随着全球经济的迅速发展,人为活动产生的污染物迅速增加,更多的污染物质排放到大气中,使环境问题日益严峻.近年来我国区域性大气污染事件频发,城市污染加剧,严重的气溶胶污染使到达地面的辐射能减小,IPCC第五次工作报告指出当今气溶胶全球总有效辐射强迫为-0.9 W·m^-2,它对气候系统总体上具有冷却效应(张小曳等,2014).同时伴随我国城市化进程加剧,能源的消耗、城市的建筑物密度和人口数量显著增加,导致局地气象状况和地表特性显著变化,这在一定程度上改变了城市和郊区的辐射状况.因此,北京作为城市化进程快、受雾霾影响严重的主要城市之一,研究城市化及大气污染对北京城市和郊区地表特性和辐射的影响具有重要意义.

考虑到城郊下垫面差异对辐射的影响,Oke和Fuggle(1972)对晴朗夜间城市和郊区向下长波辐射的对比研究指出,由于夜间城市热岛效应显著,向下长波辐射城市高于郊区.Estournel等(1983)通过对5月和10月无云天气下城郊向下辐射通量观测分析发现,全天向下辐射通量城区要比郊区高(约15~25 W·m^-2).White等(1978)分析了无云天气下城市和郊区各辐射分量的变化,发现城郊入射辐射几乎相等,反射辐射郊区更高,获得的净辐射城市大于郊区,差异为4%.Peterson和Stoffel(1980)对圣路易斯冬季无云天气下的观测辐射数据分析发现,城市和郊区入射辐射在冬季相差4.5%,郊区站间相差2%,且这种差异和风向有关.

从国内外的研究中发现,大气污染物的辐射强迫作用日趋显著.从全球尺度上看,高污染区为入射辐射的主要衰减区,年衰减率为0.41 W·m^-2·a^-1(Alpert et al., 2005)；在欧洲,大气中气溶胶的排放同云量相比会对入射短波辐射有更加显著的散射和吸收(Norris and Wild, 2007).在埃及,通过对晴空下月平均辐射值的定量观测,发现污染物对冬季入射短波辐射的衰减可达22%,远高于夏季的9.3%(Elminir,2007).在中国,由于雾霾天气的增多,在云量逐渐减小的情况下,辐射值发生了显著的衰减(Qian et al., 2006).周秀骥等(1998)结合观测资料和中国区域气候模式指出,中国地区气溶胶辐射强迫范围在-5.3~-13 W·m^-2之间.陈长和等(1993)研究了受烟雾层影响的兰州地区城郊气溶胶辐射效应.发现正午烟雾层使得城区直接辐射衰减比郊区高58.9%,总辐射高28.5%,且随着污染物浓度的加重,向下长波辐射增加明显.田文寿等(1999)利用兰州地区两个垂直高度差620 m站点的观测资料分析了山谷烟雾层对入射辐射的衰减情况,得出晴空总衰减最高为34.9%,最低为20.3%.刘丽霞等(2014)对长三角城市群区研究表明,白天气溶胶对于太阳辐射能的削弱大于对地面有效辐射的削弱,并使得地面净辐射量减少约46.3 W·m^-2.Wang等(2005)对325 m铁塔进行垂直观测发现,轻微污染时从325 m到地面辐射衰减约30 W·m^-2,重污染时衰减110 W·m^-2.但是对于北京地区大气污染对城市和郊区辐射收支影响的研究开展较少.

冬季为京津冀地区霾事件的主要高发期且冬季霾高值区面积较大(张英娟等,2015),2013年1月,在中国东部亦出现了数次大范围的持续性强雾霾天气(王自发等,2014; 张人禾等,2014),因此本文选取了北京地区四个城郊观测站点2013—2014年的辐射数据,以1月份为例,开展了大气污染对单站及对城市和郊区站点辐射收支影响的对比分析,具有北京地区重污染季节的代表性,为大气污染与气象条件的相互作用研究提供观测基础.

