烏魯木齊冬季氣溶膠散射吸收特性

魏 疆，陳學(xué)剛，任 泉，張克磊

1．新疆大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046

2．新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054

3．新疆烏魯木齊市天山區(qū)氣象局，新疆 烏魯木齊 830002

4．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052

大氣氣溶膠是由液態(tài)、固態(tài)微粒與氣體共同組成的多相體系，粒徑通常為 10－3～102μm［1］，具有時(shí)空變化大的特性。在清潔的大氣環(huán)境中，氣溶膠的質(zhì)量濃度在1 μg/m3以下，在城市污染大氣環(huán)境中，氣溶膠質(zhì)量濃度可達(dá)每立方米幾毫克［2］。研究表明，氣溶膠能夠較真實(shí)地反映環(huán)境空氣質(zhì)量，能整體反映顆粒物和氣態(tài)污染物的綜合水平［3］。

氣溶膠的光化學(xué)性質(zhì)主要是通過(guò)散射和吸收系數(shù)來(lái)體現(xiàn)，污染的空氣中氣溶膠對(duì)光的散射及吸收具有突出的作用，從而影響能見度［4-5］。對(duì)能見度的影響主要取決于氣溶膠的消光系數(shù)，氣溶膠通過(guò)對(duì)光的散射和吸收過(guò)程削弱光的能量，兩者的消光作用可以疊加，得出消光作用等于吸光系數(shù)加散射系數(shù)［6］。從日變化來(lái)看，氣溶膠散射系數(shù)呈現(xiàn)雙峰型規(guī)律，且與污染物濃度變化規(guī)律一致，就同一地區(qū)而言，氣溶膠的光化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出隨高度增加而遞減的特性［7］。黃世鴻等對(duì)中國(guó)23個(gè)地區(qū)氣溶膠的吸收系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，得出中國(guó)邊界層氣溶膠的吸收系數(shù)為1～1 000 Mm－1，并呈現(xiàn)出明顯的北高南低的趨勢(shì)［8］。

烏魯木齊市屬典型的河谷型城市，其三面環(huán)山的地理位置，以煤為主要的能源結(jié)構(gòu)及特殊的氣象條件，產(chǎn)生了嚴(yán)重大氣環(huán)境污染問(wèn)題，尤其是冬季，耗煤量的增加使環(huán)境污染進(jìn)一步加劇，嚴(yán)重地影響了城市的發(fā)展和人的身體健康［9］。能見度的下降導(dǎo)致航班延誤、交通受阻等一系列的社會(huì)問(wèn)題，整個(gè)城市被上空的污染物籠罩?？蒲腥藛T針對(duì)烏魯木齊市的大氣污染做了大量科研工作，李霞等對(duì)烏魯木齊大氣氣溶膠的光化學(xué)特性進(jìn)行分析表明：冬季氣溶膠數(shù)值最大，日變化幅度也最大;氣溶膠光學(xué)厚度與大氣污染物具有相同的變化趨勢(shì)［10-11］。但就氣溶膠對(duì)光的散射系數(shù)、吸收系數(shù)等問(wèn)題尚未見報(bào)道。

為能客觀地反映烏魯木齊市冬季氣溶膠的消光作用，在城市不同區(qū)域使用積分式渾濁度儀對(duì)氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)進(jìn)行了觀測(cè)，并結(jié)合同時(shí)段的氣象資料探討烏魯木齊市冬季大氣氣溶膠散射和吸收系數(shù)變化特征，以期能客觀地反映烏魯木齊市冬季大氣污染的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

使用美國(guó)的M3563積分式渾濁度儀，在市中區(qū)(43°49'N，87°34'E)和市北區(qū)(43°52'N，87°33'E)布設(shè)氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。儀器設(shè)計(jì)原理是 Beer消光定理［10］，分辨率為5 ×10－8m－1，儀器的積分時(shí)間為60 s，體積吸收系數(shù)(簡(jiǎn)稱吸收系數(shù))和體積散射系數(shù)(簡(jiǎn)稱散射系數(shù))單位為Mm－1。監(jiān)測(cè)時(shí)段為2012年1月10—15日。氣象資料選取區(qū)域內(nèi)氣象站逐時(shí)風(fēng)速和相對(duì)濕度觀測(cè)資料 (43°47'N，87°39'E)。為便于與同時(shí)段的氣象數(shù)據(jù)對(duì)比分析，分析使用小時(shí)均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 散射系數(shù)日變化特征

市中區(qū)和市北區(qū)的散射系數(shù)曲線呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，整體呈雙峰雙谷，即“W”型(圖1)。由圖1可見，市中區(qū)散射系數(shù)整體高于市北區(qū)散射系數(shù)。0：00—4：00在(1 100±100)Mm－1范圍內(nèi)波動(dòng)，走勢(shì)并不明顯;自4：00開始快速下降，到6：00降至全天的第一個(gè)谷值，分別為850 Mm－1和800 Mm－1，隨后開始快速上升，13：00達(dá)到全天的最大峰值 1 240 Mm－1和 1 180 Mm－1，再次出現(xiàn)快速回落，在17：00前后出現(xiàn)全天的最低谷值分別為800 Mm－1和690 Mm－1，然后再次回升，在23：00前后再次出現(xiàn)峰值，分別為1 250 Mm－1和1 000 Mm－1。之后波幅不大，直至次日凌晨。

