Citation
Sun, Y. L., and Coauthors, 2025: Exploring boundary layer physics and atmospheric chemistry in megacities: insights from the Beijing 325 m meteorological tower. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-024-4112-z.
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综述
北京325米气象塔：超大城市大气边界层物理与大气化学研究的一个传奇
北京325米气象塔要素简介，及与法国埃菲尔铁塔、美国帝国大厦高度对比示意图（ScienceApe出品，版权所有，欢迎转载，转发请注明出处）
大气边界层（Atmospheric Boundary Layer, ABL）是地球大气圈中最低的一层，直接与地表交换能量、水分和污染物，尤其在城市环境中，这一交换过程对空气污染物的扩散和积累具有决定性影响。随着全球城市化进程的加速，大城市中的大气边界层物理和大气化学过程对理解城市空气污染的形成、演变及其对公共健康的影响变得尤为重要。北京325米气象塔（图1）作为世界上少数几个位于大都市中的高塔观测平台之一，为研究者提供了一个独特的、长期的、连续的观测手段，用以探究城市大气边界层的复杂性，进而在揭示城市空气污染、大气过程和气候变化的复杂性方面发挥了重要作用。
中国科学院大气物理研究所孙业乐研究员团队通过综述过去二十年来在该塔上的测量，总结了边界层物理要素、大气污染物、生成机制等垂直变化及边界层与污染的相互作用等重要研究成果，提高了对超大城市人类排放、气象动态和大气成分之间复杂关系的深入了解。
图1 北京325米气象塔全景图。右图分别为气象塔北部和南部地表状况图（中国科学院大气物理研究所李昊拍摄）。
北京325米气象塔
北京325米气象塔始建于1974年3月。在大气物理研究所原所长洪钟祥带领下，历经五年的不懈努力，于1979年8月建成。如今，这座巍峨的铁塔已经矗立在北京这座古老而又现代的城市中超过40年。它不仅见证了北京城市面貌的巨变，更以其丰富的观测数据，为科学家们提供了研究大气边界层的宝贵资料。塔身采用拉索结构，有15个观测平台，从地面到320米不等，配备多种仪器用于测量风速、风向、温度、相对湿度、湍流、辐射、CO2和H2O通量、气态污染物以及气溶胶理化特性等参量（图2）。另外，2013年基于气象塔发展的吊舱系统也已经实现从最初的单一光学特性到颗粒物化学组分、气态污染物、粒子数谱等多参数垂直连续测量（图3）。
图2 北京325米气象塔主要的观测平台和测量参量。
图3 北京325米气象塔吊舱系统。上图分别为白天和夜间气溶胶理化特性垂直连续观测（孙业乐拍摄）。
城市边界层物理特性及变化
长期的气象观测数据显示，北京地区的边界层结构受城市化进程的显著影响。温度数据表明，自1984年至2009年，北京地区的气温逐渐上升，尤其在夜间的温度逆温现象明显减少，这主要归因于城市化带来的湍流垂直混合增强。此外，风速测量结果显示，由于地面摩擦和建筑物阻挡效应，风速在所有高度上都有所降低（图4）。这些变化反映了地表条件的迅速变化，揭示了城市化对边界层动态的显著影响。
图4 1991年至2020年不同季节年平均风速异常的变化。虚线表示47米以下四个高度处风速平均值的线性拟合。
气象塔的系列湍流观测研究揭示了城市边界层（UBL）内复杂的湍流特征，这些特征显著受到地表粗糙度、城市热岛效应以及大气稳定性的影响。在污染积累期间，不同高度间的湍流动量通量交换较为微弱，但高空强风切变的存在可能会导致湍流动能向下混合。研究还发现，在重霾条件下的湍流行为与其他条件下有所不同，特别是在城市冠层层的“硬湍流”现象。
