王昕然，苗世光，竇軍霞，董璠，王京麗

1 中國氣象科學(xué)研究院，北京 1000812 中國氣象局北京城市氣象研究所，北京 1000893 中國氣象局京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心，北京 100089

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大氣污染對北京冬季城市和郊區(qū)輻射收支影響的觀測分析

王昕然1,2，苗世光2*，竇軍霞2，董璠3，王京麗2

1 中國氣象科學(xué)研究院，北京 1000812 中國氣象局北京城市氣象研究所，北京 1000893 中國氣象局京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心，北京 100089

近年來城市化和大氣污染對輻射收支的影響日益顯著.本研究利用2013—2014年中國科學(xué)院大氣物理研究所325m鐵塔、南郊觀象臺、密云氣象塔、上甸子區(qū)域大氣本底站四個(gè)觀測站點(diǎn)的輻射及自動站氣象要素?cái)?shù)據(jù)，采用南郊觀象臺的能見度資料將觀測數(shù)據(jù)分為清潔天和污染天，并進(jìn)行類比分析，以1月份為例，研究了北京地區(qū)大氣污染和城郊差異對輻射收支的影響.結(jié)果表明：(1) 從月平均值來看，各站污染天入射短波輻射均小于清潔天，衰減最大可達(dá)55.8 W·m-2，直接輻射亦然，衰減最大可達(dá)161.1 W·m-2，散射輻射相反，增加最大值為72.2 W·m-2；長波輻射污染天大于清潔天，向下向上長波輻射增加最大值分別為85.0 W·m2和70.0 W·m-2，且長波輻射的衰減與污染物濃度和大氣溫度相關(guān)；凈輻射白天污染天小于清潔天，夜間相反.(2) 從各站的對比可知，大氣污染對入射短波輻射的衰減，南部郊區(qū)(13.2%)大于北部城區(qū)(7.4%)，與北京地區(qū)“南北兩重天”的污染物分布特征一致；且污染物對長短波輻射的影響呈現(xiàn)了從城區(qū)到郊區(qū)衰減率依次減小的現(xiàn)象.本研究為大氣污染與氣象條件的相互作用研究提供了觀測基礎(chǔ).

大氣污染；輻射收支；城市；郊區(qū)；北京

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人為活動產(chǎn)生的污染物迅速增加，更多的污染物質(zhì)排放到大氣中，使環(huán)境問題日益嚴(yán)峻.近年來我國區(qū)域性大氣污染事件頻發(fā)，城市污染加劇，嚴(yán)重的氣溶膠污染使到達(dá)地面的輻射能減小，IPCC第五次工作報(bào)告指出當(dāng)今氣溶膠全球總有效輻射強(qiáng)迫為-0.9 W·m-2，它對氣候系統(tǒng)總體上具有冷卻效應(yīng)(張小曳等,2014).同時(shí)伴隨我國城市化進(jìn)程加劇，能源的消耗、城市的建筑物密度和人口數(shù)量顯著增加，導(dǎo)致局地氣象狀況和地表特性顯著變化，這在一定程度上改變了城市和郊區(qū)的輻射狀況.因此，北京作為城市化進(jìn)程快、受霧霾影響嚴(yán)重的主要城市之一，研究城市化及大氣污染對北京城市和郊區(qū)地表特性和輻射的影響具有重要意義.

考慮到城郊下墊面差異對輻射的影響，Oke和Fuggle(1972)對晴朗夜間城市和郊區(qū)向下長波輻射的對比研究指出，由于夜間城市熱島效應(yīng)顯著，向下長波輻射城市高于郊區(qū).Estournel等(1983)通過對5月和10月無云天氣下城郊向下輻射通量觀測分析發(fā)現(xiàn)，全天向下輻射通量城區(qū)要比郊區(qū)高(約15～25 W·m-2).White等(1978)分析了無云天氣下城市和郊區(qū)各輻射分量的變化，發(fā)現(xiàn)城郊入射輻射幾乎相等，反射輻射郊區(qū)更高，獲得的凈輻射城市大于郊區(qū)，差異為4%.Peterson和Stoffel(1980)對圣路易斯冬季無云天氣下的觀測輻射數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，城市和郊區(qū)入射輻射在冬季相差4.5%，郊區(qū)站間相差2%，且這種差異和風(fēng)向有關(guān).

