北京地區(qū)不同類(lèi)型降水對(duì)氣溶膠粒子的影響

吳 進(jìn),孫兆彬,翟 亮,李 琛

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北京地區(qū)不同類(lèi)型降水對(duì)氣溶膠粒子的影響

吳 進(jìn)1,2,孫兆彬1*,翟 亮3,李 琛4

(1.中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所,北京 100081；2.京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心,北京 100081；3.北京市氣象臺(tái),北京 100089；4.北京市氣象服務(wù)中心,北京 100089)

利用2013~2015年大氣成分與氣象觀測(cè)資料,分析了北京地區(qū)不同類(lèi)型降水對(duì)氣溶膠粒子的影響,結(jié)果表明:隨著降水強(qiáng)度增大,PM10、PM2.5、PM1濃度下降的時(shí)次比例、濃度下降比例均增大,PM10下降幅度大于PM2.5和PM1;不同類(lèi)型降水對(duì)氣溶膠濃度影響不同,對(duì)流性降水中大氣運(yùn)動(dòng)劇烈,對(duì)3種顆粒物都有快速而顯著的清除效果;穩(wěn)定性降水細(xì)分為3類(lèi),顯著冷空氣型的冷空氣垂直下沉運(yùn)動(dòng)和降水濕清除可使粒子濃度緩慢下降,無(wú)顯著冷空氣但有顆粒物傳輸型的降水過(guò)程對(duì)氣溶膠粒子的濕沉降效果有限,無(wú)顯著冷空氣無(wú)傳輸型氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)可能導(dǎo)致粒子濃度不會(huì)下降;降雪或雨夾雪過(guò)程中隨著降雪強(qiáng)度增大,氣溶膠粒子濃度下降比例增大,但下降時(shí)次比例呈指數(shù)或者對(duì)數(shù)變化.雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的降水過(guò)程更為復(fù)雜,除了上述因素之外,還需考慮雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變帶來(lái)的水滴(雪)粒徑、降水粒子對(duì)周邊氣流的動(dòng)力拖曳作用的變化、冷空氣下沉運(yùn)動(dòng)對(duì)流型的改變.

對(duì)流性和穩(wěn)定性降水；降雪或雨夾雪；大氣運(yùn)動(dòng)；濕清除；氣溶膠；粒徑

近年來(lái)京津冀地區(qū)已成為我國(guó)氣溶膠污染最為嚴(yán)重的地區(qū)[1].在空氣重污染過(guò)程中,如何有效降低氣溶膠濃度已是當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)之一.冬季強(qiáng)冷空氣伴隨的大風(fēng)由于源地清潔且能快速提升大氣容量,能在較短時(shí)間內(nèi)凈化空氣,但僅多發(fā)于冬半年,此外降水等天氣現(xiàn)象可降低氣溶膠濃度,即濕沉降清除.大氣濕沉降是大氣污染物從源到匯的重要環(huán)節(jié),降水粒子通過(guò)慣性碰并等作用將云底下的干氣溶膠粒子帶走;另一方面,氣溶膠粒子作為凝結(jié)核先變?yōu)樵频?再由成百萬(wàn)個(gè)云滴結(jié)合成降水粒子而下落.本文僅對(duì)云層下部即降水過(guò)程中對(duì)顆粒物的的清除開(kāi)展研究.