本文的辐射资料取自2013年1月和2014年1月北京地区四个城郊观测站点.这四个站点分别为：中国科学院大气物理研究所325 m铁塔(简称大气所站),南郊观象台(又称54511站),密云气象塔(简称密云站),上甸子区域大气本底站(简称上甸子站).各站点所使用的辐射仪器见表 1,大气所和密云站通过数据采集器采集数据(CR5000,Campbell,USA),并以1 hr计算平均值(苗世光等,2012),单位为W·m^-2.南郊观象台数据采集后计算得1 hr累积值,单位为MJ·m^-2,换算成1 hr平均值(辐照度)后,约为277.8 W·m^-2.上甸子站使用转换后的分钟数据,亦通过计算得到小时平均.因文中所选用的城郊观测站点所在区域下垫面性质的差异,导致各自的粗糙子层高度不一致,即对辐射观测高度的要求不一致,因此各站的观测高度均位于其粗糙子层以上,可较好的代表所在区域的辐射平衡状况.

表 1(Table 1)

表 1 各观测站点辐射仪器说明 Table 1 Radiation Instruments′ Description of Every Site 站点 观测项目 辐射特征量 仪器型号 生产厂家 观测高度(m) 采样频率(min) 大气所(DQS) 向上/向下的长波/短波辐射 辐照度 CNR1 荷兰KIPP&ZONEN公司 140 1 南郊观象台(54511) 总/反射/散射辐射 TBQ-2-B 中国华云技术开发公司 直接辐射 1 h曝辐量 TBS-2-B 中国华云技术开发公司 1.5 1 净辐射 FNP-1 北京华创升达高科技发展中心 密云(MY) 向上/向下的长波/短波辐射 辐照度 CNR4 荷兰KIPP&ZONEN公司 36 1 上甸子(SDZ) 总/反射/散射辐射 CMP11 荷兰KIPP&ZONEN公司 直接辐射 辐照度 CHP1 荷兰KIPP&ZONEN公司 1.5 1 向上/向下的长波辐射 IR02 荷兰,HUKSEFLUX公司

表 1 各观测站点辐射仪器说明 Table 1 Radiation Instruments′ Description of Every Site

图 1为基于2009年Landsat-TM高分辨率卫星资料反演的北京地区下垫面类型,表 2为北京市1∶2000比例尺地形图矢量数据计算的站点周边建筑物及用地特征参数.由以下图表可知,从下垫面类型看,中国科学院325 m铁塔位于高密度城区,南郊观象台和密云气象塔位于高中密度相结合的城区,上甸子站的下垫面以绿地为主.从周边建筑物及用地特征参数看,大气所站(大气所140 m观测高度对应辐射覆盖范围是4 km×4 km(Schmid,1997))平均建筑物高度和不透水面积百分比均最高,分别为18.1 m,83.3%；而密云虽位于高中密度相结合的城区,但平均建筑物高度和不透水面积百分比仅为6.3 m和57.5%,因此大气所站是有代表性的城区站,密云站为北部郊区站.南郊观象台站因观测高度的限制,辐射源区较小,不透水百分率较低,下垫面特征反映的是观测场的基本情况,但是向下的辐射可以反映南部郊区站的辐射特征.上甸子作为我国最早建立的区域大气本底站(权维俊等,2009),位于华北平原北部,距离北京市区约150 km,所观测的数据代表了华北地区的区域大气本底特征(宋建洋,2013).

图 1

Fig. 1

图 1 研究区域土地利用类型和观测站点分布 Fig. 1 Land use types and distribution of observation sites of study area

表 2(Table 2)

表 2 各站周边建筑物及用地特征参数 Table 2 Building and land-use parameters around each site 大气所 南郊观象台 密云 上甸子 4 km×4 km 0.036 km×0.036 km 1 km×1 km 0.036 km×0.036 km 平均建筑物高度(m) 18.1 0 6.3 0 不透水面积百分比(%) 83.3 - 57.5 -

