华北平原污染物及相关光解系数观测研究

来源 :中国气象科学研究院 | 被引量 : 4次 | 上传用户:tengyuansai
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随着近年来经济的快速发展,华北平原已经成为全国污染最为严重的地区之一,高浓度的臭氧(O3)和细颗粒物(PM2.5)等不仅出现在城市地区,而且在农村地区也很常见,污染呈现区域性特征。气溶胶的辐射效应会影响光化辐射通量,从而影响O3的光化学生成。目前,政府着力控制细颗粒物污染,这一举措将导致大气中PM的变化,由此对O3浓度带来的效应值得深入探究。本工作在北京城区(116°18’E,39°56’N,海拔57 m),上甸子区域大气本底站(117°07’E,40°39’N,海拔293.3 m),河北省固城生态与农业气象试验站(115°44’E,39°08’N,海拔15.2 m),河北省饶阳县气象站(115°44’E,38°14’N,海拔20 m)进行观测实验,获得了分别代表超大型城市,华北区域大气本底,华北平原腹地农村地区和华北平原腹地小城镇郊区的PM2.5、光解系数(J-value)和O3等污染物数据,分析了4种不同类型站点的污染物及相关光解系数变化特征,探究气溶胶-辐射效应对光解系数和O3的影响。在北京城区及其远郊区的上甸子站均取得了跨度1年多的同步观测资料,时段分别为2015年9月至2016年10月和2010年3月至2011年3月。观测结果表明,北京城区夏季PM2.5质量浓度低于冬季,jNO2值春季>夏季>秋季>冬季,可能与辐射和云量的季节变化共同作用有关;O3浓度在夏季最高,冬季最低,与两年前相比,冬、春季平均O3浓度有所上升。上甸子站PM2.5质量浓度在冬季低于北京城区,但是夏季却高于北京城区,这很可能与污染物输送有关。此外,上甸子站jNO2和O3均高于北京城区,冬季O3在凌晨没有像北京城区O3的快速下降过程,这与上甸子站处于相对清洁地区,受交通源影响小有关。固城站和饶阳站的同步观测资料来自短期观测,分别取自2013年7-9月和2014年6-8月。固城站夏季O3浓度低于上甸子站和北京城区,极大值出现时间较早。对比该站2010年夏季O3浓度,7月O3均值有明显升高。饶阳站夏季O3浓度仅低于上甸子站,高于北京城区和固城站。饶阳站夏季jNO2最大值高于其他三个站点,由于饶阳位置相对靠南,凌晨4:00后jNO2开始快速增加,比其他三个站点早,导致了O3日最小值出现时间偏早。在这4个站点,jNO2在相对污染情况下均小于相对清洁情况,jNO2极大值多出现于相对清洁情况,说明高浓度气溶胶会导致光解系数整体的减小,对jNO2极值的影响显著。各站都存在jNO2与O3的显著正相关,而且jNO2与滞后2小时的O3相关度更高,尤其在固城站R2达到0.62,说明光化辐射对O3形成的驱动作用在2小时的反应积累后得到更好的显现。基于光化学稳态假设探讨了风速<=2m/s条件下jNO2[NO2]/[NO]与O3的正相关关系。夏季两者最大相关在饶阳站出现在6:00-7:00,固城站和上甸子站8:00-9:00,北京城区则出现在10:00-11:00;冬季最大相关在北京城区和上甸子站都出现在10:00-11:00。因此,在[NO2]/[NO]不变的情况下,气溶胶增多导致的低jNO2,会造成O3浓度的下降。在饶阳站观测期间,我们进行了7次成功的无人机实验,获得了2.5 km以下O3,多粒径段气溶胶数浓度的垂直廓线。此外,还获得了低对流层气溶胶消光系数垂直廓线以及系留汽艇获得1 km以下O3垂直廓线。并且,利用模式模拟得到同时段jNO2的垂直廓线。采用气溶胶消光系数梯度法和气溶胶数浓度梯度法确定混合层与残留层高度,得到混合层与残留层内O3、气溶胶数浓度和jNO2的平均值。结果表明,O3垂直分布存在正梯度,使得残留层O3是混合层O3的重要源。残留层的jNO2大于混合层,这与混合层内气溶胶层对光化辐射通量的减小有关。气溶胶粒子大多分布在1μm以下,混合层与残留层存在很小的差距。与过去O3垂直廓线对比发现,华北平原低对流层内O3浓度有显著升高,尤其是2004年以后。这表明华北地区光化学污染加重,值得关注。
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