目前不同類(lèi)型降水過(guò)程對(duì)氣溶膠顆粒的清除作用大小,至今還沒(méi)有統(tǒng)一定論.已有研究表明,降雨過(guò)程對(duì)粗粒子和細(xì)粒子均有去除作用,對(duì)細(xì)粒子的去除作用尤為明顯[2],降雪對(duì)粒徑小于0.03μm的氣溶膠粒子的清除能力較強(qiáng)[3],同時(shí)降水對(duì)氣溶膠堿性化學(xué)組分沖刷效果尤為顯著,且濕沉降作用對(duì)降水化學(xué)組成產(chǎn)生了重要影響[4-11];但是,也有研究表明,降水對(duì)清除氣溶膠粗粒子和改善大氣能見(jiàn)度作用明顯,但降雨前后細(xì)粒子數(shù)濃度變化不大,甚至有所升高[12-13].同時(shí),一些學(xué)者將降水的濕沉降作用剝離出來(lái)進(jìn)行量化[14],利用斯托克斯數(shù)分析了不同粒徑雨滴對(duì)顆粒物的慣性碰并作用,這一研究是在假定大氣穩(wěn)定,空氣中的粒子靜止不動(dòng)的前提下,運(yùn)動(dòng)氣流中的粒子被靜止障礙物(雨滴被假設(shè)為一球體)所捕獲,氣流速度等于雨滴的末速度.另外,早在1967年Friedlandev就利用雷諾數(shù)和貝克來(lái)數(shù)來(lái)討論雨滴對(duì)氣溶膠粒子的捕獲效率,并得到了捕獲效率就是擴(kuò)散到雨滴上的粒子數(shù)與下落雨滴所掃出體積重包含的粒子數(shù)之比.以上假設(shè)和理論對(duì)于理解氣溶膠粒子運(yùn)動(dòng)及降水對(duì)氣溶膠粒子的清除效率具有重要意義,但以上所描述的對(duì)氣溶膠粒子的清除作用可能與真實(shí)大氣相距甚遠(yuǎn),在大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定的條件下,以上理論可能能夠解釋實(shí)際大氣的部分問(wèn)題,但當(dāng)大氣層結(jié)不穩(wěn)定的條件下,用以上理論分析降水過(guò)程則與實(shí)際結(jié)果相距甚遠(yuǎn).

總體看來(lái),以上研究結(jié)論說(shuō)明降水對(duì)不同粒徑粒子的影響效果不一,尤其對(duì)細(xì)顆粒物的去除作用仍有很大爭(zhēng)議.在實(shí)際大氣中,一次完整的降水過(guò)程中氣溶膠濃度變化是大氣運(yùn)動(dòng)和降水濕清除等多種因素的綜合結(jié)果,在云下空氣中,不僅包含雨滴對(duì)氣溶膠粒子的“慣性碰并”等,同時(shí),大氣在降水過(guò)程中的垂直和水平動(dòng)力條件對(duì)氣溶膠粒子也具有很大的影響.以往的研究多重視降水量級(jí)、雨滴譜、雨滴的慣性碰并作用等,而對(duì)降水天氣中與之相伴的大氣動(dòng)力機(jī)制有所忽視,不同類(lèi)型的降水天氣可導(dǎo)致雖具有相同的降水量級(jí),但對(duì)氣溶膠粒子卻產(chǎn)生完全迥異的清除效果.所以,本文為深入研究真實(shí)大氣中降水過(guò)程對(duì)氣溶膠粒子的影響,從不同降水的性質(zhì)(穩(wěn)定性、對(duì)流性)及降水量級(jí)角度出發(fā),將降水濕沉降與大氣動(dòng)力條件有機(jī)結(jié)合,更全面闡釋氣溶膠粒子降水前后濃度變化機(jī)制.

1 材料與方法

選取北京市氣象局大氣成分觀測(cè)站朝陽(yáng)(39°57￠N, 116°30￠E)、昌平(40°13￠N, 116°13￠E) PM10、PM2.5、PM1質(zhì)量濃度逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖1),數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度為2013年1月1日~2015年12月31日,兩個(gè)測(cè)站均采用GRIMM180環(huán)境顆粒物監(jiān)測(cè)儀.同時(shí),還使用京津冀地區(qū)國(guó)控大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的PM2.5質(zhì)量濃度逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其中北京有12站,天津15站,河北53站(http://www.cnemc.cn/).氣象資料來(lái)源于人工觀測(cè)和地面自動(dòng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù), NCEP(1o×1o)再分析逐6小時(shí)氣象資料.風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)分別位于北京市代表站北京市觀象臺(tái)(39°48￠N,116°28￠E,簡(jiǎn)稱(chēng)觀象臺(tái))、海淀(39°59￠N,116°17￠E)(圖1),兩部雷達(dá)均為頻率1270~1375MHz、探測(cè)高度10km的L波段低對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá),探測(cè)數(shù)據(jù)的垂直分辨率120m,共分59層,時(shí)間分辨率為6min.地面風(fēng)場(chǎng)采用流線(xiàn)形式顯示.海淀雨滴譜儀HSC-OTT Parsivel EF 是由北京華創(chuàng)維想公司與德國(guó)OTT公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基于現(xiàn)代激光技術(shù)的光學(xué)測(cè)量?jī)x器,液態(tài)降水類(lèi)型粒徑的測(cè)量范圍為0.2~5mm,固態(tài)降水類(lèi)型粒徑測(cè)量范圍為0.2~25mm,可對(duì)速度為0.2~20m/s的降水粒子進(jìn)行測(cè)量.氣象數(shù)據(jù)均通過(guò)北京市氣象局信息中心質(zhì)控后使用.文中無(wú)特殊說(shuō)明均為北京時(shí).

