西安涇河夏季黑碳氣溶膠及其吸收特性的觀測研究

杜川利,余 興,李星敏,陳 闖,王繁強,彭 艷,董 妍,董自鵬 (陜西省氣象科學(xué)研究所,陜西 西安 710015)

黑碳是含碳物質(zhì)在不完全燃燒中產(chǎn)生的顆粒物,是元素碳及其黏附在一起的一些有機物的混合物.除了自然產(chǎn)生的森林大火外,大部分的黑碳主要由人為活動產(chǎn)生,如燃料燃燒以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中物質(zhì)的燃燒,因此大氣氣溶膠中的黑碳常常被用作人類活動的指示物[1].黑碳在大氣中可滯留 1周左右,通過干沉降和降雨、雪等濕沉降過程被清除,據(jù)統(tǒng)計,每年通過干、濕去除過程向全球海洋沉降的黑碳量分別為2和 10Tg/a[2].基于2000年統(tǒng)計資料顯示,全球化石燃料燃燒排放的黑碳氣溶膠為(以C 計)2.8Tg/a,且從20世紀50年代以來增加了約3倍,黑碳排放中心從北美和西歐向位于熱帶地區(qū)和東亞的發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移[3],其中我國2000年排放149.94萬t,成為全球重要的碳排放源.

黑碳氣溶膠作為氣溶膠的一種,對于氣候變化和大氣環(huán)境有著非常重要的影響[4].氣溶膠可以通過直接和間接兩種效應(yīng)作用于大氣輻射強迫過程,而黑碳氣溶膠在上述兩種效應(yīng)中均占有重要地位[5].黑碳氣溶膠對太陽輻射的強烈吸收作用,以及潛在的氣候強迫效應(yīng)已成為氣溶膠氣候效應(yīng)研究中的一個重要內(nèi)容[6-7].

從 20世紀 80年代開始,世界氣象組織(WMO)全球大氣監(jiān)測網(wǎng)(GAW)的各監(jiān)測站普遍開展大氣本底黑碳氣溶膠連續(xù)觀測.我國相關(guān)的研究工作開展較晚,到20世紀90年代以后,才陸續(xù)開始在臨安[8]、北京[9]、瓦里關(guān)[10]、南京[11]等地開展黑碳氣溶膠觀測.

我國目前有不少大氣成分觀測站,使不少地區(qū)大氣中黑碳氣溶膠含量及變化規(guī)律得到確認.蔡子穎等[12]發(fā)現(xiàn)天津市夏季黑碳氣溶膠濃度均值為6.3μg/m3,占PM10質(zhì)量濃度的4.17%,其吸收消光占氣溶膠總體消光的 10.23%.張磊等[13]發(fā)現(xiàn)沙塵氣溶膠對黑碳濃度的影響取決沙塵過程的強度、沙塵攜帶的人為污染物的種類及數(shù)量、黑碳顆粒被其他氣溶膠混合和包裹的程度.吳兌等[14]利用其他儀器對黑碳儀觀測結(jié)果進行了訂正,并分別測量了 PM10、PM2.5、PM1.0中黑碳的濃度,分析了黑碳濃度與吸收系數(shù)、濁度計觀測的散射系數(shù)、以及導(dǎo)出的單次散射反照率.車慧正等[15]利用天空輻射計得到北京地區(qū)大氣氣溶膠單次散射反照率和粒子譜分布變化特征,發(fā)現(xiàn)冬季由于黑碳氣溶膠吸收影響會降低氣溶膠單次散射反照率.朱崇抒等[16]發(fā)現(xiàn)西安黑碳氣溶膠濃度變化幅度很大,全年黑碳日均濃度變化范圍為 1.4～30μg/m3,平均值為 10μg/m3,秋、冬季其濃度具有明顯的雙峰特征.

