石家莊春季大氣氣溶膠的散射特征

張 勇,銀 燕*,肖 輝,匡順?biāo)?吳志會 (.南京信息工程大學(xué),氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 0044；.河北省石家莊市氣象局,河北 石家莊 050000；.河北省人工影響天氣辦公室,河北 石家莊 0500)

氣溶膠粒子是懸浮在大氣中直徑在10-3～10μm 的固體或液體粒子,其質(zhì)量僅占整個(gè)大氣質(zhì)量的十億分之一,但對大氣輻射傳輸和水循環(huán)均有重要的影響[1].氣溶膠粒子中空氣動力學(xué)直徑小于10μm的粒子,被稱為可吸入顆粒物,可以吸入呼吸道,對人體的健康造成嚴(yán)重危害.顆粒物通過吸收和散射太陽光影響大氣能見度,其中散射過程造成能見度減弱60%～95%[2].氣溶膠通過直接輻射和間接輻射效應(yīng)影響氣候變化,但由于其分布、自身理化性質(zhì)、下墊面光學(xué)性質(zhì)等的巨大差異,以及缺乏大范圍連續(xù)氣溶膠觀測資料,給氣候效應(yīng)的研究帶來了很大的困難.通常以散射系數(shù)表征直接輻射效應(yīng)中氣溶膠對太陽輻射的散射作用.氣溶膠譜分布、質(zhì)量濃度和氣象條件的不同,對其散射特征有明顯的影響.

國外在氣溶膠散射特征研究方面做了大量的工作.Charlson[3]利用積分渾濁度儀研究大氣中大分子氣體的瑞利散射系數(shù),并通過觀測散射系數(shù)準(zhǔn)確得出大分子氣體的退偏振度、極化因子等.Chan等[4]利用積分渾濁度儀研究了大氣能見度、PM10與散射系數(shù)的相互關(guān)系.Delene等[5]利用散射系數(shù)資料分析單次散射反照率ω0與不對稱因子的變化規(guī)律.從 1995年起,國際大氣化學(xué)計(jì)劃(IGAC)組織了多次氣溶膠特性實(shí)驗(yàn)(ACE),獲得了許多珍貴的氣溶膠散射資料[6-8].

國內(nèi)對氣溶膠散射性質(zhì)的研究則相對有限,多是一些零散點(diǎn)的短期觀測.胡波等[9]利用積分濁度儀監(jiān)測得到的散射系數(shù)和多波段光度計(jì)觀測資料分析了蘭州冬季氣溶膠的光學(xué)特征,計(jì)算了后向散射比、不對稱因子、單次反照率、波長指數(shù)等重要輻射參數(shù),并建立了一種適合利用散射系數(shù)反演氣溶膠細(xì)微粒子譜分布的方法.Zhang等[10]利用蘭州2001/2002, 2002/2003兩個(gè)冬天積分渾濁度儀的觀測數(shù)據(jù),分析了氣溶膠的散射特征,及其和空氣污染的關(guān)系.柯宗建等[11]分析了北京上甸子秋冬季氣溶膠散射系數(shù)的變化特征,散射系數(shù)與 PM2.5質(zhì)量濃度的關(guān)系,并結(jié)合氣象資料分析了風(fēng)場對氣溶膠散射系數(shù)變化的影響.徐正等[12]利用黑碳儀和積分濁度計(jì)數(shù)據(jù)對濟(jì)南市大氣氣溶膠的光學(xué)特性進(jìn)行了觀測.結(jié)果顯示,霾天氣的氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)分別為非霾天氣的 2.6倍和 2.8 倍,單詞散射反照率(SSA)也高于非霾天氣,并分析了影響非霾天氣和霾天氣污染氣流來源.