圖1 觀象臺(tái)、海淀、朝陽(yáng)、昌平氣象觀測(cè)站位置

▲觀象臺(tái)、海淀,●朝陽(yáng)、昌平

2 降水過(guò)程中不同粒徑顆粒物的濃度變化

對(duì)朝陽(yáng)、昌平站2013~2015年平均2036個(gè)降水時(shí)次進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)(表1),分析PM10、PM2.5、PM1濃度變化.利用降水前后濃度對(duì)比,反映的應(yīng)是降水濕沉降和大氣動(dòng)力耦合的共同結(jié)果.分析表明,隨著降水雨強(qiáng)(1h降水量)增大,3種粒徑顆粒物下降時(shí)次比例、濃度下降比例均有所增大,粗顆粒物(PM10)的下降幅度大于細(xì)顆粒物(PM2.5、PM1);當(dāng)雨強(qiáng)0~1mm/h時(shí), PM10濃度上升582個(gè)時(shí)次,占總樣本45%,PM2.5濃度上升691個(gè)時(shí)次,占總樣本51%,PM1濃度上升677個(gè)時(shí)次,占總樣本52%.降水過(guò)程對(duì)不同粒徑的顆粒物清除效果不明顯,尤其PM2.5和PM1濃度超過(guò)50%的時(shí)次都不降反升,且濃度上升比例顯著大于PM10;當(dāng)雨強(qiáng)310mm/h時(shí),PM10下降時(shí)次占總樣本71%,濃度平均下降35%, PM2.5下降時(shí)次占總樣本70%,濃度平均下降32%,PM1下降占總樣本67%,濃度平均下降31%.降水過(guò)程對(duì)不同粒徑的顆粒物清除效果明顯,對(duì)粗顆粒物的清除效果尤為顯著.總體上,結(jié)論與已有研究結(jié)果基本一致[15-16].雖然雨強(qiáng)增大時(shí)對(duì)顆粒物的清除作用增強(qiáng),但即使雨強(qiáng)310mm/h,仍有28%~33%的時(shí)次不同粒徑顆粒物濃度上升,且相同雨強(qiáng)下,顆粒物濃度時(shí)而下降時(shí)而上升,這與降水的類(lèi)型和天氣系統(tǒng)的特點(diǎn)密不可分,所以還需進(jìn)一步分析降水性質(zhì)及對(duì)應(yīng)的大氣垂直和水平動(dòng)力作用.

表1 不同雨強(qiáng)下PM10、PM2.5、PM1濃度變化

3 不同類(lèi)型降水過(guò)程對(duì)氣溶膠粒子的影響

2013~2015年共計(jì)降水151次,根據(jù)降水類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi),其中對(duì)流性降水(降水伴有雷電、冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流性天氣)114次,樣本時(shí)次1177個(gè);穩(wěn)定性降水37次,樣本時(shí)次499個(gè);雨夾雪及降雪過(guò)程14次,樣本時(shí)次360個(gè).

3.1 對(duì)流性降水過(guò)程

通過(guò)對(duì)1177個(gè)對(duì)流性降水樣本時(shí)次進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示(表2),隨著雨強(qiáng)增大,PM10、PM2.5、PM1下降時(shí)次比例、濃度下降比例都顯著增大,結(jié)論與表1相似,但3種粒子濃度下降比例增幅更大.

以2014年6月6日一次典型對(duì)流性降水為例,在12:00~13:00小時(shí)降水量最大的時(shí)段中,PM10、PM2.5、PM1濃度分別從73、60、40μg/m3快速降至10μg/m3以下(圖2).

