一次由于森林火灾烟雾引起的雾霾过程中的大气边界层结构的观测研究外文翻译资料

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一次由于森林火灾烟雾引起的雾霾过程中的大气边界层结构的观测研究

MARKUS PAHLOW¹,JAN KLEISSL¹,MARC B.PARLANGE¹,JOHN M.ONDOV² and DAVID HARRISON²

摘要 在美国巴尔的摩的一次雾霾事件中，2002年7月6日到8日，烟雾来自于在加拿大魁北克地区森林火灾，降低了空气质量而且影响了当地的气候，减少了太阳辐射和降低了大气的温度。烟雾粒子弥散在大气边界层内，烟颗粒作为示踪剂并且提供了独特的机会去研究大气边界层结构，尤其是夹带，在此次雾霾期间弹性散射激光雷达所测量的明显揭示了含烟空气的向下掠过（或缕缕）从自由大气进入大气边界层。介绍了机制可视为如干对流，夹带过程中，卷出，夹带相干结构并混合在大气边界层内。上升的暖气流超过大气边界层产生扰动在自由大气高空形成重力引力波的形式，显示为一个在烟层的底部对应的起伏波动状结构。激光雷达数据，气溶胶地基测量和支持气象数据用于链接自由大气，混合层和地面气溶胶。在此次雾霾的高峰期（7月7日2002年），发现混合层内的射激光雷达数据的时间序列和从在地面浊度计的散射系数的相关性高（R 为50.96用于z 324米，和R为0.89用于z为504米）。地级气溶胶浓度达到最大值是在烟气层与不断发展的大气边界层相交2小时以后，证明该烟缕最初没有到达地面。
关键词：大气边界层，巴尔的摩PM 超站，夹带，森林火灾，灰霾事件，激光雷达。

1 引言

作为对本地的能见度和空气质量的 所有微粒空气污染，森林火灾的烟雾对当地能见度和空气质量的影响，导致对暴露在其中的居民的健康产生风险。然而这些消极的影响往往并不限于直接作用于环境。热气体和颗粒物上升到大气中，往往达到自由对流层或平流层。大规模对流运动运输这种气体/颗粒混合物然后可以影响远离火灾发生地区的空气质量（Wotawa和Trainer，2000年；Forster等人，2001年）。这些森林火灾偶尔会由人类活动引起，但大多数（约85％）是由雷击（Weber和stocks，1998年）所引起。有时，从北方寒带火灾带来的有机碳（OC）的排放量是美国东部和东南部有机碳区域性一级水平的主要来源，在全球拥有最高的人为排放率的一个区域（Wotawa and Trainer，2000）。对美国原产于加拿大森林火灾羽的交通运输情况并不少见（Skinner等，1999）。此外，烧毁森林的年平均面积自20世纪70年代以来已超过两倍（Skinner等，2002）。到2002年7月的第一个星期，在魁北克地区火灾烧毁了森林162000公顷，是年平均的两倍。

这往往是由于大规模下沉，使来自于森林火灾的气溶胶被强制降到低空，之后一直随着盛行风（Iziomon和lohmann，2003年）水平平流。如果是这样，从更高的高度的含烟空气可能于大气边界层（ABL）相交，此后一类型“熏蒸”过程使气体和气溶胶在湍流边界层内进行分配。在2002年7月6日至8日的巴尔的摩雾霾事件，导致了燃烧产物如黑炭，有机碳和PM2.5（颗粒物质具有空气动力学直径小于等于2.5um）在远离火源的区域会有很大的影响。很多事件例如这个强调了增强我们对气体和气溶胶从高空运输到边界层的认知的重要性，特别是由于烟雾颗粒会影响健康，地球表面温度（Robock，1988a，b）和区域气候（梅农等人， 2002年）。

对大气边界层结构的研究和时间演变有一段很长的观测历史。不同的技术和探测大气边界层的各种仪器，在该领域已被使用（参见Stull（1988）Garratt1992的引用和（），以及最近的例如Angevine等人（1998年），Menut等人（1999 ）和Yi等人（2001））。实验室的试验已经帮助我们进一步对不同过程进行了解（例如，Deardorff等，1980;Fedorovich和Thater，2002年），而大涡模拟也被用于研究很详细具体的大气边界层过程（例如， Wyngaard和Brost，1984; Sullivan等，1998;艾伯森和Parlange，1999）。

这里我们现在得到的结果来自于美国巴尔的摩的一项实验研究，其中来自魁北克森林火灾的烟雾从高处被带入大气边界层的结果。这个特殊研究的目的是对此次烟霾事件中大气边界层结构提供一个详尽的描述和大气边界层的气象条件和在近地面气溶胶浓度联系起来。对7月6日相对洁净的大气与7月7日被严重污染的状况做了一个比较，并于7月8日之后，其特点是一个缓慢的清洁过程。大多数本文提出的结论来自约翰霍普金斯大学（JHU）激光雷达，是由地面点传感器来表征气溶胶的尺度和组成，此外数据是来自微观气象台。