華北地區(qū)是我國大氣氣溶膠污染比較嚴(yán)重的地區(qū)[13].孫霞等[14]利用2006年和2007年河北省機(jī)載粒子探測系統(tǒng)(PMS)獲得的飛行探測資料,分析了石家莊地區(qū)春季上空大氣氣溶膠粒子的濃度垂直分布特征、不同高度上的譜分布和水平變化特征,并對粒子譜分布進(jìn)行了負(fù)冪函數(shù)擬合.譚穩(wěn)等[15]利用石家莊大氣氣溶膠,NOx和SO2數(shù)據(jù)對石家莊地區(qū)大氣細(xì)粒子增長特征進(jìn)行了初步研究.這些研究并未涉及氣溶膠光學(xué)特性方面,而氣溶膠光學(xué)特性對大氣能見度有著巨大影響,與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān).為加深對氣溶膠散射特性與空氣污染物之間關(guān)系的認(rèn)識,給政府部門在控制污染物排放,改善能見度方面提供借鑒,作者于2010年5月在石家莊氣象局進(jìn)行了外場觀測實(shí)驗(yàn),并在對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上分析了華北地區(qū)氣溶膠的光學(xué)特征及其變化規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器

觀測儀器為美國 TSI公司生產(chǎn)的 TSI-3563型積分濁度儀,DMT公司生產(chǎn)的被動腔式氣溶膠分光探測儀 PCASP-X2以及英國 Biral公司的VPF-730能見度和天氣現(xiàn)象儀.濁度儀可以提供波長450,550和700nm的大氣氣溶膠總散射系數(shù)和后向散射系數(shù).該儀器具有全天候、自動、高分辨率(5×10-8Mm-1)、不破壞氣溶膠的成分,且標(biāo)定簡單方便等特點(diǎn).觀測時(shí)每5min獲取1次氣溶膠散射系數(shù)和后向散射系數(shù),同時(shí)進(jìn)行多波段光度計(jì)觀測.PCASP-X2可以對0.1～10μm的氣溶膠顆粒進(jìn)行自動計(jì)數(shù)和粒徑分級,采集的顆粒物分為40檔,同時(shí)可以用于計(jì)算顆粒物的數(shù)濃度、體積濃度和有效半徑.采樣流量為 1mL/s,1s采集一組數(shù)據(jù).環(huán)境中氣溶膠粒子密度的非均一性、形狀的差異性、空氣濕度對氣溶膠密度的影響等因素會引起粒子尺度分級與捕獲效率的誤差.VPF-730能見度和天氣現(xiàn)象儀能夠測量能見度和天氣現(xiàn)象,具有很高的精度和可靠性.該儀器利用紅外線技術(shù)測量在樣品區(qū)內(nèi)的散射顆粒,得到大氣消光系數(shù),再從大氣消光系數(shù)導(dǎo)出MOR氣象光學(xué)視程和能見度.量程10m～75km,精度±2%(2km).

1.2 采樣時(shí)間與方法

觀測從2010年5月7～23日,觀測期間主要以多云、晴天為主(除8、15～17日陰,其中16日夜間有小雨).觀測地點(diǎn)設(shè)在石家莊市氣象局(114°25′E,38°02′N,海拔 81.0m)大氣探測中心三樓,距地面10m左右,濁度儀和PCASP-X2進(jìn)氣口加防蟲網(wǎng),能見度儀放在室外.觀測點(diǎn)地處石家莊市西南,毗鄰中山西路和西石環(huán)路.工業(yè)區(qū)在該市東北部,位于觀測點(diǎn)東邊的 11km華北制藥廠和東北向 15km的化肥廠具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模.還有一些粉末冶金廠、印染廠是大氣主要的污染源,西北部的建材業(yè)特別是小水泥廠粉塵污染對環(huán)境影響也很大.觀測點(diǎn)處在城市下風(fēng)方向.

同時(shí),使用自動氣象站同步測量的氣象要素,包括溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度(RH)和能見度.根據(jù)觀測的實(shí)際情況,剔除了部分由于儀器開關(guān)機(jī),人為影響產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù),最后確定 14個(gè)有效觀測日的測量結(jié)果.