表2 對(duì)流性降水不同雨強(qiáng)下PM10、PM2.5、PM1濃度變化

圖2 朝陽(yáng)站2014年6月6日PM10、PM2.5、PM1濃度和降水量

強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生過(guò)程中,大氣運(yùn)動(dòng)極為劇烈.圖3是用2014年6月6日12:00的觀象臺(tái)地面溫度訂正了8:00的溫度壓力對(duì)數(shù)圖(又稱(chēng)探空?qǐng)D),灰色陰影代表CAPE(大氣不穩(wěn)定能量)的大小,陰影越大則不穩(wěn)定能量越大.本次降水前CAPE達(dá)1327J/kg.14:00前后700~500hPa出現(xiàn)最大值為0.42m/s的上升運(yùn)動(dòng),而天氣學(xué)中天氣尺度系統(tǒng)的上升運(yùn)動(dòng)量級(jí)為10-2m/s,0.42m/s已接近中小尺度系統(tǒng)的上升量級(jí)(100m/s),故大氣垂直方向上強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)極有利于氣溶膠粒子的擴(kuò)散和稀釋[17];與此同時(shí),13:00前后地面還出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)天氣,雷暴大風(fēng)[18]一旦產(chǎn)生不僅短時(shí)間內(nèi)在大氣垂直方向上下沉運(yùn)動(dòng)劇烈,本個(gè)例中最大下沉速度達(dá)7m/s以上,遠(yuǎn)超出了天氣尺度垂直運(yùn)動(dòng)的量級(jí)(圖4),同時(shí),水平風(fēng)速突增,13:00朝陽(yáng)地區(qū)水平風(fēng)速達(dá)8~10m/s(圖5),即5級(jí)風(fēng)力.總體上,該次降水發(fā)生過(guò)程中強(qiáng)上升與中小尺度的強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)共存,大氣運(yùn)動(dòng)劇烈,極有利于氣溶膠粒子的擴(kuò)散和清除,故在1h甚至更短時(shí)間內(nèi)對(duì)不同粒徑的顆粒物都有快速而顯著的清除效果.王莉莉等[19]通過(guò)分析天氣型表明槽或槽前降水常使區(qū)域環(huán)境質(zhì)量達(dá)到谷值,為清除天氣型.而該類(lèi)降水大氣多為不穩(wěn)定狀態(tài).

圖3 北京市觀象臺(tái)2014年6月6日探空?qǐng)D

圖4 2014年6月6日觀象臺(tái)風(fēng)廓線(xiàn)風(fēng)場(chǎng)和下沉速度

圖5 北京地區(qū)2014年6月6日13:00地面風(fēng)場(chǎng)

3.2 穩(wěn)定性降水過(guò)程

非對(duì)流性(穩(wěn)定性)降水雨強(qiáng)較小,統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)未有雨強(qiáng)310mm/h的個(gè)例.499個(gè)降水時(shí)次中(表3),隨著雨強(qiáng)增大,PM10下降時(shí)次和濃度下降比例呈增大趨勢(shì),而PM2.5、PM1雖然下降時(shí)次比呈增大趨勢(shì),但濃度下降比例在1~5mm/h時(shí)基本無(wú)變化,35mm/h呈減小趨勢(shì),說(shuō)明在穩(wěn)定性降水中細(xì)顆粒物濃度變化較為復(fù)雜.當(dāng)降水過(guò)程中大氣運(yùn)動(dòng)不劇烈時(shí),細(xì)顆粒物濃度變化與多種因素有關(guān),如降水前空氣質(zhì)量[20]、冷空氣強(qiáng)度、區(qū)域傳輸、氣溶膠吸濕增長(zhǎng)等條件.根據(jù)細(xì)顆粒物變化情況,再將穩(wěn)定性降水分為顯著冷空氣型、無(wú)顯著冷空氣有傳輸型、無(wú)顯著冷空氣無(wú)傳輸型.

