极端大气污染事件对社会发展和公众健康造成直接危害，准确理解气溶胶辐射效应与大气边界层过程间的相互作用，成为污染治理的重要课题。观测数据表明，气溶胶削弱到达地表的太阳辐射，抑制边界层湍流发展，加剧空气质量恶化。同时，敏感性实验提出，吸收性气溶胶集中于近地表时将显著加热低层大气，增强边界层的不稳定性，有利于污染物稀释扩散。因此，气溶胶垂直分布和光学性质是导致辐射效应对边界层发展相反作用的两个关键因子，但两者在抑制与促进效应中的阈值还没有被定量研究。此外，仅考虑吸收性气溶胶的敏感性实验是否符合实际大气条件及其对边界层发展的促进作用是否真实发生，仍需要进一步验证。近期，陆气相互作用团队陈海山教授（通讯作者）指导博士生张潇艳与俄克拉荷马大学Changjie Cai博士、Xiao-Ming Hu博士、Lan Gao博士、大气物理研究所徐希燕研究员、福建省环境科学研究院胡俊博士合作，探讨了气溶胶垂直分布、光学特征及背景气溶胶对边界层发展的影响特征和物理机制，并在Atmospheric Research上发表相关研究成果，研究工作得到国家自然科学基金创新研究群体项目（42021004）资助。
研究基于全球近30年8类下垫面光学性质的观测阈值，选取9种代表性光学特征与20个消光系数分布进行数百组数值实验，发现气溶胶一致性地抑制对流边界层发展。当吸收性气溶胶位于边界层顶下方时，抑制作用最显著。零背景气溶胶情景下，近地表吸收性气溶胶促进边界层发展，但促进效应不显著，且不符合实际大气条件（图1）。研究表明，气溶胶辐射冷却效应占主导地位，产生净加热率负值，最终抑制了边界层发展，使得边界层高度和混合层位温降低、夹卷区增厚以及中性点高度改变（图2）。这些结论突出了高架源减排和区域合作在远距离污染物入侵事件中的重要性。此外，致力于产业、能源和交通运输的结构调整，并防范生物质燃烧事件，以减少吸收性气溶胶（如黑碳气溶胶）的排放，是深度治理和应急管控的优先事项。同时，现有模拟中均未考虑背景气溶胶条件，这将导致不同温室气体排放情景下气象或气候响应结果的不确定性。因此，应优先在全球大气基底站建立背景气溶胶观测数据集，以期为敏感性实验和三维模拟提供准确的的背景消光条件。
图1. 大气辐射与边界层过程数值实验的概念模型：(a)关闭气溶胶辐射效应；(b)多种光学性质的气溶胶分布在不同高度，且考虑背景气溶胶；(c)吸收性气溶胶集中在近地表，且不考虑背景气溶胶。
图2. 气溶胶辐射效应对边界层过程的调控机制：气溶胶减少到达地表的短波辐射和地表热通量，降低PBL加热率，并通过加热效应产生正Ra加热率，最终使得净(Net)加热率为负值，从而抑制边界层发展，降低混合层位温，增厚夹卷区以及改变中性点高度。
论文信息：
Zhang, X., Cai, C., Hu, X. M., Gao, L., Xu, X., Hu, J., & Chen*, H. (2022). Aerosols consistently suppress the convective boundary layer development. Atmospheric Research, 106032. DOI: 10.1016/j.atmosres.2022.106032.