西安涇河大氣成分觀測站建在西安涇河經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內(nèi)一座小山上,距離市中心直線距離20.5km,南鄰渭河,周圍比較空曠,沒有高大的建筑物群,也沒有明顯的黑碳排放源.與文獻[17]觀測站的位置相比,遠離都市中心,適合測量較大區(qū)域黑碳氣溶膠、顆粒物濃度等大氣污染.西安作為我國西北重要的政治、文化、經(jīng)濟中心,具有不同于其他城市的大氣污染特征,因此,將涇河站作為代表站,對西安地區(qū)黑碳氣溶膠、消光系數(shù)、吸收系數(shù)等表征大氣氣溶膠狀況的物理參量進行研究,可以更好地了解西北內(nèi)陸城市黑碳氣溶膠的分布特征和變化規(guī)律,對研究大氣環(huán)境污染、氣溶膠氣候效應(yīng)有重要意義.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究資料

本文所用數(shù)據(jù)主要有黑碳質(zhì)量濃度、顆粒物濃度、大氣能見度、以及相關(guān)時間段的邊界層探空數(shù)據(jù)、常規(guī)氣象數(shù)據(jù)等,起止時間為2011年6月1日～8月31日.黑碳濃度資料由中國氣象局大氣成分觀測網(wǎng)中的西安涇河站提供,該站點設(shè)立在西安涇河國家氣候觀象臺觀測場內(nèi)(34.43°N,108.96°E,海拔 411m),設(shè)備都架設(shè)在標準集裝箱頂部.

黑碳采樣儀器為美國瑪基科學(xué)公司生產(chǎn)的AE-31型黑碳測量儀(Aethalometer).該儀器是一種基于濾膜測量氣溶膠光吸收的技術(shù)(光學(xué)灰度測量法),原理是通過實時測量石英濾紙帶上收集的粒子對光的吸收造成的衰減,并假定透過濾膜的光衰減是由黑碳吸收造成的,測量從370～950nm的7個波段的光學(xué)吸收,由此根據(jù)連續(xù)測量透過濾膜光衰減的變化計算出黑碳的濃度.黑碳測量儀具有內(nèi)置泵,采樣頭與測量儀器相連,管長 3m,儀器內(nèi)部安裝有濾紙帶,以平均每5min獲取一個數(shù)據(jù), 流量為3.8～4.0LPM.該儀器已經(jīng)廠家標定.資料格式是每 5min7個波段(370～950nm)的黑碳濃度測量值,通過進一步整理和分析,對于一些有明顯錯誤的數(shù)據(jù)(如負值)進行剔除.

在一定范圍內(nèi),光學(xué)衰減量與單位面積采樣膜上黑碳氣溶膠的沉積量有如下線性關(guān)系:

式中:Δ ATNλ為某一波長光采樣一個周期的光學(xué)衰減量;ln為自然對數(shù);I0為采樣前透過濾膜的光強;I為采樣后透過濾膜的光強;σλ為某一波長光黑碳氣溶膠的比衰減系數(shù),表示單位面積沉積在濾膜上單位質(zhì)量黑碳氣溶膠對光的衰減率,為m2/g.

對于880nm波段來說,根據(jù)黑碳氣溶膠的不同來源及混合狀態(tài),λσ在一定范圍內(nèi)變化,一般在 10～19m2/g,本文采用的是廠家推薦的16.6m2/g,BC為單位面積采樣膜上的黑碳質(zhì)量,單位為 g/m2[14].在此基礎(chǔ)上,計算出 880nm 波段黑碳小時濃度值,以便對黑碳日變化和各月變化特征進行分析.

顆粒物濃度觀測采用德國 GRIMM Aerosol公司生產(chǎn)的GRIMM180顆粒物監(jiān)測儀.該顆粒物監(jiān)測儀基于激光散射光譜法原理,采用 685nm高頻率激光脈沖照射由抽氣泵以恒定流量(1.2L/Min)將環(huán)境空氣吸入測量室的樣品,如有顆粒物存在,激光照在上面會發(fā)生散射,散射光經(jīng)反射鏡(與激光照射方向成 90°角)聚焦后到達對面的檢測器,根據(jù)檢測器接收到脈沖信號的頻次和強弱,可得出顆粒物的數(shù)量和所屬粒徑范圍,進而得出顆粒物的濃度.可以每5min實時測量0.25～30μm范圍內(nèi)31個粒徑段的氣溶膠數(shù)濃度以及 PM10、PM2.5及 PM1.0質(zhì)量濃度.