表3 穩(wěn)定性降水不同雨強(qiáng)下PM10、PM2.5、PM1濃度變化

3.2.1 顯著冷空氣型穩(wěn)定性降水 圖6為2015年3月31日一次穩(wěn)定性降水,此次過(guò)程雨強(qiáng)均在4mm/h以?xún)?nèi),未出現(xiàn)對(duì)流性天氣現(xiàn)象.降水期間08:00~13:00 3種粒徑的粒子濃度變化緩慢, PM2.5、PM1在09:00~10:00雨強(qiáng)最大時(shí)段未出現(xiàn)顯著下降,11:00之后3種粒徑粒子均緩慢下降, 14:00PM2.5、PM1濃度回落至100μg/m3以下.

圖6 朝陽(yáng)站2015年3月31日PM10、PM2.5、PM1濃度和降水量

圖7 2015年3月30~31日NCEP再分析資料垂直分布

時(shí)間為世界時(shí),陰影部分為垂直速度(Pa/s),虛線(xiàn)為溫度(℃)

該次降水過(guò)程中,天氣尺度上升運(yùn)動(dòng)較弱,但弱冷空氣活動(dòng)清晰,從31日08:00 高度為850hPa的8℃等溫線(xiàn)不斷下降(圖7),說(shuō)明低層有冷平流影響,冷空氣的下沉運(yùn)動(dòng)從最大雨強(qiáng)出現(xiàn)后的11:00開(kāi)始逐漸加強(qiáng),最強(qiáng)出現(xiàn)在20:00,與3種粒徑的氣溶膠粒子開(kāi)始緩慢下降的時(shí)間段相同,且粒子濃度下降幅度增大時(shí)段(11:00~14:00)與下沉運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)時(shí)段一致;期間地面風(fēng)場(chǎng)一直維持2~3m/s的偏東風(fēng).粒子濃度下降時(shí)段與冷空氣下沉增強(qiáng)時(shí)段基本一致.綜合看來(lái),冷空氣的垂直下沉運(yùn)動(dòng)與降水清除作用共同導(dǎo)致3種粒徑粒子濃度緩慢下降.

3.2.2 無(wú)顯著冷空氣有傳輸型穩(wěn)定性降水 北京地區(qū)大氣污染過(guò)程中顆粒物濃度迅速增長(zhǎng)大多與對(duì)流層底層西南風(fēng)或東南風(fēng)的區(qū)域輸送密切相關(guān)[21-25].圖8為2015年2月20日一次穩(wěn)定性降水過(guò)程,該降水23:00前為小雨,之后轉(zhuǎn)為雨夾雪或雪.從13:00開(kāi)始PM10、PM2.5、PM1濃度一直呈陡升趨勢(shì),同時(shí)從100μg/m3以下上升至170μg/m3以上,19:00~23:00降水期間3種粒徑的氣溶膠粒子濃度仍快速上升.

圖8 朝陽(yáng)站2015年2月20~21日PM10、PM2.5、PM1濃度和降水量

20日13:00京津冀PM2.5濃度分布呈南高北低模態(tài),PM2.5濃度高值區(qū)位于河北邯鄲一帶(圖略),隨著對(duì)流層底層南風(fēng)流場(chǎng)維持,21:00PM2.5濃度高值區(qū)北推至河北中部太行山沿山一帶,北京地區(qū)的PM2.5濃度隨之顯著升高(圖9).后向軌跡分析表明(圖10),地面10m、500m氣團(tuán)來(lái)源于北京以南地區(qū),500m移速略大于10m,1000m氣團(tuán)來(lái)自高空下沉,進(jìn)一步驗(yàn)證了北京地區(qū)近地面污染物來(lái)源于河北中部區(qū)域輸送,而降水對(duì)氣溶膠的濕沉降作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣溶膠區(qū)域輸送作用.所以,當(dāng)在區(qū)域重污染背景下有明顯污染物輸送的穩(wěn)定性降水過(guò)程中,弱降水的濕沉降作用基本可被忽略,而且因地面水汽和雨滴在空氣中蒸發(fā)會(huì)增加空氣中的相對(duì)濕度,顆粒物吸濕度增長(zhǎng),在雨滴和顆粒物共同消光作用下能見(jiàn)度進(jìn)一步降低.