城市边界层化学特性垂直分布及变化
基于气象塔的早期化学特性垂直观测主要集中在气态污染物的垂直分布，发现O3、SO2、NOx和CO在不同高度的动态变化，受排放、气象和化学反应影响显著。近些年，NH3、HONO和挥发性有机化合物（VOCs）的垂直分布研究揭示了其垂直分布特征和形成机制。NO3自由基在高空的寿命较长，主要通过间接途径损失。后续颗粒物化学组分、有机分子组成、水溶性有机气溶胶组分、粒子数谱、光学特性、同位素比值等测量进一步揭示了超大城市气溶胶化学特性垂直变化以及新的生成和演变机制。
图5 北京夏季（上图）和冬季（下图）地面与240米高度处化学组分和有机组分对比图。
通过对不同高度的颗粒物化学组分的高时间分辨率测量，发现气象条件对气溶胶垂直分布的显著影响。区域性二次气溶胶在地面和高空的时间变化总体相似，而一次有机气溶胶在不同高度的变化差异较大，但在下午边界层高度上升时趋于一致。进一步研究发现，在夏季高空气溶胶中二次气溶胶的比例更高，而气溶胶液态水（ALW）在夏季高空的贡献也显著高于地面（图5）。图6揭示了一次极端重污染过程中化学组分和气象要素等垂直变化。研究揭示了气象要素变化驱动化学垂直变化机制，受逆温层形成和边界层高度的快速降低，气溶胶组分在地面和高空的浓度差异逐步增强（图5）。不同气溶胶组分（如硝酸盐、硫酸盐和有机气溶胶）在垂直分布中的比例变化，反映了挥发性有机物和气象条件的垂直差异对气溶胶形成机制的敏感性。
图6 2019年一次极端重污染过程中颗粒物化学组分的垂直演变及气象要素和混合层高度等影响。
气象塔上通量测量的长期数据对于验证和修正排放清单至关重要。过去二十年的CO2通量测量显示，夏季CO2通量受植被碳吸收影响低于冬季的化石燃料燃烧。挥发性有机化合物和黑碳的通量测量揭示了交通是主要排放源，但现有排放清单大幅高估了这些污染物的排放。尤其是基于涡动相关法测量的VOCs通量揭示了小分子氧化有机物在光化学反应中的重要性，并发现现有的排放清单如MEIC未能准确反映本地排放水平，需更新以提升空气质量管理的精准性。
城市边界层与气溶胶的相互作用
气溶胶与边界层的相互作用在严重污染的形成和演变中起关键作用。气溶胶通过散射和吸收太阳辐射，抑制边界层的发展，减少湍流混合，从而加剧空气污染。这种正反馈机制可解释高达70%的颗粒物增加。北京的垂直测量和风廓线雷达数据显示，严重污染事件与低风速、高相对湿度以及低感热通量密切相关，进一步加剧污染的形成。气溶胶与边界层的复杂相互作用包括边界层高度、风速、温度逆温以及增强的二次气溶胶形成等因素。
图7 超大城市内复杂的大气边界层物理和大气化学过程。
未来研究方向
北京325米气象塔不仅是北京的地标，更是全球大气科学研究的宝贵财富。随着我国空气质量的持续改善，气象塔将在超大城市大气动力学、空气质量和气候变化研究中持续发挥重要作用（图7）。未来研究方向包括长期垂直观测，探究气溶胶与边界层的相互作用及污染物随时间的变化趋势，评估城市化、工业化和气候变化对北京环境的影响；开发新的塔上平台，开展更精细的气溶胶和挥发性有机物通量测量和研究；整合遥感、无人机和人工智能等新兴技术，提升观测能力；整合垂直观测数据与数值模拟，改进空气质量预测和大气污染模拟，支撑大气污染科学防控。
第一作者信息
孙业乐
中国科学院大气物理研究所研究员，博士生导师。主要从事城市边界层理化结构和大气污染形成机制、气溶胶和云相互作用、室内空气污染等研究，发表论文350余篇，H指数80，科睿唯安“高被引科学家”，曾获TWAS-CAS前沿科学青年科学家奖、赵九章优秀中青年科学奖、陈嘉庚青年科学奖和中国科学院青年科学家奖等。
大气科学进展
Advances in Atmospheric Sciences
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