1.2 常規(guī)地面氣象要素確定邊界層高度

利用地面氣象記錄,根據(jù)大氣穩(wěn)定度計算邊界層高度.常用的大氣穩(wěn)定度分類方法有帕斯奎爾(Pasquill)法和國際原子能機構(gòu)IAEA推薦的方法,這里主要用前者.它分為強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定、穩(wěn)定六級,分別表示為 A、B、C、D、E、F.該方法主要是根據(jù)太陽高度角計算出太陽輻射等級,然后再根據(jù)當時云量、風(fēng)速等地面氣象要素確定穩(wěn)定度等級.

常用計算邊界層高度的方法有幾種,本文主要用羅氏法計算.計算的邊界層頂高度利用同期探空數(shù)據(jù)進行驗證.

Nozaki等[18]1973年提出一種用地面氣象資料估算混合層高度的方法即羅氏法.他們認為大氣混合層是由熱力湍流和機械湍流共同作用的結(jié)果,而且邊界層上部大氣運動狀況與地面氣象參數(shù)間存在著相互聯(lián)系和反饋作用,因此可以用地面氣象資料來估算大氣混合層高度.計算公式如下:

式中:T為地面氣溫;Td為露點溫度;uz為z高度處的平均風(fēng)速;z0為地面粗糙度(涇河站地面粗糙度定為 0.5m); f為柯氏參數(shù);P為帕斯圭爾穩(wěn)定度級別.

2 夏季黑碳氣溶膠變化特征及原因

2.1 黑碳氣溶膠濃度逐時時間序列

圖1是西安夏季(2011年6月1日至2011年 8月 31日)黑碳氣溶膠濃度逐時的平均圖,其中橫坐標代表從逐日時間,縱坐標代表每日24小時濃度值,圖中色塊代表小時平均濃度,深黑色代表黑碳濃度最高超過 15μg/m3,淺黃色代表最低在 1μg/m3,空白處數(shù)據(jù)缺測.西安 2011年 6月 1日～2011年8月31日黑碳氣溶膠濃度(圖1),從6月開始是依次減少.黑碳濃度超過 10μg/m3的時次7月份最多,6月次之,8月最少.從24h黑碳濃度變化來看,上午和晚上有兩個很明顯峰值區(qū),午后有一很明顯低值區(qū).

西安地處關(guān)中平原,地形屬于兩邊高,中間低,是典型的川道平原地區(qū).而西安位于川道中部,所以無論是秋冬季盛行西北風(fēng)還是春夏季偏東北風(fēng),都會將周圍地區(qū)黑碳氣溶膠吹向該地.再加上西安市是陜西乃至西北最大的省會城市,由于人口眾多、交通繁忙,同時周圍有較大企業(yè)和熱電廠,導(dǎo)致西安涇河夏季黑碳濃度高.由于遠離繁華城區(qū),所以無論是平均值還是變化范圍,西安涇河地區(qū)秋冬季黑碳濃度普遍低于西安市區(qū)黑碳濃度值[16-17].這主要是因為上述文獻中測站的位置位于西安高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi),就在西安繁華的城區(qū)內(nèi),同時,由于其距離南邊秦嶺較近(距離山邊約 20km),導(dǎo)致污染物無法向南邊擴散,造成觀測值偏高.而涇河位于西安城區(qū)北部,遠離鬧市區(qū),同時北面是開闊的平原,有利于城區(qū)產(chǎn)生污染物向北擴散,所以,該站黑碳氣溶膠觀測值能代表這個地區(qū)黑碳氣溶膠濃度.