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溶膠散射系數(shù)的逐時(shí)變化

圖1為觀測期間濁度儀3個(gè)波段氣溶膠散射系數(shù)和氣象要素的逐時(shí)變化圖.可以看出它們的小時(shí)平均值變化趨勢非常一致,高值區(qū)一般都出現(xiàn)在大氣條件為高濕低溫的時(shí)段.表1為觀測期間3個(gè)波段氣溶膠散射系數(shù)每5min觀測值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.從表可以看出散射系數(shù)3個(gè)波段的平均值分別為 257,199,143Mm-1,標(biāo)準(zhǔn)差為 293,237, 173Mm-1.而且散射系數(shù)的變化非常大,最大值和最小值分別相差59倍、75倍和94倍.

圖1 散射系數(shù)和氣象要素的逐時(shí)變化Fig.1 Hourly mean of the scattering coefficients and meteorological elements

本文以550nm氣溶膠散射系數(shù)的變化代表3個(gè)波段散射系數(shù)的逐時(shí)變化(下文若無具體說明,則指的是550nm氣溶膠散射系數(shù)).整體來看,大部分時(shí)間氣溶膠散射系數(shù)在300Mm-1以下,但 8日和 17日氣溶膠散射系數(shù)均出現(xiàn)高于400Mm-1的時(shí)段,尤其是 17日,散射系數(shù)大部分高于 600Mm-1,最高值接近 1200Mm-1.根據(jù)觀測的氣溶膠體積濃度和數(shù)濃度數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)這2d氣溶膠數(shù)濃度、體積濃度均較大,在與其他觀測日氣溶膠濃度相當(dāng),而相對濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他日的情況下,8日和17日散射系數(shù)遠(yuǎn)高于其他時(shí)段,吸濕增長起了重要作用[16-17].17日散射系數(shù)高出8日很多,相對濕度也高于8日,而數(shù)濃度和體積濃度比只8日稍大,認(rèn)為17日氣溶膠的吸濕增長作用更為顯著.

表1 石家莊氣溶膠3個(gè)波段散射系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics of the three wavelengths scattering coefficients measured in Shijiazhuang

圖 2為氣溶膠散射系數(shù)小時(shí)平均的統(tǒng)計(jì)分布.本研究共收集有效樣本306個(gè),區(qū)間間隔設(shè)為100Mm-1.從圖2可以看出,石家莊氣溶膠散射系數(shù)小時(shí)平均值出現(xiàn)最高的區(qū)間為 0～100Mm-1,占到總數(shù) 41.5%,而 200Mm-1以下則占到總數(shù)的73.1%,比其他區(qū)間高出許多.

圖2 散射系數(shù)小時(shí)平均的統(tǒng)計(jì)分布Fig.2 Statistical distribution of the scattering coefficients