從國內(nèi)外的研究中發(fā)現(xiàn)，大氣污染物的輻射強(qiáng)迫作用日趨顯著.從全球尺度上看，高污染區(qū)為入射輻射的主要衰減區(qū)，年衰減率為0.41 W·m-2·a-1(Alpert et al.,2005)；在歐洲，大氣中氣溶膠的排放同云量相比會對入射短波輻射有更加顯著的散射和吸收(Norris and Wild,2007).在埃及，通過對晴空下月平均輻射值的定量觀測，發(fā)現(xiàn)污染物對冬季入射短波輻射的衰減可達(dá)22%，遠(yuǎn)高于夏季的9.3%(Elminir,2007).在中國，由于霧霾天氣的增多，在云量逐漸減小的情況下，輻射值發(fā)生了顯著的衰減(Qian et al.,2006).周秀驥等(1998)結(jié)合觀測資料和中國區(qū)域氣候模式指出，中國地區(qū)氣溶膠輻射強(qiáng)迫范圍在-5.3～-13 W·m-2之間.陳長和等(1993)研究了受煙霧層影響的蘭州地區(qū)城郊?xì)馊苣z輻射效應(yīng).發(fā)現(xiàn)正午煙霧層使得城區(qū)直接輻射衰減比郊區(qū)高58.9%，總輻射高28.5%，且隨著污染物濃度的加重，向下長波輻射增加明顯.田文壽等(1999)利用蘭州地區(qū)兩個(gè)垂直高度差620 m站點(diǎn)的觀測資料分析了山谷煙霧層對入射輻射的衰減情況，得出晴空總衰減最高為34.9%，最低為20.3%.劉麗霞等(2014)對長三角城市群區(qū)研究表明，白天氣溶膠對于太陽輻射能的削弱大于對地面有效輻射的削弱，并使得地面凈輻射量減少約46.3 W·m-2.Wang等(2005)對325 m鐵塔進(jìn)行垂直觀測發(fā)現(xiàn)，輕微污染時(shí)從325 m到地面輻射衰減約30 W·m-2,重污染時(shí)衰減110 W·m-2.但是對于北京地區(qū)大氣污染對城市和郊區(qū)輻射收支影響的研究開展較少.

冬季為京津冀地區(qū)霾事件的主要高發(fā)期且冬季霾高值區(qū)面積較大(張英娟等,2015)，2013年1月，在中國東部亦出現(xiàn)了數(shù)次大范圍的持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣(王自發(fā)等,2014;張人禾等,2014)，因此本文選取了北京地區(qū)四個(gè)城郊觀測站點(diǎn)2013—2014年的輻射數(shù)據(jù)，以1月份為例，開展了大氣污染對單站及對城市和郊區(qū)站點(diǎn)輻射收支影響的對比分析，具有北京地區(qū)重污染季節(jié)的代表性，為大氣污染與氣象條件的相互作用研究提供觀測基礎(chǔ).

2 觀測資料及篩選方法

2.1 觀測站點(diǎn)與資料情況

本文的輻射資料取自2013年1月和2014年1月北京地區(qū)四個(gè)城郊觀測站點(diǎn).這四個(gè)站點(diǎn)分別為：中國科學(xué)院大氣物理研究所325 m鐵塔(簡稱大氣所站)，南郊觀象臺(又稱54511站)，密云氣象塔(簡稱密云站)，上甸子區(qū)域大氣本底站(簡稱上甸子站).各站點(diǎn)所使用的輻射儀器見表1，大氣所和密云站通過數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)(CR5000，Campbell,USA)，并以1 hr計(jì)算平均值(苗世光等，2012)，單位為W·m-2.南郊觀象臺數(shù)據(jù)采集后計(jì)算得1 hr累積值，單位為M J·m-2，換算成1 hr平均值(輻照度)后，約為277.8 W·m-2.上甸子站使用轉(zhuǎn)換后的分鐘數(shù)據(jù)，亦通過計(jì)算得到小時(shí)平均.因文中所選用的城郊觀測站點(diǎn)所在區(qū)域下墊面性質(zhì)的差異，導(dǎo)致各自的粗糙子層高度不一致，即對輻射觀測高度的要求不一致，因此各站的觀測高度均位于其粗糙子層以上，可較好的代表所在區(qū)域的輻射平衡狀況.