由圖 2可見,6～8月日平均黑碳濃度與圖 1變化情況基本一致.其中 6月份日均值變化范圍在2.6～13.4μg/m3,平均值為6.49μg/m3;7月份日均值變化范圍在2.7～12.1μg/m3,平均值為6.17μg/m3;8月份日均值變化范圍在 2.0～10.74μg/m3,平均值為5.549μg/m3.從變化過程來看,6 月份持續(xù)偏低,7月黑碳濃度呈一定的周期性變化,8 月呈現(xiàn)由高到低,再到高的變化.出現(xiàn)這種變化特點,與各月天氣狀況和邊界層結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系.

圖1 西安夏季黑碳氣溶膠濃度逐時變化特征Fig.1 Variations of black carbon during summer 2011 at Xi'an

圖2 西安夏季黑碳氣溶膠濃度日平均變化特征Fig.2 Daily variations of Black Carbon during summer 2011 at Xi’an

2.2 黑碳濃度日變化特征及與顆粒物濃度關(guān)系

由圖3a可見,黑碳氣溶膠濃度日變化呈現(xiàn)明顯的雙峰分布,峰值出現(xiàn)在08:00和23:00,濃度分別是9.08μg/m3和9.1μg/m3,兩個谷值分別出現(xiàn)在06:00和15:00,濃度分別是7.38μg/m3和4.2μg/m3,日內(nèi)最高值與最低值分別為 9.1μg/m3和4.2μg/m3,其濃度的日內(nèi)變化幅度主要反映了當?shù)睾谔寂欧旁吹淖兓约按髿膺吔鐚禹敻叨茸兓瘜ζ涞挠绊慬19].

為了分析夏季西安涇河黑碳氣溶膠與顆粒物濃度的關(guān)系,分析了黒碳氣溶膠占 PM1.0比值變化及PM1.0、PM2.5、PM10觀測值的日變化.

由圖 3a可見,比值日變化呈單峰單谷分布,峰值出現(xiàn)在 23:00,比值是 45.5%,谷值出現(xiàn)在06:00,比值是23.6%,日內(nèi)最高值與最低值比值相差近 2倍.這表明在一天當中,黑碳氣溶膠在PM1.0顆粒物濃度的比值變化相當大.正如前言所述,城市黑碳氣溶膠基本上都是人為活動引起的,所以上述比值是與城市中人為活動相關(guān)的(比如生火做飯、交通活動、工廠上下班、電廠用電高峰等).從06:00該比值最低開始,城市開始蘇醒,人為活動開始增多,直到上午 08:00達到一個高值,然后,人為活動開始有一減小期;到 11:00以后,又有一個增加期,直到13:00;從15:00以后,有一個急速增加期,到晚上 18:00達到一天中次高點;在19:00稍有下降,隨著人們夜生活的開始,該比值持續(xù)增加,在 21:00達到一天中最高值;最后,隨著時間漸晚,人為活動減少,該比值迅速減小.可見,該比值完全可以反映城市人為活動的變化規(guī)律.

圖3 西安夏季黑碳氣溶膠濃度和顆粒物濃度日變化Fig.3 Diurnal variations of black carbon and particle mass concentrations during summer at Xi'an

黑碳氣溶膠濃度在PM1.0中所占比例一天中變化較大,所以有必要分析不同級別顆粒物質(zhì)量濃度與黑碳氣溶膠濃度之間的關(guān)系.從圖3b可見,從日變化形態(tài)上PM10更接近黑碳氣溶膠濃度的分布.所以,為進一步分析黑碳氣溶膠與顆粒物濃度之間的關(guān)系,計算黑碳氣溶膠與PM1.0、PM2.5、PM10之間相關(guān)系數(shù)分別為0.695、0.856、0.914.由于黑碳氣溶膠是由于化石和生物質(zhì)燃料不完全燃燒產(chǎn)生的,粒子尺度在 0.01～1μm,按理說應(yīng)該與 PM1.0之間的相關(guān)關(guān)系要好于 PM10.但是從計算的結(jié)果來看,情況確是相反的.雖然BC粒子尺度在 0.01～1μm,基本屬于 PM1.0,但 PM1.0中含有大量二次氣溶膠粒子,而二次氣溶膠的日變化強烈受氣象條件的日變化影響,BC是一次氣溶膠,PM10中主要也是一次氣溶膠,其日變化主要受排放源的日變化影響,因此BC和PM10的相關(guān)性要更高.