表 2 各站周边建筑物及用地特征参数 Table 2 Building and land-use parameters around each site

从降水、云、能见度三个方面对辐射观测数据进行筛选： ① 采用自动站小时降水资料,对于站点附近10 km范围内降水量>0.1 mm的天进行剔除. ② 应用南郊观象台每天8时、14时、20时的云量观测资料,将云量>2成的天进行剔除. ③ 采用南郊观象台的分钟能见度数据(来自LT31透射仪(Vaisala,2010)),并考虑霾日的新筛选标准(中国气象局,2015),将经前两个标准筛选后的天,分为清洁天和污染天(即霾日).霾的新观测规范中规定：霾是指能见度≤5.0 km；相对湿度＜95%的天气现象.如果一日累计1/4(含)以上时次判识为霾,则该天记为霾日.筛选后的天为避免辐射随日期的变化,采用类比分析的方法,保证筛选后的日期平均值相接近.表 3为筛选后数据分布情况.

表 3(Table 3)

表 3 筛选后清洁天和污染天日期列表 Table 3 A list of dates of clear and pollution days after the screening 分类 总天数 日期 清洁天 3 2013-01-01 2014-01-09 2014-01-12 污染天 5 2013-01-042013-01-092014-01-012014-01-052014-01-10

表 3 筛选后清洁天和污染天日期列表 Table 3 A list of dates of clear and pollution days after the screening

大气所站1月污染对辐射收支的影响见图 2.由图 2(a,b)可知,入射短波辐射和反射辐射污染天均小于清洁天.因剔除了降水的影响,污染天短波辐射的衰减主要是由于大气污染物的作用引起的.从图 2(f,g)可以看出,污染天与清洁天短波辐射的差异,早晚较小,白天较大,白天大的差异值是由于白天入射辐射值增加导致的,差异的最大均值出现在14时,推测是与14时二次气溶胶粒子数浓度增大有关(林俊等,2009),污染物使入射短波辐射的衰减最大可达55.8 W·m^-2,使反射辐射衰减最大可达14.5 W·m^-2.

图 2

Fig. 2

图 2 大气所站1月清洁天和污染天辐射值及其差异值的日变化 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为向下短波辐射(DR)、反射辐射(UR)、向下长波辐射(DLR)、向上长波辐射(ULR)、净辐射(RN)五分量的清洁天和污染天对比情况.(f)、(g)、(h)、(i)、(j)分别为相应的污染天与清洁天辐射差值的日变化.图中每一个箱线代表了一个时刻的数据,不同颜色代表不同的大气状况,箱线图内横线代表中值,×代表小时平均值,盒子上下边分别表示75%和25%的辐射值,盒子的上下延伸线顶端分别表示最大和最小的辐射值. Fig. 2 Diurnal variation of radiation values and difference of clear and pollution days in January at IAP (a),(b),(c),(d),(e)are comparison of clear and pollution days of downward short wave radiation(DR),upward short wave radiation(UR),downward long wave radiation(DLR),upward long wave radiation(ULR),net radiation(RN)respectively.(f),(g),(h),(i),(j)are annual variation of difference between pollution and clear days a. In the figure,different colors represent different atmospheric conditions. Each box: One moment of data. The horizontal line in the box: median. ×: hourly average. Over and under lines of box: 75% and 25% of the radiation valuesrespectively. Top and bottom of vertical extending lines: Maximum and minimum values of radiation respectively.