2 实验

颗粒物（PM）超级站是一个环境监测研究计划，由美国环境保护署（EPA）的资助。该方案解决了细颗粒物有关的科学不确定性。在晚上八点的超级站点，1999 - 2003年美国各地在晚上八点的超级站点运行，专注于细颗粒表征方法测试，以及支持对健康的影响和暴露研究。在巴尔的摩的超级站项目方面采取观察的目的是提供一个扩展，高度的时间，大小和成分上解决了数据集，包括一个支持测试来源归属和颗粒物对健康的影响的心肺反应指标。

在这里，我们在巴尔的摩市中心的圣庞卡采样点的观测报告（39°17′20Prime;N，76°33′16Prime;，海拔高度约40米），是在加拿大魁北克地区2002年7月6日至八日由于森林大火引发的雾霾事件期间。为了表征大气边界层动力学，气象条件和大气气溶胶，对使用下列仪器获得的数据进行了分析。约翰霍普金斯大学弹性散射激光雷达系统（参见Pahlow（2002）来获得一个完整系统的描述），一个微气象塔，一个在530纳米工作（光辉研究型号M-903）的一体化的积分浊度计，一个锥形元件振荡天平（TEOM）和半 - 连续元素碳和有机碳（EC/ OC）显示器，后三者都安装在一个z为3.5米的高度上。

激光雷达系统在地面上在向上指向模式中在1064纳米操作，具有5秒的时间分辨率和3.75 m的空间分辨率。微气象塔架装有一个日射强度计（高度z为11.0米），一个风向标（Z=10.4米），两个杯风速计（Z=5.8和10.4米），一湿度计（Z=4.9米），雨量计（Z=3.0米）和压力传感器（Z=2.5米）。微气象学和浊度计的数据记录为5分钟的平均值。该TEOM提供细颗粒的质量浓度，整体超过30分钟的间隔，和元素碳和有机碳的显示器集成了超过10小时周期的数据。需要注意的在这里当地标准时间（LST）用于整个讨论中，这段研究时间与东部夏令时间（EDT）相一致。

3 加拿大森林火灾：成因及后果

从2002年7月2日，有85起森林火灾在詹姆斯湾东南部，美国边境北边350到650公里的魁北克中部两个地区发生。主要由于当时北美东部的干旱状况配合雷击现象引发火灾。强风增强火势。其中的一些火灾燃烧失去了控制，产生了大量的烟雾。烟雾平流南下到美国东北部并且大西洋的飓风加剧了加拿大滨海诸省并且到达美国东岸，2002年7月6日，包括马里兰州和巴尔迪摩市。2002年7月的MODIS卫星图像（图1），勾勒出猛烈的森林火灾火势和森林火灾烟雾的路径。高压下沉迫使烟雾下降至低海拔地区。

图1 2002年7月7日拍摄于1035 LST 的MODIS卫星图像。红点代表活动的森林火灾。可以清楚地看到从魁北克到美国东部烟柱的轨迹。地面快速反应小组的MODIS卫星图像，国家航空航天局/戈达德空间飞行中心，绿地，MD，美国

图2. (a) 气压p, (b) 风向 a, (c) 两个高度的水平风速(d) 太阳辐射SR, (e) 大气温度 T(f )

2002年7月6日至8日在巴尔的摩庞卡圣野外现场的相对湿度RH，横坐标轴标记为午夜

如图2a所示，在2002年7月6日到8日记录在巴尔的摩颗粒物超级站的大气压的时间序列。在 7月6日（图2b）偏北风把烟雾平流到巴尔的摩;弱风延长了烟雾在大气边界层的停留时间（图2c）。在太阳辐射（SR）的时间序列（图2d）上可以清楚地看到烟雾的鲜明特征。在7月7日自由云的最大太阳辐射，霾事件的高峰期，比7月6日低34％，在下午云发展旺盛，比7月8日低18％，一天很少有云层覆盖。这样，相反的是，将影响空气温度（图2e），与7月7日的最大值相比7月6日最高温度低2.3℃，比7月8日最高温度低6.8℃。7月7日的平均温度比月平均温度下降了2.8℃。相对湿度（RH）在森林火灾高峰活动期间低，低于典型七月值约10-15％（图2F）;在7月8日午后，大气压强下降。这预示着冷锋的到来，这与风向（图2b）的转变一起，导致了烟雾向东穿越大西洋，结束了此次雾霾。