圖9 京津冀地區(qū)2015年2月20日21:00 PM2.5濃度和流場(chǎng)

圖10 北京地區(qū)2015年2月19日20:00~20日20:00后向軌跡分布

3.2.3 無(wú)顯著冷空氣無(wú)傳輸型穩(wěn)定性降水 此類(lèi)降水過(guò)程中氣溶膠粒子濃度變化機(jī)制較為復(fù)雜,為重污染天氣預(yù)報(bào)的難點(diǎn)之一.本文提出幾種可能機(jī)制.圖11為2014年5月24日一次穩(wěn)定性降水,雨勢(shì)平緩,未伴隨對(duì)流性天氣現(xiàn)象.4:00~ 12:00降水期間,除5:00~6:00小時(shí)雨強(qiáng)大于5mm時(shí),3種粒徑粒子濃度略有下降之外,其他時(shí)次基本穩(wěn)定維持或略有上升,其中6:00~8:00上升幅度較大.

京津冀地面流場(chǎng)顯示(圖12),6:00~8:00北京盛行偏東氣流,但風(fēng)速不大,上游PM2.5濃度較北京略低.但在濕偏東氣流影響下,北京的相對(duì)濕度在2:00~6:00升高了50%(圖13),露點(diǎn)升高了3.3 ℃,說(shuō)明北京地區(qū)的絕對(duì)水汽含量大幅上升,且8:00~ 9:00相對(duì)濕度略有下降的同時(shí)氣溶膠粒子濃度也略有下降,二者變化趨勢(shì)接近,故推斷氣團(tuán)快速增濕導(dǎo)致氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)可能是粒子濃度上升的氣象原因.5:00~6:00小時(shí)雨強(qiáng)大于5mm/h時(shí)氣溶膠粒子濃度略有下降,考慮可能與雨滴濕沉降作用有關(guān).當(dāng)不存在明顯區(qū)域輸送,大氣垂直和水平運(yùn)動(dòng)并不劇烈的條件下,降水濕沉降作用可能有所凸顯,影響規(guī)律基本遵循本研究第二部分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,但與此同時(shí),近地面濕度的增大又對(duì)氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)有正貢獻(xiàn),此類(lèi)過(guò)程中氣溶膠粒子濃度上升還是下降的不確定性較大.

圖11 朝陽(yáng)站2014年5月24日PM10、PM2.5、PM1濃度和降水量

圖12 京津冀地區(qū)2014年5月24日06:00 PM2.5濃度和流場(chǎng)

圖13 朝陽(yáng)站2014年5月24日露點(diǎn)和相對(duì)濕度

3.3 降雪或雨夾雪過(guò)程

通過(guò)統(tǒng)計(jì)降雪或雨夾雪360個(gè)時(shí)次(表4)顯示,隨著小時(shí)降雪量增大,3種粒徑的粒子濃度下降百分比都呈增大趨勢(shì),但濃度下降時(shí)次百分比呈拋物線(xiàn)變化,1~2mm時(shí)下降時(shí)次百分比最大,隨著降雪量增大或者減小,下降時(shí)次百分比均上升.

以2013年2月3日中雪過(guò)程為例,小時(shí)降雪量均小于1mm,降雪期間PM10、PM2.5、PM1濃度呈上升趨勢(shì)(圖14).降雪期間無(wú)明顯冷空氣影響,對(duì)流層中低層垂直溫度梯度小,925hPa維持-4℃左右,且無(wú)強(qiáng)烈垂直運(yùn)動(dòng)(圖15).氣溶膠粒子的濃度變化受降雪濕清除影響較小,主要是由于區(qū)域傳輸以及氣溶膠內(nèi)部因素等影響.

表4 降雪或雨夾雪過(guò)程中PM10、PM2.5、PM1濃度變化

圖14 朝陽(yáng)站2013年2月3日PM10、PM2.5、PM1濃度和降雪量

圖15 2013年2月2~3日NCEP再分析資料垂直分布

世界時(shí),陰影部分為垂直速度Pa/s,虛線(xiàn)為溫度,高度單位hPa

4 討論

上述幾類(lèi)降水都發(fā)生在同一相態(tài)下,水滴相態(tài)并未發(fā)生改變.但當(dāng)發(fā)生雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變后,雨滴粒徑也將發(fā)生變化,這類(lèi)降水對(duì)氣溶膠粒子的影響機(jī)制更為復(fù)雜.2016年11月20~21日北京出現(xiàn)初雪過(guò)程(圖16),20日以穩(wěn)定性小雨為主, 16:00~ 23:00 3種粒徑氣溶膠粒子濃度從60~ 120mg/m3逐漸下降至20mg/m3;22:00~24:00轉(zhuǎn)為雨夾雪后繼而轉(zhuǎn)為雪,21日以降雪為主,0:00~ 4:00降雪期間除了PM1.0外,PM2.5、PM10濃度有所上升.

