行星边界层中大气气溶胶的火炉、圆顶和伞效应

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行星边界层中大气气溶胶的火炉、圆顶和伞效应

大气行星边界层(PBL),又称大气边界层,是地球表面通过气团湍流转移对对流层下部的温度、湿度和风产生强烈影响的区域。PBL控制着空气污染物的扩散,与人类的生活息息相关。

既往研究表明,气溶胶和PBL的正反馈是霾发作的重要因素。然而,不同类型的气溶胶(散射和吸收)在PBL发展中的作用尚不清楚。

“我们发现,这些气溶胶有时在PBL上起到炉灶、穹顶甚至伞的作用,这取决于它的光学特性和高度。”中国科学院大气物理研究所(IAP)的辛金元教授说。

哈佛大学的Prof. Xin和Prof. Scot t Martin在最近发表于《地球物理研究通讯》的研究中,利用大涡模拟模型,结合典型的停滞天气的观测,建立了气溶胶炉、圆顶和伞效应的模型。

PBL由一个自底向上的近地面稳定边界层(SBL)、一个残余层(RL)和一个覆盖反演层(CIL)组成;白天有对流边界层(CBL)和CIL。

“我们发现,RL以下吸收气溶胶浓度的增加强烈加热低层大气,诱导夹带,促进PBL的发展。我们称之为气溶胶炉效应。”

根据研究,对于RL以上的吸收气溶胶层,气溶胶浓度的增加,捕获了更多的太阳辐射,强烈加热了逆温层。这增强了倒置强度,对PBL表现出强烈的抑制作用。这被称为穹顶效应,因为它就像一个盖子,阻碍了PBL的发展。

在纯散射气溶胶的情况下,PBL的抑制取决于气溶胶的负荷而不是气溶胶层的高度,因此气溶胶就像一把伞,将太阳辐射反射回外层空间。

结果表明,存在一个过渡高度,在过渡高度以上,吸收气溶胶对PBL(穹丘效应>高空伞效应)的抑制占优势;在过渡高度以下,纯散射气溶胶对PBL(表面伞效应>炉效应)的抑制更为重要。这个过渡高度与RL高度高度相关。

研究结果为制定污染控制策略提供了科学依据。在华北平原南部逆风区,应严格控制产生大量吸收污染物(黑碳、棕碳等)的燃烧活动,避免“穹顶效应”。

对地方党组织而言,应特别加强限车、燃煤脱硫等措施,减少散射性气溶胶及其气态前体(二氧化硫、一氧化氮等)的排放,消除表面伞效应。