2.2 氣溶膠散射系數(shù)的日變化

圖3為氣溶膠散射系數(shù)日變化.可以看出,3個(gè)波段的散射系數(shù)變化趨勢非常一致.認(rèn)為期間氣溶膠的微物理特性基本不變,而僅僅是濃度在改變.同時(shí),利用PCASP-X2數(shù)據(jù)得到觀測期間多個(gè)觀測時(shí)段的大氣氣溶膠的粒子譜(圖 4),可以看到所有時(shí)間段氣溶膠譜型基本一致,只是大粒徑段稍有差異,表明觀測期間觀測點(diǎn)氣溶膠源比較穩(wěn)定,沒有受到外來氣溶膠輸送的影響,氣溶膠的微物理特性基本不變,與濁度儀3個(gè)波段散射系數(shù)的數(shù)據(jù)很好的配合起來.從圖3還可以看出,550nm氣溶膠散射系數(shù)的變化范圍為 144～308Mm-1,平均值為197Mm-1,標(biāo)準(zhǔn)差為 47Mm-1,夜間高于白天,夜間極大值是白天極大值的 1.54倍.總體呈三峰分布,峰值所對應(yīng)的時(shí)間為8:00、13:00和0:00,下午16:00出現(xiàn)全天散射系數(shù)最低值.早晨,由于逆溫層依然存在,以及炊事活動、上班高峰的汽車尾氣排放和揚(yáng)塵造成散射系數(shù)高值.13:00氣溶膠散射系數(shù)達(dá)到一個(gè)次峰值,這與氣溶膠數(shù)濃度日變化(圖略)是一致的,這可能是二次氣溶膠引起的.午后,太陽輻射達(dá)到最強(qiáng),地面溫度增高,對流增強(qiáng),近地面污染物被輸送到上層,地面污染物濃度逐步下降,對應(yīng)于16:00散射系數(shù)極小值.16:00以后,伴隨著太陽輻射的減弱,逆溫層開始出現(xiàn),邊界層下降,大氣層結(jié)穩(wěn)定,加之可能夜間企業(yè)排放管制較少,地面污染物濃度逐漸增加,散射系數(shù)也隨之變大,到第2日0:00達(dá)到1d的最大值.

圖3 散射系數(shù)日變化Fig.3 Diurnal variation of the scattering coefficients

觀測期間只有16日夜間有零星降水,期間濁度儀關(guān)閉,所以觀測數(shù)據(jù)并沒有受到降水的影響.對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,按照云量分為晴天和非晴天(多云和陰天).這 2種不同天氣下,散射系數(shù)平均值分別為 112.3Mm-1和 524.9Mm-1,標(biāo)準(zhǔn)差為40.6Mm-1和 138.1Mm-1.非晴天散射系數(shù)平均值是晴天的 4.7倍,比柯宗建[11]在上甸子地區(qū)的觀測結(jié)果高出許多,這說明石家莊非晴天狀態(tài)下空氣污染異常嚴(yán)重.圖5為不同天氣條件下氣溶膠散射系數(shù)的日變化,可以看出晴天的散射系數(shù)基本在100Mm-1左右,而且變化很平緩,但還是有比較明顯的日變化特征.非晴天的散射系數(shù)高出晴天許多,波動比較大,變化范圍為 300～850Mm-1,這是因?yàn)殛幪焯鞖庀到y(tǒng)比較穩(wěn)定,邊界層較低,近地面的氣溶膠粒子擴(kuò)散緩慢外,而且觀測點(diǎn)局地風(fēng)速風(fēng)向,污染源排放情況以及周邊輸送情況都會影響散射系數(shù)的變化.

圖4 觀測期間粒子數(shù)濃度隨粒徑的變化Fig.4 The spectrums of aerosols in the observation

圖5 不同天氣條件下散射系數(shù)的日變化Fig.5 Diurnal variation of the scattering coefficients in different weather conditions

2.3 后向散射比

圖6為石家莊氣溶膠后向散射比的變化圖.以λ=550nm后向散射比為例,可以看出,后向散射比的日變化有略微波動,但總體上,上午呈增加趨勢,中午13:00達(dá)到峰值.這表明大氣中細(xì)粒子的含量在不斷增加,到13:00細(xì)粒子達(dá)到峰值,這與前面散射系數(shù) 13:00的次峰值對應(yīng).而且下午后向散射比明顯偏高,這與下午出現(xiàn)總散射系數(shù)的低值相對應(yīng).還可以看出,后向散射比在3個(gè)波段的變化趨勢一致,均在 0.15以上,平均值分別為0.161(450nm),0.175(550nm)和 0.201(700nm),大于蘭州觀測的結(jié)果[10].根據(jù) Mie散射理論計(jì)算,當(dāng)氣溶膠后向散射比大于 0.1,氣溶膠粒子大部分小于 1.5μm.從表 2可以看出,觀測期間小于1μm的粒子占到粒子總數(shù)的99.97%.這兩者都說明石家莊細(xì)粒子污染比較嚴(yán)重,與翟晴飛等[18]對石家莊的研究結(jié)果一致,而粒徑0.05～1.5μm的氣溶膠粒子對太陽輻射和散射的影響最大[19].