表1 各觀測站點(diǎn)輻射儀器說明

圖1為基于2009年Landsat-TM高分辨率衛(wèi)星資料反演的北京地區(qū)下墊面類型，表2為北京市1∶2000比例尺地形圖矢量數(shù)據(jù)計(jì)算的站點(diǎn)周邊建筑物及用地特征參數(shù).由以下圖表可知，從下墊面類型看，中國科學(xué)院325 m鐵塔位于高密度城區(qū)，南郊觀象臺和密云氣象塔位于高中密度相結(jié)合的城區(qū)，上甸子站的下墊面以綠地為主.從周邊建筑物及用地特征參數(shù)看，大氣所站(大氣所140 m觀測高度對應(yīng)輻射覆蓋范圍是4 km×4 km(Schmid,1997))平均建筑物高度和不透水面積百分比均最高，分別為18.1 m，83.3%；而密云雖位于高中密度相結(jié)合的城區(qū)，但平均建筑物高度和不透水面積百分比僅為6.3 m和57.5%，因此大氣所站是有代表性的城區(qū)站，密云站為北部郊區(qū)站.南郊觀象臺站因觀測高度的限制，輻射源區(qū)較小，不透水百分率較低，下墊面特征反映的是觀測場的基本情況，但是向下的輻射可以反映南部郊區(qū)站的輻射特征.上甸子作為我國最早建立的區(qū)域大氣本底站(權(quán)維俊等,2009)，位于華北平原北部，距離北京市區(qū)約150 km，所觀測的數(shù)據(jù)代表了華北地區(qū)的區(qū)域大氣本底特征(宋建洋,2013).

表2 各站周邊建筑物及用地特征參數(shù)

圖1 研究區(qū)域土地利用類型和觀測站點(diǎn)分布Fig.1 Land use types and distribution of observation sites of study area

圖2 大氣所站1月清潔天和污染天輻射值及其差異值的日變化(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為向下短波輻射(DR)、反射輻射(UR)、向下長波輻射(DLR)、向上長波輻射(ULR)、凈輻射(RN)五分量的清潔天和污染天對比情況.(f)、(g)、(h)、(i)、(j)分別為相應(yīng)的污染天與清潔天輻射差值的日變化.圖中每一個(gè)箱線代表了一個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，不同顏色代表不同的大氣狀況，箱線圖內(nèi)橫線代表中值，×代表小時(shí)平均值，盒子上下邊分別表示75%和25%的輻射值，盒子的上下延伸線頂端分別表示最大和最小的輻射值.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.

圖3 (a)、(b)分別為大氣所站140 m和2 m高度清潔天和污染天平均溫度日變化及差值對比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

2.2 觀測資料篩選標(biāo)準(zhǔn)

從降水、云、能見度三個(gè)方面對輻射觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選：① 采用自動站小時(shí)降水資料，對于站點(diǎn)附近10 km范圍內(nèi)降水量>0.1 mm的天進(jìn)行剔除.② 應(yīng)用南郊觀象臺每天8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的云量觀測資料，將云量>2成的天進(jìn)行剔除.③ 采用南郊觀象臺的分鐘能見度數(shù)據(jù)(來自LT31透射儀(Vaisala,2010))，并考慮霾日的新篩選標(biāo)準(zhǔn)(中國氣象局,2015)，將經(jīng)前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)篩選后的天，分為清潔天和污染天(即霾日).霾的新觀測規(guī)范中規(guī)定：霾是指能見度≤5.0 km；相對濕度<95%的天氣現(xiàn)象.如果一日累計(jì)1/4(含)以上時(shí)次判識為霾，則該天記為霾日.篩選后的天為避免輻射隨日期的變化，采用類比分析的方法，保證篩選后的日期平均值相接近.表3為篩選后數(shù)據(jù)分布情況.

表3 篩選后清潔天和污染天日期列表

3 大氣污染對單站輻射收支的影響

大氣所站1月污染對輻射收支的影響見圖2.由圖2(a，b)可知，入射短波輻射和反射輻射污染天均小于清潔天.因剔除了降水的影響，污染天短波輻射的衰減主要是由于大氣污染物的作用引起的.從圖2(f，g)可以看出，污染天與清潔天短波輻射的差異，早晚較小，白天較大，白天大的差異值是由于白天入射輻射值增加導(dǎo)致的，差異的最大均值出現(xiàn)在14時(shí)，推測是與14時(shí)二次氣溶膠粒子數(shù)濃度增大有關(guān)(林俊等,2009)，污染物使入射短波輻射的衰減最大可達(dá)55.8 W·m-2，使反射輻射衰減最大可達(dá)14.5 W·m-2.