圖16 2016年11月20~21日PM10、PM2.5、PM1濃度

如圖17所示,17(a)、(b)、(c)為降雨過(guò)程,(d)、(e)、(f)為雨轉(zhuǎn)雪的過(guò)程,降水粒子粒徑明顯增大.對(duì)于使用斯托克斯數(shù)(Stk)來(lái)討論雨滴對(duì)顆粒物的清除作用,Stk正比于/,為降水粒子的末速度,為降水粒子的半徑.Twomey[26]提出當(dāng)降水粒子的半徑超過(guò)40mm時(shí),就會(huì)明顯偏離斯托克斯定律,當(dāng)Stk=1時(shí),粒子均能被有效捕獲,而斯托克斯數(shù)很小的粒子捕獲效率很低甚至不能被捕獲.20~21日雨雪期間無(wú)論其中哪個(gè)階段在慣性捕獲顆粒物的過(guò)程中U/R的比值都非常小,對(duì)小粒徑顆粒物捕獲效率很低.但是實(shí)際上真實(shí)大氣中的顆粒物濃度出現(xiàn)兩次明顯下降,尤其是在20日16:00~ 23:00降水粒子的粒徑接近1000mm時(shí),PM1濃度也出現(xiàn)了明顯下降.Twomey[26]認(rèn)為對(duì)于小雨滴來(lái)說(shuō),流型呈粘滯性,當(dāng)雨滴半徑接近或者超過(guò)1000mm時(shí),流型逐漸變?yōu)橥牧餍?因此U/R隨半徑增加而減少被由于流型改變而造成的更有效捕獲所彌補(bǔ),由降水粒子拖曳和大氣冷空氣混合在一起形成下沉運(yùn)動(dòng)(圖略)與以上提到的由于流型改變所形成的捕獲效應(yīng)一起降低了大氣中顆粒物的濃度,而僅僅用斯托克斯數(shù)的相關(guān)討論來(lái)指導(dǎo)大氣中降水天氣對(duì)污染物清除是不妥當(dāng)?shù)?降水和降雪粒子對(duì)周邊空氣的動(dòng)力拖曳,配合系統(tǒng)冷空氣的動(dòng)力作用對(duì)流型的改變,將給用斯托克斯數(shù)來(lái)討論降水過(guò)程對(duì)顆粒物的清除效果帶來(lái)極大障礙.

(a)、(b)、(c) 2016年11月20日, (d)、(e)、(f) 2016年11月21日

另外,氣溶膠中包含著大量彼此相互作用著的粒子,在湍流、空氣動(dòng)力、布朗運(yùn)動(dòng)、電學(xué)、漂移及其他因素作用下,粒子間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),彼此接觸及凝聚.通過(guò)凝聚,粒子能從一種尺度范圍快速轉(zhuǎn)化為另一種很不相同的尺度范圍[26].需要說(shuō)明的是,氣溶膠中粒子的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜,本研究并非對(duì)氣溶膠粒子的相關(guān)規(guī)律面面俱到,僅從不同降水類(lèi)型的大氣動(dòng)力機(jī)制和濕清除作用為切入點(diǎn)來(lái)研究降水對(duì)氣溶膠粒子的影響.但在具體降水過(guò)程中,尤其是大氣復(fù)合型重污染天氣下,應(yīng)針對(duì)氣象條件和大氣物理化學(xué)等因素綜合考慮.

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)對(duì)2013~2015年觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,隨著降水雨強(qiáng)增大,PM10、PM2.5、PM13種粒徑粒子下降時(shí)次比例、濃度下降比例均有所增大,但PM10的下降幅度大于PM2.5和PM1.當(dāng)雨強(qiáng)0~1mm/h時(shí),PM2.5、PM1上升比例均顯著大于PM10;當(dāng)雨強(qiáng)310mm/h時(shí),降水過(guò)程對(duì)不同粒徑的顆粒物清除效果明顯,對(duì)粗顆粒物去除效果尤為顯著.