2.3 風(fēng)向和風(fēng)速對黑碳氣溶膠的影響

風(fēng)向、風(fēng)速對大氣污染物的堆積和傳輸有重要作用.在西安城區(qū),由于地面建筑多,高樓大廈林立,使地面粗糙度增大,導(dǎo)致城區(qū)風(fēng)速明顯減弱,不利于污染物擴散,造成大氣中黑碳氣溶膠濃度明顯高于城郊濃度[17].不同風(fēng)向會造成污染物的輸送,由于西安位于關(guān)中平原中部,不同風(fēng)向都會造成其他區(qū)域污染物向該區(qū)輸送.

圖4 西安夏季黑碳氣溶膠濃度與風(fēng)向和風(fēng)速關(guān)系Fig.4 Relationship between black carbon and wind

由于涇河大氣成分觀測站位于西安城區(qū)北部,從圖 4a可以很明顯看出,該站受從城區(qū)方向(西南風(fēng)向)過來氣流的影響,造成黑碳氣溶膠測量濃度較高.涇河站夏季盛行東北風(fēng)和西南風(fēng),這與環(huán)流形勢有很大關(guān)系(由于陜西夏季主要受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響).受東北風(fēng)影響時,由于上游沒有大的城市污染,對涇河黑碳氣溶膠濃度有一些影響;受西南風(fēng)向影響時,由于城區(qū)位于測站西南方向,導(dǎo)致此方向氣流將城區(qū)大氣污染物輸送到測站位置,造成該風(fēng)向黑碳氣溶膠測量濃度明顯高于其他風(fēng)向;偏西氣流雖然頻率少,但是由于測站西部是西-咸一體化城市咸陽,造成的污染也不低;另外,偏南氣流同樣也將部分城市污染物輸送到測站,造成觀測值同樣不低;只有氣流方向從東部和東南方向來時,由于該方向是從秦嶺山區(qū)來,空氣比較清潔,所以造成該方向黑碳氣溶膠濃度最低.通過統(tǒng)計計算,八個方向下平均黑碳濃度從小到大排列分別為E、NE、SE、S、SW、N、W、NW.

從圖4b可以看出,風(fēng)速對黑碳濃度影響有不同作用.風(fēng)速過小不利于污染物輸送,風(fēng)速在1m/s以下時,由于氣流的輸送作用較小,測站的污染物只有局地的;當風(fēng)速到達 2m/s時,由于受從其他地區(qū)輸送污染物的影響,這時測站所測黑碳氣溶膠濃度值達到最大;風(fēng)速超過 3m/s以后,由于氣流作用,使大氣污染物很難堆積,所以造成黑碳氣溶膠隨風(fēng)速增大濃度逐步減小,特別是風(fēng)速大于6m/s以后,黑碳濃度很少超過5μg/m3.

2.4 城市邊界層頂變化對黑碳氣溶膠的影響

黑碳氣溶膠濃度除了受風(fēng)向、風(fēng)速影響,還受邊界層頂高度的影響,也就是大氣湍流擴散的高度.邊界層頂高度越高,單位氣柱內(nèi)容納的污染物濃度越少,觀測值越低;邊界層頂高度越低,單位氣柱內(nèi)容納的污染物濃度越多,觀測值越高.