從長波輻射的日變化可以看出(圖2(c，d))，向上長波輻射的日變化幅度比向下長波輻射大，這主要因?yàn)槎叩淖兓謩e與地面和大氣的溫度變化有關(guān)，地面溫度日變化比大氣溫度大，所以向上長波輻射的日變化幅度大，且二者的日變化最大值分別發(fā)生在13時(shí)和14時(shí)，與地表和大氣的溫度最大值發(fā)生時(shí)刻相對應(yīng).從清潔天、污染天的對比分析發(fā)現(xiàn)，長波輻射污染天要明顯高于清潔天，因?yàn)殚L波輻射的強(qiáng)弱要受到發(fā)射體溫度和發(fā)射能力的影響(江玉華等,2010).污染天大氣污染物的增加，使大氣向下長波輻射變大，地表因此吸收了更多的輻射能，溫度升高，從而放射出更多的長波輻射.因此污染天的長波輻射值要偏高.圖2(h，i)為污染天與清潔天長波輻射的差異，可以看出，白天由于長波輻射值的增加，差異值也隨之增大，夜晚差異值減小，向下、向上長波輻射日變化差異平均值分別為85.0 W·m-2和70.0 W·m-2，大于劉麗霞等(2014)對南京地區(qū)的分析結(jié)果.但二者的差異值除受污染物的影響外還受大氣溫度的影響.圖3為清潔天和污染天地面與140 m高度上溫度平均值的日變化及差值對比.在140 m處，二者的溫度差在4時(shí)過后才出現(xiàn)正值，因此二者向下長波輻射的差值在4時(shí)之前會有負(fù)值出現(xiàn)，該負(fù)值主要是受兩種天氣下溫度差值的影響.而對2 m溫度分析可知，污染天與清潔天的溫度差從9時(shí)開始才為正值，這也剛好解釋了向上長波輻射差在9時(shí)過后才表現(xiàn)為正值的現(xiàn)象.圖中2 m溫度日出前后略有不平滑的現(xiàn)象，是由于觀測高度較低、觀測點(diǎn)周圍的局地因素如人類活動、建筑物遮擋等對溫度觀測的影響所導(dǎo)致的.

清潔天和污染天凈輻射的變化和差異值與長短波輻射略有不同(見圖2(e，j))，白天清潔天的凈輻射值高于污染天，夜間污染天的凈輻射值更大，因?yàn)橐归g凈輻射的變化主要受長波輻射的影響，污染物的存在，增加了大氣向下長波輻射，使地氣系統(tǒng)溫度升高，凈輻射值要比清潔天高.二者差異白天與短波輻射規(guī)律類似，最大值接近50.0 W·m-2，夜間與長波輻射分布規(guī)律一致.

受大氣所站觀測儀器的限制，清潔、污染天直接和散射輻射的分布以南郊觀象臺的觀測分析為主，如圖4.圖4a為清潔天和污染天的直接、散射輻射分布情況，分析發(fā)現(xiàn)二者的日變化均呈單峰型，無論清潔天和污染天，直接輻射要顯著高于散射輻射.且污染天的直接輻射值要小于清潔天，因?yàn)榇髿庵械奈廴疚锼p了到達(dá)地面的直接輻射；相反，污染天的散射輻射高于清潔天，這是由于大量氣溶膠的存在增加了粒子對輻射的散射所導(dǎo)致的.圖4(b，c)是污染天與清潔天輻射值差異的日變化，二者差異最大值均出現(xiàn)在中午，其中直接輻射差異最大可達(dá)161.1 W·m-2，散射輻射差異最大72.2 W·m-2.

4 大氣污染對城市和郊區(qū)輻射收支影響的對比分析

圖5為各個(gè)站點(diǎn)間清潔天和污染天直接輻射、散射輻射和短波輻射的日變化曲線.由圖5(a，b)可見，各個(gè)站點(diǎn)直接輻射的峰值均出現(xiàn)在正午，清潔天，兩個(gè)站點(diǎn)直接和散射輻射幾乎相等；但污染天，兩個(gè)站點(diǎn)直接輻射均呈顯著下降，南郊觀象臺站因位于南部郊區(qū)下降的更加明顯，散射輻射增加較多.

表4 1月清潔天和污染天各站12∶00(北京時(shí))短波輻射平均值的比較(單位W·m-2)

圖4 南郊觀象臺清潔天和污染天輻射值及其差異值的日變化(a) 清潔天和污染天直接輻射(Direct)和散射輻射(Scatter)的日變化；(b)，(c) 分別為直接輻射和散射輻射污染天與清潔天差異的日變化(箱線圖同圖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)

圖5 各站輻射分量的日變化對比(a) 清潔天直接輻射和散射輻射日變化；(b) 污染天直接輻射和散射輻射日變化；(c) 清潔天短波輻射日變化；(d) 污染天短波輻射日變化.圖中各符號含義同圖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.

