利用飞机探测研究北京地区大气边界层结构对污染物空间分布的影响

边界层结构直接影响到大气污染物（污染气体、气溶胶）的分布、扩散、以及输送，是研究大气污染的核心问题之一。近年来一些先进的仪器得以配备使得边界层结构的观测日趋成熟。而对于大气污染物的垂直观测,目前多借助于固定建筑物进行垂直分布的观测，受建筑物高度的限制，只能得到近地层(低于日间边界层)的污染物垂直分布。为此，本课题拟利用搭载在飞机上的在线大气污染物仪器探测边界层内外不同高度污染物的分布特征，并结合综合观测得到的不同天气条件下的边界层结构特征，分析边界层结构对污染物空间分布和区域输送的影响，具体内容包括以下四个方面：（1）通过分析多种观测手段的资料研究北京地区不同天气条件下的边界层结构特征；（2）边界层结构对大气污染物垂直分布的影响；（3）边界层内外大气污染物的水平传输过程；（4）利用观测资料对区域化学气溶胶模式(WRF-Chem)进行观测比较验证；并解析不同区域间大气污染物传输的相互作用。

本课题利用搭载在飞机上的在线大气污染物仪器，探测边界层内外不同高度污染物的分布特征，并结合综合观测得到不同天气条件下的边界层结构特征，分析边界层结构对污染物的空间分布和区域输送的影响。主要研究成果包括： 基于飞机与地面综合观测，获得了北京地区大气污染物的三维分布特征；揭示了不同天气条件下边界层结构特征，研究了边界层结构对地面污染物浓度的影响、以及大气气溶胶与边界层之间的反馈机制；对北京市雾霾形成的机制进行了综合分析研究。分析导致雾霾期间PM2.5浓度飙升的重要因素，并定量化估算了气象条件与二次过程的贡献。揭示了雾霾期间大气污染物的输送特征；研究分析了北京市大气气溶胶的特征(数谱、成分、光学性质)与来源，揭示了雾霾期间气态前体物（SO2、NOx）向颗粒态转化速率大幅增加。通过飞机垂直观测揭示了北京地区低层大气的臭氧和氮氧化物的空间和时间变化；臭氧和氮氧化物混合比的垂直分布不均匀，首次发现臭氧和氮氧化物在边界层内呈负相关，而在边界层外呈正相关。氮氧化物的平均混合比在供暖期有所提高，而臭氧的平均混合比在供暖期有所降低等。