由圖 5a可見,05:00～06:00,雖然邊界層頂高度較低,風(fēng)速較小,但是街上機動車數(shù)量不多,黑碳排放較少,所以黑碳濃度達到低點.07:00以后,此時正處于上班高峰期,市區(qū)機動車增加,交通來源黑碳排放量增加;另外在日出后,大氣穩(wěn)定層結(jié)破壞,邊界層頂高度抬高,應(yīng)該有利于大氣污染物質(zhì)的稀釋擴散,但是,由于地面溫度升高較慢,造成大氣上下混合不強,使排放的污染物來不及升到較高空中,致使污染物堆積,造成 07:00～09:00黑碳濃度升高. 10:00以后,街上機動車數(shù)量有所減少,地面溫度升高較快,大氣中湍流增強,物質(zhì)交換加快,所以黑碳濃度下降很快.隨著溫度進一步升高,邊界層頂高度逐步抬升,到 15:00,邊界層頂達到最高(1200m),此外相對于一天的上下班交通高峰期,午后的人為活動明顯降低,機動車排放量降低,所以這時黑碳濃度全天最低.此后,隨著地面溫度降低,邊界層頂高度也逐漸降低,另外,下班高峰期機動車輛逐漸增加,居民取暖及烹飪活動,導(dǎo)致黑碳濃度逐漸升高,在 23:00達到全天最高.

圖5 西安夏季黑碳氣溶膠濃度與邊界層頂高度(PBLH)變化Fig.5 Relationship between black carbon and planetary boundary layer heigh

由圖5b可見,黑碳氣溶膠濃度與邊界層頂高度之間呈明顯的反相關(guān)關(guān)系,即日平均邊界層頂高度高,則黑碳氣溶膠濃度低,反之也然.通過相關(guān)分析,得到二者的相關(guān)系數(shù)為-0.31.特別是6月25～7月1日,當邊界層頂高度持續(xù)偏高時,造成黑碳濃度持續(xù)低,濃度范圍在 2～4μg/m3.說明只要天氣條件合適,地面湍流活動增強,使邊界層頂高度抬高,對大氣污染物的排放非常有利.

3 夏季黑碳氣溶膠吸收特性

黑碳氣溶膠具有很強的吸附性,表面吸附一些其他物質(zhì),從紫外到紅外波長范圍內(nèi)都對太陽輻射有強烈吸收,是大氣中首要的吸收型氣溶膠成分[20],對大氣能見度影響很大.大氣組分的消光作用是影響能見度的直接因素,包括散射和吸收,不同組分表現(xiàn)出不同的吸收和散射能力[21].因此,通過經(jīng)驗公式,可以探討黑碳氣溶膠吸收系數(shù)與大氣消光系數(shù)之間的關(guān)系.

3.1 黑碳氣溶膠吸收系數(shù)和消光系數(shù)計算

黑碳氣溶膠不但具有一般氣溶膠的性質(zhì),而且吸收特性也是大家關(guān)注的性質(zhì).利用測量的黑碳氣溶膠質(zhì)量濃度,可以計算黑碳氣溶膠的吸收系數(shù),其經(jīng)驗公式[14]表達如下:

式中:BCM 是AE-31在880nm波段測量的黑碳氣溶膠質(zhì)量濃度;532A 為根據(jù)式(1)將880nm波段的黑碳氣溶膠訂正到532nm波段上的吸收系數(shù).

根據(jù)世界氣象組織推薦值,可以實現(xiàn)能見度和消光系數(shù)的轉(zhuǎn)換[21],其中轉(zhuǎn)換公式為:

式中:extb 為消光系數(shù);VR為能見度;2.996代表Koschmeider常數(shù),為世界氣象組織(WMO)推薦值.取該值時,有以下假設(shè)條件:目標物為深色理想物體;閾對比度取0.05;目標物和觀察者之間大氣組成均一;地球曲率可忽略;目標物、天空背景和觀察者等各處的光亮度相同.