从长波辐射的日变化可以看出(图 2(c,d)),向上长波辐射的日变化幅度比向下长波辐射大,这主要因为二者的变化分别与地面和大气的温度变化有关,地面温度日变化比大气温度大,所以向上长波辐射的日变化幅度大,且二者的日变化最大值分别发生在13时和14时,与地表和大气的温度最大值发生时刻相对应.从清洁天、污染天的对比分析发现,长波辐射污染天要明显高于清洁天,因为长波辐射的强弱要受到发射体温度和发射能力的影响(江玉华等,2010).污染天大气污染物的增加,使大气向下长波辐射变大,地表因此吸收了更多的辐射能,温度升高,从而放射出更多的长波辐射.因此污染天的长波辐射值要偏高.图 2(h,i)为污染天与清洁天长波辐射的差异,可以看出,白天由于长波辐射值的增加,差异值也随之增大,夜晚差异值减小,向下、向上长波辐射日变化差异平均值分别为85.0 W·m^-2和70.0 W·m^-2,大于刘丽霞等(2014)对南京地区的分析结果.但二者的差异值除受污染物的影响外还受大气温度的影响.图 3为清洁天和污染天地面与140 m高度上温度平均值的日变化及差值对比.在140 m处,二者的温度差在4时过后才出现正值,因此二者向下长波辐射的差值在4时之前会有负值出现,该负值主要是受两种天气下温度差值的影响.而对2 m温度分析可知,污染天与清洁天的温度差从9时开始才为正值,这也刚好解释了向上长波辐射差在9时过后才表现为正值的现象.图中2 m温度日出前后略有不平滑的现象,是由于观测高度较低、观测点周围的局地因素如人类活动、建筑物遮挡等对温度观测的影响所导致的.

图 3

Fig. 3

图 3 (a)、(b)分别为大气所站140 m和2 m高度清洁天和污染天平均温度日变化及差值对比 Fig. 3 (a)、(b) are diurnal variation of average temperature and the difference between clear and pollution days：(a)is temperature variation of 140 m in IAP and(b)is 2 m in IAP

清洁天和污染天净辐射的变化和差异值与长短波辐射略有不同(见图 2(e,j)),白天清洁天的净辐射值高于污染天,夜间污染天的净辐射值更大,因为夜间净辐射的变化主要受长波辐射的影响,污染物的存在,增加了大气向下长波辐射,使地气系统温度升高,净辐射值要比清洁天高.二者差异白天与短波辐射规律类似,最大值接近50.0 W·m^-2,夜间与长波辐射分布规律一致.

受大气所站观测仪器的限制,清洁、污染天直接和散射辐射的分布以南郊观象台的观测分析为主,如图 4.图 4a为清洁天和污染天的直接、散射辐射分布情况,分析发现二者的日变化均呈单峰型,无论清洁天和污染天,直接辐射要显著高于散射辐射.且污染天的直接辐射值要小于清洁天,因为大气中的污染物衰减了到达地面的直接辐射；相反,污染天的散射辐射高于清洁天,这是由于大量气溶胶的存在增加了粒子对辐射的散射所导致的.图 4(b,c)是污染天与清洁天辐射值差异的日变化,二者差异最大值均出现在中午,其中直接辐射差异最大可达161.1 W·m^-2,散射辐射差异最大72.2 W·m^-2.

图 4

Fig. 4

图 4 南郊观象台清洁天和污染天辐射值及其差异值的日变化 (a)清洁天和污染天直接辐射(Direct)和散射辐射(Scatter)的日变化；(b),(c)分别为直接辐射和散射辐射污染天与清洁天差异的日变化(箱线图同图 2). Fig. 4 Diurnal variation of radiation values and difference of clear and pollution days in January at the southern suburbs of observatory (a)The annual variation of direct radiation(asterisk)and diffuse radiation(block)in clear days(red)and pollution days(blue).(b)(c)are annual variation of difference between pollution and clear days and average visibility in pollution days of direct and diffuse radiation respectively.(Box is the same as Fig. 3)

图 5为各个站点间清洁天和污染天直接辐射、散射辐射和短波辐射的日变化曲线.由图 5(a,b)可见,各个站点直接辐射的峰值均出现在正午,清洁天,两个站点直接和散射辐射几乎相等；但污染天,两个站点直接辐射均呈显著下降,南郊观象台站因位于南部郊区下降的更加明显,散射辐射增加较多.

图 5

Fig. 5

图 5 各站辐射分量的日变化对比 (a)清洁天直接辐射和散射辐射日变化；(b)污染天直接辐射和散射辐射日变化；(c)清洁天短波辐射日变化；(d)污染天短波辐射日变化.图中各符号含义同图 4和表 4. Fig. 5 Compare the diurnal variation of radiation components for each station (a)Diurnal variation of direct and diffuse radiation in clear days；(b)Diurnal variation of direct anddiffuse radiation in pollution days；(c)Diurnal variation of shortwave radiation in clear days；(d)Diurnal variation ofshortwave radiation in pollution days. The symbols are the same as in Fig. 4 and Table 4.