圖6 各站輻射分量的日變化對比(a) 清潔天長波輻射日變化;(b) 污染天長波輻射日變化;(c) 清潔天凈輻射日變化;(d) 污染天凈輻射日變化.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.

圖7 (a)、(b)分別為三個(gè)站點(diǎn)不同高度清潔天和污染天平均溫度對比，包括大氣所2 m和140 m、密云2 m和34 m以及上甸子2 m溫度日變化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

由圖5(c,d)可見，無論清潔天和污染天，短波輻射最大值均發(fā)生在正午，日變化顯著.清潔天(圖5c)，各站入射輻射量值大小趨于一致，地表反照率城區(qū)最低，其次為郊區(qū)密云站，南郊觀象臺站因下墊面以草地為主，反照率其次，上甸子則受積雪影響反照率偏高.污染天(圖5d)，各站入射輻射均有不同程度的衰減，其中南郊觀象臺站衰減最為顯著，其次為城區(qū)大氣所站，背景站上甸子的輻射值則變化不大.從表4污染天和清潔天各站短波輻射的對比情況可以發(fā)現(xiàn)，入射短波輻射南郊觀象臺站衰減最嚴(yán)重達(dá)13.2%，大氣所站其次，為7.4%，上甸子站最小為4.0%，密云站為4.7%.污染天南部郊區(qū)站比城區(qū)站輻射衰減嚴(yán)重，與北京地區(qū)“南北兩重天”的污染物分布特征一致(董芬等,2013).反射輻射的衰減南郊觀象臺站亦最大，衰減率13.1%，雖然南郊站的下墊面以草地為主，但是大氣中的氣溶膠會增加后向散射作用，使總的反射輻射超過了地表反射輻射(江玉華等,2010).大氣所、密云站和上甸子站的輻射衰減很好的反映了從郊區(qū)到背景站衰減率依次降低的特征.

圖6(a，b)分別給出了清潔天和污染天各站長波輻射的對比情況,這與圖7(a,b)三個(gè)站點(diǎn)不同高度清潔天和污染天平均溫度的日變化形成了很好的對應(yīng).向上長波輻射的變化主要受地表溫度的影響，觀測高度越低受地表溫度影響越大，向上長波輻射日變化幅度亦越大.從圖中可以看出，清潔天三個(gè)站點(diǎn)溫度，從城區(qū)到郊區(qū)依次降低，對應(yīng)向上長波輻射依次減??；三站正午過后溫度相接近，因此輻射值相差不大.從日變化幅度上看，上甸子背景站因觀測高度最低，因此向上長波輻射日變化幅度最大.而向下長波輻射的變化主要受大氣溫度的影響，規(guī)律與上述相類似.由表5可見，隨著各站點(diǎn)至城區(qū)的距離依次增加，長波輻射的變化率從城區(qū)到郊區(qū)依次減小.大氣所向下和向上長波輻射變化率最大，分別為10.5%和5.0%.

圖6(c,d)為各站點(diǎn)凈輻射的日變化，清潔天白天大氣所站凈輻射值最大，這與該站地表反照率最小有關(guān)，上甸子站最小，其間南郊和密云站凈輻射依次增加，在夜間規(guī)律完全相反.兩圖對比可以發(fā)現(xiàn)，白天污染天的凈輻射明顯低于清潔天，南郊觀象臺站衰減率最高達(dá)14%，這主要是與該站入射輻射衰減嚴(yán)重且反射輻射值偏高有關(guān)；但是在夜間，污染天要比清潔天輻射值高，是因?yàn)橐归g污染物的存在增加了地表面接受的向下長波輻射能，雖使地面溫度增加，向上長波輻射增加，但也使地面夜間損失的輻射能減小.

表5 1月各站14∶00(北京時(shí))向下長波輻射和13∶00(北京時(shí))向上長波輻射平均值清潔天和污染天的比較(單位W·m-2)

5 結(jié)論

本文利用2013年1月和2014年1月中國科學(xué)院大氣物理研究所325m鐵塔、南郊觀象臺、密云氣象塔、上甸子區(qū)域大氣本底站四個(gè)觀測站點(diǎn)的輻射及自動站氣象要素?cái)?shù)據(jù)，研究了北京地區(qū)大氣污染和城郊差異對地表輻射收支的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 在大氣污染物的作用下，各站污染天入射短波輻射明顯小于清潔天，二者差異最大為55.8 W·m-2，反射輻射差異最大為14.5 W·m-2.大氣污染對直接輻射衰減顯著，最大可達(dá)161.1 W·m-2，使散射輻射增加最大可達(dá)72.2 W·m-2.長波輻射污染天高于清潔天，向下、向上長波輻射的變化既與污染物濃度又與氣溫相關(guān).清潔天白天的凈輻射比污染天高，夜間相反，二者差異白天最大接近50 W·m-2.