另外,大氣消光系數(shù)又可以表示為:

式中:gext,b 、pext,b 分別為氣體和顆粒物的消光系數(shù);agb 、sgb 、apb 、spb 分別為氣體的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、顆粒物的吸收系數(shù)、散射系數(shù).大氣瑞利散射系數(shù)(sgb )為一常量,通常取值為 13 Mm?1.根據(jù)姚婷婷的統(tǒng)計分析,在總消光系數(shù)中,顆粒物散射平均占72%,顆粒物吸收平均占21%,氣體散射平均占 4.5%,氣體吸收平均占 2.1%[21].所以估計氣體吸收系數(shù),這樣就可以利用黑碳氣溶膠吸收系數(shù)、大氣消光系數(shù)估計氣溶膠的單次散射反照率.

3.2 黑碳氣溶膠吸收特性及與消光系數(shù)關(guān)系

根據(jù)黑碳儀觀測的 2011年6月 1～8月 31日黑碳氣溶膠小時質(zhì)量濃度和涇河小時能見度資料,利用上述經(jīng)驗公式計算西安地區(qū)氣溶膠吸收系數(shù)、大氣消光系數(shù),同時根據(jù)式(8)利用氣體吸收系數(shù)估計值,反算相應(yīng)的氣溶膠單次散射反照率因子.

圖6 西安夏季3個月黑碳氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)Fig.6 Diurnal variation of extinction coefficient and absorption coefficient during summer (June, July,and August)at Xi'an

從圖6a可以看出,氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日變化比較顯著.氣溶膠吸收系數(shù)在從凌晨開始維持高值到 08:00～09:00,然后迅速下降,在午后 15:00～16:00達到最低值,之后吸收系數(shù)迅速增加,到 23:00點達到高值.高值基本在70～90Mm-1,低值在 35～40Mm-1.6、7、8 三個月吸收系數(shù)變化總體趨勢一致,吸收系數(shù)平均值三個月依次略微減小.大氣消光系數(shù)日變化與吸收系數(shù)一致,不過其極值點出現(xiàn)比吸收系數(shù)略晚1h,這與氣體消光作用有關(guān)[14].消光系數(shù)高值基本在300～450Mm-1,低值在 230～260Mm-1.6～8 月消光系數(shù)總體變化趨勢一致,平均值三個月依次增加.圖6b是6～8月氣溶膠吸收系數(shù)與大氣消光系數(shù)的比值日變化.從圖上看,該比值有很明顯周期變化,早晚比值高,中午比值低,呈典型的 V 型.早晚比值高,說明黑碳氣溶膠的消光作用在整個大氣消光中所占比重高(達到 25%～30%),這主要是由于大氣湍流交換不強,城市邊界層頂?shù)?造成黑碳氣溶膠濃度高.隨著黑碳氣溶膠濃度逐漸降低,該比值逐漸減少,在午后(12:00)達到一天最低(12%～18%);然后隨著黑碳氣溶膠濃度逐漸增多,該比值開始增加,在凌晨達到最高.

圖7 西安夏季3個月黑碳氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日平均Fig.7 Daily variation of extinction coefficient and absorption coefficient during summer at Xi’an

圖7是利用黑碳氣溶膠濃度、大氣能見度計算的 6～8月氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日平均及比值.從圖 7a可以看出,夏季氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日平均變化幅度較大,二者在變化形態(tài)上不完全一致,有時二者變化完全相反,說明氣溶膠吸收系數(shù)只是大氣消光系數(shù)中一個部分,并不能完全反應(yīng)消光系數(shù)的變化.氣溶膠吸收系數(shù)變化范圍在20～130Mm-1,6～8月平均值分別為64.9,61.7,55.4Mm-1,可見吸收系數(shù)三個月平均值依次減小.大氣消光系數(shù)日平均與吸收系數(shù)日平均變化不完全一致,變化范圍在 200～700Mm-1,三個月平均值分別為 254.5, 262.8,329.6Mm-1,可見吸收系數(shù)三個月平均值依次增加.圖7b是2011年夏季6～8月氣溶膠吸收系數(shù)與大氣消光系數(shù)日平均的比值,變化范圍在10%～50%,三個月平均值分別為25.5%、23.2%、17.1.

