实时连续观测。

　　研究显示重污染过程中大气污染呈现四类典型的垂直分布特征，即（1）垂直分布均匀型，（2）下高上低渐变型，（3）上高下低型和（4）下高上低突变型（图3）。结合混合层高度、气象要素和湍流数据等垂直观测结果，揭示了影响垂直分布的三大主要因素，包括混合层高度、地面和城市高层一次排放源差异和城市逆温层。值得注意的是，不同气团交汇叠加时产生的逆温会导致大气消光系数在某一特定高度出现急剧变化。如图3（d）所示，逆温层和上下气团的差异导致高层消光系数比近地面低近2倍，同时地面和260米高度处化学组分也存在显著差异，尤其是地面一次排放的生物质燃烧和餐饮等比260米高20–30%，该垂直分布较好地阐释了“抬头蓝天低头霾”的现象。此外，通过对一次重污染过程中垂直廓线的演变分析发现在重污染天气下，特别是在夜间，云高仪反演的混合层高度比实际值高~40–150米，因此气象塔的连续垂直观测是对云高仪观测研究的一个很好的补充。该研究结果发表在Atmospheric Chemistry & Physics。

图3. 重污染天气下，颗粒物消光系数四类典型垂直廓线：（a）均匀分布型，（b）下高上低渐变型，（c）上高下低型和（d）下高上低突变型。另外给出的还有消光系数与NO2比值、温度、湿度、风速和风向的垂直分布。

图4. 重污染过程中颗粒物消光系数及气象要素垂直分布演变规律。同时给出的还有云高仪反演的混合层高度和地面、260米观测的颗粒物浓度时间序列。