4 能见度和气溶胶特性

为了说明烟雾颗粒如何影响美国东海岸的各个部分的，尤其是巴尔的摩和其附近地区，在图3我们在机场进行能见度测量。兰开斯特机场[（LNS）40°7′18Prime; N，76°17′45Prime;w]位于巴尔的摩北部95公里，马丁状态机场[（MTN）39°19′32Prime;N，76°24′49Prime;W]位于巴尔的摩以东15公里，并且巴尔的摩 - 华盛顿国际机场[（BWI）39°10′31Prime;N，76°40′6Prime;W]位于巴尔的摩以南15公里。图3清楚地表明，能见度由于森林火灾的烟雾强烈的下降，并且所有三个位置在7月6日晚上都开始受到了影响。在3天的时间中考虑气溶胶对能见度的影响在兰开斯特机场最大，能见度最小值为1.2km。在其他两个位置能见度的最低记录分别在马丁状态机场为1.6km，在巴尔的摩 - 华盛顿国际机场为4.8km，因此，该烟雾已经夹带进大气边界层很大面积，但是影响地域不同。这是被西格莱尔等人证实（2003年），记录了7月7日的高地面污染物浓度在马斯地区附近（巴尔的摩东北部540公里处）由于​​加拿大森林火灾的烟雾。需要注意的是在兰开斯特机场能见度在7月8日再次增加，在雾霾巅峰时期之后，但后来下降。在7月7日到8日，在马丁状态机场和巴尔的摩-华盛顿国际机场（较大值在巴尔的摩-华盛顿国际机场）仍然大多为低能见度，这意味着气溶胶粒子不能很快清除，大气仍然混浊。

图3. 2002年7月6日到8日三个机场的能见度(上: LNS, 中: MTN 下: BWI) 机场记录的能见度最大值为16 km.横坐标标记为午夜.

图4. 2002年7月6日到8日PM2.5，有机碳，元素碳的质量浓度以及散射系数j,横坐标标记为午夜

为了雾霾事件期间表征地面气溶胶，细粒子质量浓度PM2.5，有机碳，元素碳（EC，等效于黑色碳）和散射系数j在图4中显示出来。这四个变量被选择有具体理由：PM2.5测量得到一个明确的气溶胶粒子的特征，并且有机碳和元素碳也一样都是森林火灾主要燃烧产物，因此用作加拿大森林火灾产生的烟尘气溶胶粒子的示踪剂。浊度仪数据，其产生的散射系数，都涉及到激光雷达测量，因为两者都以使用光散射为基本原则。烟雾粒子的影响可以在pm 2.5的时间序列（图4）清楚地看出，PM2.5开始增加，在7月6日晚，pm 2.5开始增加，预示森林火灾烟雾的到来。PM2.5最大浓度出现在下午早些时候（测量间隔1315至1345年的LST）7月7日值为198. 8ug*m^-3），并且在最大值后继续升高（7月8日平均浓度56.0 ug*m^-3），相比霾事件前的浓度（7月6日平均浓度，29.1 ug*m^-3）。散射系数和有机碳与PM2.5密切相关，最大值在时间上重合（OCmax= 69.4ug*cm^-3，k_max=5.41*10^-4m^-1），而在有时元素碳增加时PM2.5和OC测量保持相对较低。这是由于这样的事实，即元素碳只适用于表征某些特定森林火灾的烟粒子。根据火灾的类型（例如，快速燃烧，慢燃，干燥，植被，潮湿）有机碳分数范围可以从10％到几乎为零。

5 大气边界层结构的激光雷达探测

边界层高度的时间序列是衡量大气边界层内的对流运动强度的一个良好指标，因为地表热通量驱动ABL昼夜。图5给出了2002年7月6-8日，从激光雷达数据确定的大气边界层高度的时间序列。7月6日的最大边界层高度（Z_i，max=1723米）和7月8日（Z_i，max=1601米）都远远超过了雾霾事件7月7日高峰日的最大边界层高度（Z_i，max=1164米）。森林火灾烟减少了地面的太阳能加热（参见图2d），从而降低了地表的热通量，从而导致减弱了对流活动和降低了大气边界层高度。

图5在2002年7月6日到8日，根据激光雷达使用梯度轮廓的方法确定的大气边界层高度（7月6日：左图；7月7日：中图；7月8日：右图）误差线表示为每个时间间隔的平均标准差

烟粒子充当流动示踪剂并且为大气边界层过程提供了极好的可视性。第一个激光雷达后向散射数据的时间段（图6上图）从0847 （LST）到1503 (LST)表明，该地区森林火灾的烟雾附着层被迫到低海拔地区因地面下沉。注意烟羽的连贯性，高度最初从约1500至2250m不等。清晨边界层低层(zasymp;500m)因交通高峰气溶胶含量大。大约在0950 LST开始，可以清楚地看到对流边界层（CBL）的发展，而烟气层继续下降到低海拔（到1100LST左右）。需要注意的是上升热气流，超过边界层顶，在稳定层高处产生扰动，其传播到烟层的底部，体现在空气同时的向上和向下的运动。在对流性边界层与自由对流层的动态交互先前已经被研究（例如，Gossard和里希特，1970;梅特卡夫，1975; Stull，1976a，b）。最近，Fochesatto等人（2001），使用基于地面的激光雷达，观察到对流边界层的发展和残留层之间的动态耦合。他们发现，在对流边界层开始发展后不久，残留层的顶部开始波动，

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