夜间，城市居民的生活看似平静，高空却发生着影响空气质量的重要变化——日间活跃的对流边界层在夜间伴随着地面冷却，分裂为稳定边界层与残留层。残留层在夜间持续生成并存储污染物，次日，污染物随着大气垂直运动输送至地面，直接影响空气质量。

长期以来，残留层因位置特殊（距地面200—1000米的高空）、观测难度大，其物理化学过程及对地面空气质量的影响机制一直是大气科学领域的研究难点。近期，北京城市气象研究院科研团队通过创新观测与研究，首次系统揭示了残留层内污染物的生成与垂直输送规律，为精准治污、改善城市空气质量提供关键科学支撑。

巧建“空中观测站” 破解残留层观测困局

曾经，残留层研究受困于“观测难”——传统的探测飞机或系留气艇受空域限制，难以在城市上空开展观测；地面仪器又无法触及200—1000米的关键高度层；在非城市区域进行飞机或系留气艇观测获得的数据多为偶然性现象，代表性差，难以开展规律性研究。针对这种情况，科研团队巧妙地借城市地标建筑打造“空中观测站”。

“北京528米高的中国尊大厦顶层平台在夜间位于残留层内，适合安置气象观测设备及高分辨率质谱仪等高精度化学观测设备；毗邻的325米气象高塔则负责开展湍流、辐射、三维风等精细化气象要素观测；而地基高分辨率边界层雷达可实时扫描大气结构。”北京城市气象研究院研究员权建农介绍，三者构成的立体观测网，就像在城市上空搭建了一台“大气CT机”，能持续不断、实时“切片”解析残留层物理化学过程，为我国城市大气残留层物理化学过程的观测提供了良好条件，也为揭示残留层大气演变规律奠定基础。

硝酸盐的高效生成与空地传输机制

在上述残留层立体观测网支撑下，科研团队收获一系列创新发现。明确硝酸盐的传输机制便是其中之一。

在PM2.5（细颗粒物）的组成中，硝酸盐近年来已成为“头号选手”。“重污染天气过程中，硝酸盐占比高达40%，也是今后PM2.5治理的主要对象。”权建农指出。

科研团队通过连续观测与模式计算发现，夜间残留层内的硝酸盐生成速率是近地面的5倍左右。“尽管夜间残留层的氮氧化物（NOx）浓度比地面低，但残留层就像一个高效的‘化工厂’。”权建农解释道，残留层内的低温高湿条件，加上特定的光化学反应路径，使得氮氧化物能快速转化为硝酸盐。

更关键的是，次日上午随着气温升高，残留层与稳定边界层重新“融合”，这些高空生成的硝酸盐便通过湍流输送到地面，成为陆地污染的重要“助推器”。

在此基础上，科研团队还揭示了夜间硝酸盐生成可分为氮氧化物敏感区和臭氧敏感区。“在氮氧化物敏感区，氮氧化物浓度增加导致硝酸盐生成增加；而在臭氧敏感区，氮氧化物浓度增加反而导致硝酸盐生成减弱。”权建农表示，可以根据硝酸盐生成的敏感性来“分区治理”，科学制定减排措施，如在氮氧化物敏感区，更需严格控制机动车尾气、工业排放等氮氧化物源头等。

在探明硝酸盐的生成与传输机制后，科研团队进一步聚焦残留层的大气化学特性展开研究。北京城市气象研究院联合多家科研机构，通过对比地面与残留层内臭氧、亚硝酸、过氧化氢等反应性气体差异发现，残留层的大气化学过程与近地面存在显著差异。这种差异的核心驱动力，正是残留层更强的大气氧化能力。这一发现增加了对污染生成的认知，为构建天地协同的污染防控体系提供新的理论支撑。

黑碳气溶胶的夜间老化反应与光吸收作用

黑碳气溶胶是全球变暖加剧的最重要因素之一，它能够吸收短波辐射且持续地加热大气。黑碳气溶胶排放到大气中，还可通过吸附、碰并、化学反应等过程在其表面包裹硫酸盐、有机物等其他物质，进而改变其光学性质，对全球大气辐射平衡和大气稳定性产生巨大影响。

科研团队发现，残留层中的黑碳气溶胶存在高效率的老化过程。

借助单颗粒黑碳光度计的精细观测，研究人员发现，黑碳颗粒会吸附硫酸盐、有机物等物质，形成“核壳结构”。这种包裹层会产生“棱镜效应”，通过折射作用让更多光线抵达黑碳核心，使其光吸收能力显著提升。“这就相当于给黑碳戴了一副‘聚光眼镜’，使其对大气加热的效应显著提升。”权建农比喻道。

此外，科研团队根据单颗粒黑碳光度计观测得到的核壳比，可计算出黑碳气溶胶的老化程度。黑碳气溶胶的光学效应不仅与其浓度相关，还与其老化程度密切相关。团队发现，黑碳老化后光吸收能力显著增强，最高可增加一倍左右。

现有研究认为，黑碳的老化过程主要发生在白天，而科研团队对夜间残留层内黑碳快速老化现象的发现，有助于科学评估实际大气中黑碳的老化过程及其气候效应，为碳循环研究和碳减排路径设计提供新的依据，从而助力超大城市提升污染防控与气候治理效能。未来，科研团队将持续开展边界层和残留层气象化学过程与垂直输送机制研究，利用创新性观测体系助力城市空气质量治理。

（作者：于桐 责任编辑：张林）