表 4(Table 4)

表 4 1月清洁天和污染天各站12∶00(北京时)短波辐射平均值的比较(单位W·m-2) Table 4 Compare the average of short radiation in clear and pollution days at 12∶00(Beijing time)in January 短波辐射量 大气所 南郊观象台 密云 上甸子 DR(Direct,Scatter) 清洁天 458.3 470.3(400.9,69.4) 445.9 457.8(395.0,62.8) 污染天 424.6 408.3(297.2,111.1) 425.1 439.7(363.9,75.8) 差值 -33.7 -62.0(-103.7,41.7) -15.4 -18.1(-31.1,13.0) 变化率(无量纲) -7.4% -13.2%(-26%,60%) -4.7% -4.0%(-7.8%,20.7%) UR 清洁天 59.1 107.4 93.1 162.9 污染天 53.3 93.3 86.1 162.6 差值 -5.8 -14.1 -6.9 -0.3 变化率(无量纲) -9.8% -13.1% -7.4% -0.2%

表 4 1月清洁天和污染天各站12∶00(北京时)短波辐射平均值的比较(单位W·m-2) Table 4 Compare the average of short radiation in clear and pollution days at 12∶00(Beijing time)in January

由图 5(c,d)可见,无论清洁天和污染天,短波辐射最大值均发生在正午,日变化显著.清洁天(图 5c),各站入射辐射量值大小趋于一致,地表反照率城区最低,其次为郊区密云站,南郊观象台站因下垫面以草地为主,反照率其次,上甸子则受积雪影响反照率偏高.污染天(图 5d),各站入射辐射均有不同程度的衰减,其中南郊观象台站衰减最为显著,其次为城区大气所站,背景站上甸子的辐射值则变化不大.从表 4污染天和清洁天各站短波辐射的对比情况可以发现,入射短波辐射南郊观象台站衰减最严重达13.2%,大气所站其次,为7.4%,上甸子站最小为4.0%,密云站为4.7%.污染天南部郊区站比城区站辐射衰减严重,与北京地区“南北两重天”的污染物分布特征一致(董芬等,2013).反射辐射的衰减南郊观象台站亦最大,衰减率13.1%,虽然南郊站的下垫面以草地为主,但是大气中的气溶胶会增加后向散射作用,使总的反射辐射超过了地表反射辐射(江玉华等,2010).大气所、密云站和上甸子站的辐射衰减很好的反映了从郊区到背景站衰减率依次降低的特征.

图 6(a,b)分别给出了清洁天和污染天各站长波辐射的对比情况,这与图 7(a,b)三个站点不同高度清洁天和污染天平均温度的日变化形成了很好的对应.向上长波辐射的变化主要受地表温度的影响,观测高度越低受地表温度影响越大,向上长波辐射日变化幅度亦越大.从图中可以看出,清洁天三个站点温度,从城区到郊区依次降低,对应向上长波辐射依次减小；三站正午过后温度相接近,因此辐射值相差不大.从日变化幅度上看,上甸子背景站因观测高度最低,因此向上长波辐射日变化幅度最大.而向下长波辐射的变化主要受大气温度的影响,规律与上述相类似.由表 5可见,随着各站点至城区的距离依次增加,长波辐射的变化率从城区到郊区依次减小.大气所向下和向上长波辐射变化率最大,分别为10.5%和5.0%.

图 6

Fig. 6

图 6 各站辐射分量的日变化对比 (a)清洁天长波辐射日变化;(b)污染天长波辐射日变化;(c)清洁天净辐射日变化;(d)污染天净辐射日变化. Fig. 6 Compare the diurnal variation of radiation components in each station (a)The diurnal variation of longwave radiation in clear days;(b)The diurnal variation of longwave radiation in pollution days;(c)The diurnal variation of net radiation in clear days;(d)The diurnal variation of net radiation in pollution days.