圖6 氣溶膠后向散射比日變化Fig.6 Diurnal variation of the ratio of backscattering coefficient to total scattering coefficient

2.4 散射系數(shù)和體積濃度、數(shù)濃度的關(guān)系

氣溶膠的質(zhì)量濃度和散射系數(shù)之間存在一定的相關(guān)性,一般氣溶膠質(zhì)量濃度越高,散射系數(shù)越大.對于單位質(zhì)量的氣溶膠,細(xì)粒子的散射作用明顯大于粗粒子[20].本文假設(shè)氣溶膠密度恒定,利用PCASP-X2的體積濃度數(shù)據(jù),得到氣溶膠散射系數(shù)與體積濃度逐時(shí)變化圖,近似表示氣溶膠散射系數(shù)與質(zhì)量濃度的關(guān)系.圖7和圖8分別為氣溶膠散射系數(shù)和體積濃度的逐時(shí)變化.

圖7 氣溶膠散射系數(shù)逐時(shí)變化Fig.7 Hourly mean of the scattering coefficients of aerosol

圖8 氣溶膠體積濃度逐時(shí)變化Fig.8 Hourly mean of the volume concentration of aerosol

由圖7、圖8可以看出,散射系數(shù)和體積濃度的變化趨勢基本一致,只是在15日出現(xiàn)了氣溶膠體積濃度很大,散射系數(shù)很小的情況.出現(xiàn)上述差異可能有以下原因,15日上午為偏西風(fēng),附近公路粒徑較大的粒子被吹向觀測點(diǎn),造成體積濃度不斷增大.研究表明[21],當(dāng)大氣中有較多大粒子,質(zhì)量濃度表現(xiàn)為較大值,散射系數(shù)并不一定表現(xiàn)為大值.伴隨著風(fēng)速的減小,體積濃度急劇減小,但顆粒物數(shù)濃度(圖9)依然在高值波動,認(rèn)為是大粒子的沉降及空氣濕度降低造成的.大粒子比例逐漸下降使散射系數(shù)有上升趨勢,濕度下降使散射系數(shù)有下降趨勢,而該時(shí)段散射系數(shù)變化比較平緩可能是這兩個(gè)因素的綜合效果.15日中午起,持續(xù)偏東風(fēng),風(fēng)速達(dá)到 4m/s,較大的風(fēng)速將市中心污染物刮向觀測點(diǎn),數(shù)濃度維持在高值,伴隨著空氣濕度不斷增大,體積濃度也不斷增大.當(dāng)日下午后向散射比為0.18,大于上午的0.15,說明下午細(xì)粒子含量大與上午.但散射系數(shù)波動很小,始終維持在100Mm-1左右,這可能與市區(qū)污染物中黑炭含量較多有關(guān)[22],也說明了細(xì)粒子組分是造成氣溶膠散射系數(shù)波動的重要原因.另外,16日夜間有降水發(fā)生,在雨水的沖刷作用下顆粒物數(shù)濃度、體積濃度和散射系數(shù)均出現(xiàn)下降.17日風(fēng)速減小到1m/s左右,相對濕度達(dá)到觀測階段的最高值,污染物濃度維持在高水平,散射系數(shù)也達(dá)到觀測階段的最高值,但受風(fēng)向、局地源和氣象條件的影響,波動很大.上午西風(fēng)條件和高濕環(huán)境與午后東風(fēng)和高濕環(huán)境影響的散射系數(shù)和體積濃度差別較大.東風(fēng)條件下市區(qū)污染物被刮向觀測點(diǎn),造成顆粒物數(shù)濃度、體積濃度增大,同時(shí)城市氣溶膠中的硫酸鹽等吸濕性顆粒較多[23],吸濕增長使散射系數(shù)明顯增大,而西風(fēng)條件下可能更多是揚(yáng)塵、沙塵、生物質(zhì)燃燒物等對水汽并不敏感的顆粒.可見,具體的天氣特征、局地氣象條件和局地源都會對氣溶膠的散射特性產(chǎn)生影響.