(2) 從站間對比上看，污染天入射短波輻射有明顯衰減，南郊觀象臺站衰減率高于大氣所站，與北京地區(qū)“南北兩重天”的污染物分布特征一致.長波輻射的日變化受地表溫度和不同高度氣溫影響，亦呈現(xiàn)從城區(qū)到郊區(qū)衰減率依次減小的趨勢.凈輻射南郊觀象臺站衰減率最高達(dá)13%.

需要指出，由于本文僅采用南郊觀象臺的能見度資料，存在一定的局限性，將在下一步的研究中結(jié)合MODIS云量數(shù)據(jù)和氣溶膠濃度數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析.同時(shí)將針對一次污染過程，并與數(shù)值模式相結(jié)合，進(jìn)一步深入研究北京地區(qū)城郊輻射差異，以提高大氣污染對邊界層氣象要素影響的精細(xì)化預(yù)報(bào)能力.致謝 感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所李愛國、賈京京，中國氣象局北京城市氣象研究所熊斌，北京市氣象信息中心胡天潔等老師在外場觀測及資料處理方面的幫助.

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(本文編輯 汪海英)

Observation and analysis of the air pollution impacts on radiation balance of urban and suburb areas in Beijing

WANG Xin-Ran1,2,MIAO Shi-Guang2*,DOU Jun-Xia2,DONG Fan3,WANG Jing-Li2

1 Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China2 Institute of Urban Meteorology,China Meteorological Administration,Beijing100089,China3 Environmental Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei,China Meteorological Administration,Beijing 100089,China

In recent years,the impact of urbanization and air pollution on the radiation budget increased significantly.The radiation and automatic stations data (2013-01 and 2014-01) from the 325 m tower in IAP,the southern suburb observatory,Miyun meteorological tower and Shangdianzi regional atmospheric background station are used.Meanwhile,the visibility data of the southern suburb Observatory are used to distinguish the clear and pollution days.Results show that:(1) Judging from the month average data,incident shortwave radiation of pollution days of all stations are less than clear days,the maximum attenuation is 55.8 W·m-2，the maximum attenuation of direct radiation is 161.1 W·m-2,the maximum increase of scatter radiation is 72.2 W·m-2;the maximum increase of upward and downward long wave radiation is 85.0 W·m-2and 70.0 W·m-2,respectively;The attenuation of long wave radiation has relationship with the pollution and temperature;Net radiation pollution days are less than the clear days in the daytime,which is opposite in the night.(2) From the comparison results of all stations,the attenuation of incident radiation in the southern suburbs (13.2%) is higher than northern urban areas (7.4%) due to air pollution,which is consistent with the distribution of pollutantsin Beijing-“North and South are two different worlds”;From the urban area to the northern suburban area,the attenuation rate of pollution of the long and short wave radiation gradually decreases.This study provides important observational basis for the research of interaction between air pollution and meteorological conditions.

Air pollution;Radiation budget;Urban;Suburb;Beijing

王昕然，苗世光，竇軍霞等.2016.大氣污染對北京冬季城市和郊區(qū)輻射收支影響的觀測分析.地球物理學(xué)報(bào)，59(11):3996-4006,

10.6038/cjg20161106.

Wang X R,Miao S G,Dou J X,et al.2016.Observation and analysis of the air pollution impacts on radiation balance of urban and suburb areas in Beijing.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):3996-4006,doi:10.6038/cjg20161106.

國家自然科學(xué)基金(41175015)資助.

王昕然，女，1991年生，2013年于南京信息工程大學(xué)大氣物理系獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國氣象科學(xué)研究院大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境專業(yè)碩士研究生，主要從事邊界層氣象與陸面過程的研究.E-mail：xrwang@ium.cn

*通訊作者 苗世光，男，1976年生，博士，研究員，2003年畢業(yè)于南京大學(xué)，主要從事邊界層氣象學(xué)研究.E-mail：sgmiao@ium.cn

10.6038/cjg20161106

P421

2015-09-01，2016-09-08收修定稿