5.2 對(duì)流性降水由于大氣運(yùn)動(dòng)劇烈,不同粒徑的顆粒物濃度能在短時(shí)間內(nèi)迅速降低,且隨著雨強(qiáng)增大,下降時(shí)次比例和濃度下降比例越大.

5.3 顯著冷空氣型穩(wěn)定性降水可使3種粒徑粒子濃度緩慢下降;無(wú)顯著冷空氣有傳輸型穩(wěn)定性降水對(duì)氣溶膠粒子的濕沉降作用基本可忽略,以傳輸作用為主;無(wú)顯著冷空氣無(wú)傳輸型穩(wěn)定性降水的氣溶膠粒子濃度變化機(jī)制較為復(fù)雜,本研究提出幾種可能機(jī)制,氣團(tuán)快速增濕時(shí)氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)可能導(dǎo)致粒子濃度不會(huì)下降.

5.4 降雪或雨夾雪過(guò)程隨著降雪強(qiáng)度增大,氣溶膠濃度下降比例增大,但下降時(shí)次比例呈指數(shù)或?qū)?shù)變化,降雪量在1~2mm/h下降時(shí)次比例最大.

5.5 雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的降水過(guò)程更為復(fù)雜,除了上述因素之外,還需考慮雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)變帶來(lái)的水滴(雪)粒徑、降水粒子拖曳和冷空氣下沉運(yùn)動(dòng)與流型改變的影響.

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致謝：本文雨滴譜數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用是由北京旗云創(chuàng)科科技有限責(zé)任公司王永博士協(xié)助完成,在此表示感謝.

Effects of different types of precipitation on aerosol particles in Beijing.

WU Jin1,2, SUN Zhao-bin1*, ZHAI Liang3, LI Chen4

(1.Institute of Beijing Urban Meteorology, China Meteorlolgical Adminstration, Beijing 100081, China；2.Beijing-Tianjin-Hebei Prediction and Early Warning Center for Environmental Meteorology, Beijing 100081, China；3.Beijing Municipal Weather Forecast Center, Beijing 100089, China；4.Beijing Meteorological Service Center, Beijing 100089, China)., 2018,38(3)：812~821

Based on the environmental and meteorological data during 2013~2015, the influence of different types of precipitation on aerosol particles was analyzed. The results showed that with the increasing rainfall precipitation, the concentration decrease ratio and mean of PM10, PM2.5, PM1increased. PM10declined more than PM2.5and PM1. Different types of precipitation leaded to different effect on aerosol concentration. To the convective precipitation, atmospheric motion was fierce, which had a rapid and significant effect on scavenging of particles with different diameters. Stable rainfall was subdivided into three categories. To significant cold air type, the descending motion and wet scavenging may make particles concentration decreased slowly. To no-significant cold air and transmission type, the wet scavenging of stability weak precipitation could be neglected. To no-significant cold air and no-transmission type, rapid air humidification which made aerosol particle hygroscopic growth may lead to the concentration of particles not decreased. In snow or sleet process, with snowfall intensity increased, aerosol particle concentration decreased ratio increased.The ratio of the decrease was exponential and logarithmic. The precipitation process with snow and snow phase transition was more complicated. Besides the above factors, it was necessary to consider the influence of the change of the water droplet (snow) size caused by the change of snow phase phase, the dynamic drag action of precipitation particles on the surrounding air, the cold air subsidence movement and the change of flow situation type.

convection and stability precipitation；snow and sleet；atmospheric motion；wet scavenging；particles；particle sizes

X513

A

1000-6923(2018)03-0812-10

吳 進(jìn)(1984-),女,新疆五家渠人,工程師,碩士,主要從事大氣環(huán)境相關(guān)的研究工作.發(fā)表論文6篇.

2017-08-25

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8161004,8172051);北京市科技計(jì)劃課題(Z151100002115045);國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41605110);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(IUMKY201724)

* 責(zé)任作者, 副研究員, zbsun@ium.cn