對散射系數(shù)和體積濃度做小時(shí)平均,得出散射系數(shù)與體積濃度散點(diǎn).如圖 10所示,可以看出散點(diǎn)分為兩部分,一部分隨著體積濃度的增大散射系數(shù)增大,而且隨著相對濕度的增大,這部分氣溶膠的散射系數(shù)也是增大的,認(rèn)為吸濕性顆粒在高濕度條件下吸濕長大,造成體積濃度增大,散射系數(shù)增大;另一部分則是隨著體積濃度的增大,散射系數(shù)變化不大,始終維持在200Mm-1上下,而且相對濕度的增大并沒有對這部分氣溶膠散射特性造成影響.從圖7、圖8知道這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要來自14、15、21日.由于氣溶膠射系數(shù)的變化不但與顆粒物濃度有關(guān),還與氣溶膠譜分布和化學(xué)成分有關(guān).因?yàn)槿狈馊苣z化學(xué)成分的觀測資料,本文僅從氣溶膠的譜分布對散射特征的影響做出分析.設(shè)10、11、12日氣溶膠譜為情況1,14、15、21日為情況2.情況1和情況2散射系數(shù)差別很小,均在200 Mm-1左右,但情況1氣溶膠數(shù)濃度和體積濃度均小于情況2很多.圖11為2種情況下日平均氣溶膠譜對比.情況2譜寬于情況1,而且大粒子濃度大于情況 1.大粒子對于體積濃度的貢獻(xiàn)要大于細(xì)粒子的貢獻(xiàn),可以認(rèn)為圖10那部分體積濃度增大散射系數(shù)變化不大情況的出現(xiàn)是由大粒子造成的,并且可以認(rèn)為其主要為沙塵、揚(yáng)塵類非吸濕性顆粒.

表2 不同粒徑范圍顆粒物的數(shù)濃度Table 2 Particle number concentration in different size

圖9 氣溶膠數(shù)濃度逐時(shí)變化Fig.9 Hourly mean of number concentration of aerosol

圖10 散射系數(shù)與體積濃度散點(diǎn)Fig.10 Scattergram of the scattering coefficients and volume concentration

圖11 兩種不同情況氣溶膠譜的對比Fig.11 Comparison of the aerosol spectrum in two different cases

2.5 散射系數(shù)和氣象因子的關(guān)系

2.5.1 散射系數(shù)和能見度的關(guān)系 大氣能見度可以反映大氣渾濁度和空氣污染狀況,影響景觀和人居環(huán)境[4,24-27].因此,大氣能見度成為當(dāng)前區(qū)域大氣環(huán)境研究的重要指標(biāo)之一[27].由圖 12可以看出,氣溶膠散射系數(shù)和大氣能見度呈明顯的負(fù)相關(guān).但在15日出現(xiàn)了散射系數(shù)小而能見度仍然很小的現(xiàn)象,這說明僅靠散射系數(shù)數(shù)據(jù)不能全面解釋顆粒物消光效應(yīng)對能見度的影響.大氣氣溶膠譜分布和成分都會影響顆粒物的消光作用.碳是大氣顆粒物的重要成分,顆粒物中的含碳量,大氣NOx分子都會對能見度產(chǎn)生影響[28-31].