图 7

Fig. 7

图 7 (a)、(b)分别为三个站点不同高度清洁天和污染天平均温度对比, 包括大气所2 m和140 m、密云2 m和34 m以及上甸子2 m温度日变化 Fig. 7 (a),(b)are average temperature contrast of three sites of difference heights in clear and pollution days, including temperature variation of 2 m and 140 m in IAP,2 m and 34 m in Miyun and 2 m in Shangdianzi

表 5(Table 5)

表 5 1月各站14∶00(北京时)向下长波辐射和13∶00(北京时)向上长波辐射平均值清洁天和污染天的比较(单位W·m-2) Table 5 Compare the average of downward long radiation at 1 4∶00(Beijing time)and upword long radiation at 13∶00(Beijing time)in January between clear and pollution days 长波辐射量 大气所 密云 上甸子 DLR(14∶00) 清洁天 209.2 220.8 197.5 污染天 231.3 240.0 209.1 差值 22.1 19.2 11.6 变化率(无量纲) 10.5% 8.7% 5.9% ULR(13∶00) 清洁天 315.4 319.2 314.1 污染天 331.3 330.8 324.1 差值 15.9 11.6 10.0 变化率(无量纲) 5.0% 3.6% 3.2%

表 5 1月各站14∶00(北京时)向下长波辐射和13∶00(北京时)向上长波辐射平均值清洁天和污染天的比较(单位W·m-2) Table 5 Compare the average of downward long radiation at 1 4∶00(Beijing time)and upword long radiation at 13∶00(Beijing time)in January between clear and pollution days

图 6(c,d)为各站点净辐射的日变化,清洁天白天大气所站净辐射值最大,这与该站地表反照率最小有关,上甸子站最小,其间南郊和密云站净辐射依次增加,在夜间规律完全相反.两图对比可以发现,白天污染天的净辐射明显低于清洁天,南郊观象台站衰减率最高达14%,这主要是与该站入射辐射衰减严重且反射辐射值偏高有关；但是在夜间,污染天要比清洁天辐射值高,是因为夜间污染物的存在增加了地表面接受的向下长波辐射能,虽使地面温度增加,向上长波辐射增加,但也使地面夜间损失的辐射能减小.

本文利用2013年1月和2014年1月中国科学院大气物理研究所325m铁塔、南郊观象台、密云气象塔、上甸子区域大气本底站四个观测站点的辐射及自动站气象要素数据,研究了北京地区大气污染和城郊差异对地表辐射收支的影响,得到以下结论：

(1) 在大气污染物的作用下,各站污染天入射短波辐射明显小于清洁天,二者差异最大为55.8 W·m^-2,反射辐射差异最大为14.5 W·m^-2.大气污染对直接辐射衰减显著,最大可达161.1 W·m^-2,使散射辐射增加最大可达72.2 W·m^-2.长波辐射污染天高于清洁天,向下、向上长波辐射的变化既与污染物浓度又与气温相关.清洁天白天的净辐射比污染天高,夜间相反,二者差异白天最大接近50 W·m^-2.

(2) 从站间对比上看,污染天入射短波辐射有明显衰减,南郊观象台站衰减率高于大气所站,与北京地区“南北两重天”的污染物分布特征一致.长波辐射的日变化受地表温度和不同高度气温影响,亦呈现从城区到郊区衰减率依次减小的趋势.净辐射南郊观象台站衰减率最高达13%.

需要指出,由于本文仅采用南郊观象台的能见度资料,存在一定的局限性,将在下一步的研究中结合MODIS云量数据和气溶胶浓度数据进一步分析.同时将针对一次污染过程,并与数值模式相结合,进一步深入研究北京地区城郊辐射差异,以提高大气污染对边界层气象要素影响的精细化预报能力.

感谢中国科学院大气物理研究所李爱国、贾京京,中国气象局北京城市气象研究所熊斌,北京市气象信息中心胡天洁等老师在外场观测及资料处理方面的帮助.