3.3 西安涇河氣溶膠單次散射反照率變化

利用式(8)估算得到關(guān)中地區(qū)夏季單次散射反照率.與其他地區(qū)相比較(表 1),發(fā)現(xiàn)不同研究的單次散射反照率比較接近,吳兌等[14]得到珠三角地區(qū)為 0.81,毛節(jié)泰等[22]得到北京城區(qū)的為0.79,Li等[23]得到香河的為0.81～0.85,而在關(guān)中地區(qū)得到的為 0.76,說明在關(guān)中地區(qū)較全國其他地區(qū)氣溶膠單次散射反照率要低.另外像北京、西安等這樣的北方城市,得到的氣溶膠單次散射反照率要比南方的低.除了由于城市中排放較多黑碳氣溶膠,氣溶膠吸收系數(shù)要大以外,還有一個原因就是在真實大氣中,由于具有散射能力的粒子會不同程度的吸濕增長,因而有一個含水氣溶膠附加的散射貢獻,而在南方水體附近測量的單次散射反照率要高[14].

由圖 8可知,西安涇河夏季單次散射反照率日變化比較顯著,全天基本上呈一個倒 V字型.從凌晨開始逐漸增加,06:00～08:00有一小的下降,之后一直增加,午后 14:00～15:00達到最高,之后就一直下降, 23:00達到全天最低.單次散射反照率一天中變化幅度較大,從最低的 0.7到最高的0.84.從單次散射反照率日變化的形態(tài)來看,其變化與黑碳氣溶膠濃度變化有主要關(guān)系.06:00～08:00,由于早上交通高峰使黑碳氣溶膠濃度增加,出現(xiàn)單次散射反照率在該時刻的下降;午后由于湍流增強,邊界層頂升高,導(dǎo)致黑碳氣溶膠濃度降低至全天最低,這時單次散射反照率達到全天最高;之后隨著湍流逐漸減弱,大氣層頂高逐漸降低,黑碳氣溶膠濃度逐漸增加,至 23:00黑碳氣溶膠濃度增加至全天最高,這時單次散射反照率也下降至全天最低.

表1 不同地區(qū)單次散射反照率(SSA)的比較Table 1 Comparison of the single scattering albedo at different regions

圖8 西安涇河夏季氣溶膠單次散射反照率日變化Fig.8 Diurnal variation of aerosol single scattering albedo during summer at Xi'an

4 結(jié)論

4.1 西安 6～8月黑碳氣溶膠濃度依次減小.其中 6 月份日均值變化范圍在 2.6～13.4μg/m3,平均值為 6.49μg/m3;7 月份日均值變化范圍在2.7～12.1μg/m3,平均值為6.17μg/m3;8月份日均值變化范圍在 2.0～10.74μg/m3,平均值為5.549μg/m3.

4.2 黑碳氣溶膠占 PM1.0的比值日變化呈單峰單谷分布,峰值出現(xiàn)在 23:00,比值是 45.5%,谷值出現(xiàn)在 06:00,比值是 23.6%.黑碳氣溶膠與顆粒物質(zhì)量濃度 PM1.0、PM2.5、PM10相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.85、0.91.

4.3 黑碳氣溶膠濃度受城市邊界層頂高影響,風(fēng)向、風(fēng)速對涇河黑碳氣溶膠的堆積輸送有不同影響.

4.4 氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日變化比較顯著.氣溶膠吸收系數(shù)高值在70～90Mm-1,低值在 35～40Mm-1.大氣消光系數(shù)日變化與吸收系數(shù)一致,高值在 300～450Mm-1,低值在 230～260Mm-1.氣溶膠吸收系數(shù)占大氣消光系數(shù)的比值范圍在12%～30%.

4.5 西安涇河夏季單次散射反照率平均值為0.76.單次散射反照率日變化比較顯著,全天基本上呈一個倒V字型,變化范圍在0.70～0.84.

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