圖 13是利用上式計(jì)算得到的能見度值與能見度儀和人工觀測的實(shí)際能見度變化.可以看出,除14日和15日誤差較大外,計(jì)算值和實(shí)際值之間存在很好的吻合性,實(shí)際能見度升高或降低的地方,計(jì)算值同樣出現(xiàn)升高或降低.14日和15日出現(xiàn)較大誤差主要是由于觀測得到的氣溶膠散射系數(shù)很小,而計(jì)算結(jié)果認(rèn)為當(dāng)天的散射消光占總消光的比例仍為 70%,這與實(shí)際情況有較大差別.總體看來,計(jì)算值偏大,能見度儀觀測值偏小.這主要是由于計(jì)算時(shí)忽略了分子的消光作用,以及對石家莊氣溶膠散射消光占總消光比例的假設(shè)與實(shí)際情況有所差別,再加上能見度儀對近距離揚(yáng)塵的敏感和濁度儀本身的測值誤差.根據(jù)對能見度儀和濁度儀數(shù)據(jù)反算可知,石家莊粒子散射系數(shù)占消光系數(shù)的 50%～70%,這說明石家莊黑炭污染異常嚴(yán)重,而燃煤和汽油柴油機(jī)動車是碳成分的主要來源[34],適當(dāng)控制燃煤企業(yè)排放和機(jī)動車數(shù)量,對提高石家莊市大氣能見度有重要作用.

圖12 散射系數(shù)和大氣能見度隨觀測時(shí)間的變化Fig.12 Variation of the scattering coefficients and visibility

圖13 能見度計(jì)算值、VPF-730觀測值和人工觀測值隨觀測時(shí)間的變化Fig.13 Variation of the visibility of calculation, VPF-730 and artificiality

2.5.2 散射系數(shù)和相對濕度的關(guān)系 懸浮在大氣中的氣溶膠顆粒,其形態(tài)、性質(zhì)無時(shí)無刻不在發(fā)生著各種變化,而大氣中的水汽就是影響這種變化的最重要的因子之一.當(dāng)相對濕度較大時(shí),水汽在氣溶膠表面凝結(jié),使得氣溶膠顆粒增大,從而導(dǎo)致質(zhì)量濃度、粒徑和復(fù)折射指數(shù)等性質(zhì)發(fā)生改變,從而影響氣溶膠的散射能力.計(jì)算表明[16],當(dāng)相對濕度為 85%時(shí),硫酸銨粒子譜(Dp=0.4μm, σ=1.9)的散射系數(shù)為干氣溶膠的 3.33倍. Koloutson-Vakakis等[17]在伊利斯諾州的觀測表明,當(dāng)相對濕度為 82.5%時(shí),觀測點(diǎn)氣溶膠顆粒的總散射系數(shù)為干氣溶膠總散射系數(shù)的1.4～1.5倍,后向散射能力提高了1.1～1.2倍.另外,Malm等[35]的研究表明,氣溶膠散射能力對相對濕度的響應(yīng)與氣溶膠的顆粒物的化學(xué)組成有密切的關(guān)系.

圖14 體積散射系數(shù)與相對濕度關(guān)系散點(diǎn)Fig.14 Scattergram of the scattering coefficients and relative humidity

圖14為石家莊氣溶膠單位體積散射系數(shù)與相對濕度關(guān)系.可以看出,當(dāng)相對濕度低于40%時(shí),單位體積氣溶膠散射系數(shù)對相對濕度的響應(yīng)并不明顯,可以認(rèn)為是干氣溶膠的體積散射系數(shù);而當(dāng)相對濕度達(dá)到 57%以上時(shí),氣溶膠體積散射系數(shù)隨相對濕度的變化分為明顯的兩部分,一部分有明顯的增大過程,當(dāng)相對濕度為90%以上時(shí),趨勢更為明顯,說明氣溶膠吸濕增長對其散射特性的巨大影響,進(jìn)一步驗(yàn)證了圖 10的結(jié)果.但還有一部分氣溶膠體積散射系數(shù)隨著相對濕度的增加并未增大,反而比干氣溶膠單位體積散射系數(shù)要小,前文認(rèn)為這部分氣溶膠為沙塵、揚(yáng)塵類氣溶膠,其對體積濃度貢獻(xiàn)較大,但對水汽并不敏感[17,35],散射系數(shù)隨相對濕度增加變化不大,進(jìn)而導(dǎo)致單位體積散射系數(shù)較小.

2.5.3 散射系數(shù)和風(fēng)向的關(guān)系 從圖15可以看出,散射系數(shù)、數(shù)濃度進(jìn)和積濃度的高值區(qū)均出現(xiàn)在東偏南扇區(qū)上,而低值則出現(xiàn)在偏西扇區(qū).石家莊市氣象局地處石家莊市區(qū)偏西南方向,西邊靠近公路,接近郊區(qū).氣象局東南4公里處有兩個(gè)大的工業(yè)園區(qū),正東則為石家莊市中心,當(dāng)風(fēng)速稍大時(shí),會將工業(yè)園區(qū)和市中心的污染物吹向觀測點(diǎn).分別對 90～150°,240～300°兩個(gè)扇區(qū)氣溶膠數(shù)濃度、體積濃度和散射系數(shù)求平均,得出偏西南方向三者均值分別為 2639個(gè)/cm3,9.1μm3/cm3, 166.4Mm-1,而偏西方向則為 1834個(gè)/cm3, 5.5μm3/cm3和 122.8Mm-1.還可以看出,在西北扇區(qū)上,數(shù)濃度和體積濃度有一些高值出現(xiàn),但相應(yīng)的散射系數(shù)在西北扇區(qū)上很少有高值出現(xiàn),這也從側(cè)面反映了影響氣溶膠射系數(shù)的因素,除了數(shù)濃度的大小,還與氣溶膠源密切相關(guān).

圖15 氣溶膠的散射系數(shù)、數(shù)濃度、體積濃度與風(fēng)向的關(guān)系Fig.15 Relations between the aerosol scattering coefficients, number concentration and volume concentration with wind direction

3 結(jié)論

3.1 石家莊氣溶膠散射系數(shù)3個(gè)波段的平均值分別為 257,199,143Mm-1,標(biāo)準(zhǔn)差為 293,237, 173Mm-1,散射系數(shù)的變化很大.3個(gè)波段散射系數(shù)變化趨勢一致,氣溶膠微物理特性比較穩(wěn)定,但由于局地氣象條件差異,散射系數(shù)出現(xiàn)波動.散射系數(shù)日變化呈三峰分布,峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為8:00、13:00和0:00,夜間散射系數(shù)明顯大于白天.晴天散射系數(shù)變化平緩,非晴天波動較大,非晴天散射系數(shù)平均值是晴天散射系數(shù)的4.7倍.

3.2 氣溶膠3個(gè)波段后向散射比變化趨勢一致,比值均大于 0.15,表明石家莊市大氣氣溶膠中細(xì)粒子含量較大.散射系數(shù)和體積濃度成正比,但因?yàn)榫值貧庀髼l件的影響,有氣溶膠體積濃度變大,散射系數(shù)變化不大的情況出現(xiàn).

3.3 氣溶膠散射系數(shù)和能見度呈負(fù)相關(guān).根據(jù)散射系數(shù)計(jì)算得到的能見度,能較好的反應(yīng)能見度的實(shí)際情況.石家莊散射消光占總消光的50%～70%,黑炭污染比較嚴(yán)重.

3.4 由于氣溶膠類型的差異,當(dāng)石家莊大氣相對濕度較高時(shí),氣溶膠散射系數(shù)呈現(xiàn)兩種不同的變化趨勢.局地風(fēng)向會顯著影響氣溶膠散射特性.當(dāng)為東南風(fēng)時(shí),氣溶膠散射系數(shù)有高值出現(xiàn),而刮偏西風(fēng)時(shí)散射系數(shù)則相對較低.

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