圖1 市中區(qū)、市北區(qū)散射系數(shù)日變化趨勢(shì)

2.2 吸收系數(shù)日變化特征

市中區(qū)和市北區(qū)吸收系數(shù)曲線同散射系數(shù)曲線相似，呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，市中區(qū)的吸收系數(shù)高于市北區(qū)，總趨勢(shì)呈“W”型(圖2)。

圖2 市中區(qū)、市北區(qū)吸收系數(shù)日變化趨勢(shì)

從圖2可見：0：00后兩者的吸收系數(shù)開始下降，至6：00到第一個(gè)谷值(分別為55 Mm－1和53 Mm－1);隨后開始拉升，市中區(qū)的吸收系數(shù)明顯大于市北區(qū)，到10：00達(dá)到第一個(gè)峰值(分別為97 Mm－1和80 Mm－1);繼而開始回落，市中區(qū)和市北區(qū)分別在15：00和17：00降至第二個(gè)谷值(分別為65 Mm－1和48 Mm－1);然后再次拉升，在21：00和22：00分別達(dá)到各自的第二個(gè)峰值(分別為108 Mm－1和85 Mm－1)。

2.3 散射系數(shù)和吸收系數(shù)變化特征分析

由市中區(qū)和市北區(qū)的散射系數(shù)和吸收系數(shù)均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)(圖1、圖2)可以推斷，2個(gè)區(qū)域的污染物構(gòu)成相同。這與烏魯木齊市的大氣污染主要是由本地源排放導(dǎo)致相符［12］。曲線的周期性呈現(xiàn)出散射系數(shù)滯后于吸收系數(shù)2 h左右。從數(shù)值上看，冬季氣溶膠對(duì)光的散射作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸收作用，均在10倍以上，甚至達(dá)到15～16倍。說(shuō)明冬季氣溶膠的消光作用主要以散射為主。從曲線走勢(shì)來(lái)看，無(wú)論是散射還是吸收系數(shù)，均表現(xiàn)出市中區(qū)高于市北區(qū)的態(tài)勢(shì)。

2.4 相對(duì)濕度對(duì)散射系數(shù)和吸收系數(shù)的影響

烏魯木齊市冬季大氣相對(duì)濕度較高，觀測(cè)期間的相對(duì)濕度為66% ～78%，且相對(duì)濕度大于75%的數(shù)值占到了七成以上，詳見圖3、圖4。

圖3 散射系數(shù)與相對(duì)濕度的關(guān)系

圖4 吸收系數(shù)與相對(duì)濕度的關(guān)系

0：00—10：00散射系數(shù)、吸收系數(shù)完成第一個(gè)“V”的波動(dòng)時(shí)，相對(duì)濕度變化幅度很小，僅為1%;10：00相對(duì)濕度開始下降，14：00降至最低點(diǎn)，散射系數(shù)表現(xiàn)出繼續(xù)上升而后下降，滯后期為3 h左右，吸收系數(shù)隨相對(duì)濕度同步降低，但到達(dá)谷值同樣滯后約為3 h;而后散射系數(shù)、吸收系數(shù)和相對(duì)濕度均開始升高，但均呈現(xiàn)出滯后的現(xiàn)象。通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)可以看出，散射系數(shù)、吸收系數(shù)與相對(duì)濕度不具有顯著相關(guān)性(表1)，說(shuō)明此時(shí)段相對(duì)濕度對(duì)散射系數(shù)、吸收系數(shù)的影響是有限的。

表1 氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)與相對(duì)濕度和風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)

2.5 風(fēng)速對(duì)散射系數(shù)、吸收系數(shù)的影響

在相對(duì)濕度大于66%的情況下，風(fēng)速對(duì)散射系數(shù)、吸收系數(shù)有較強(qiáng)的影響(圖5、圖6)。夜間風(fēng)速較小，對(duì)散射系數(shù)、吸收系數(shù)的影響不明顯;黎明前后風(fēng)速雖有小的波動(dòng)，但仍未能對(duì)散射系數(shù)、吸收系數(shù)起到較明顯的作用，正午12：00風(fēng)速開始增強(qiáng)，散射系數(shù)、吸收系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì);17：00前后出現(xiàn)最大風(fēng)速，散射系數(shù)、吸收系數(shù)均降至最低點(diǎn);隨后風(fēng)速減弱，散射系數(shù)、吸收系數(shù)開始增加。從變化趨勢(shì)來(lái)看，市北區(qū)的散射系數(shù)、吸收系數(shù)受風(fēng)的影響均大于市中區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

圖5 散射系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系

圖6 吸收系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系

2.6 散射系數(shù)、吸收系數(shù)變化的綜合分析

由前面的分析可以看出，0：00—11：00相對(duì)濕度和風(fēng)速的變化相對(duì)較小，而散射系數(shù)、吸收系數(shù)卻出現(xiàn)“V”型的變化，這與人類活動(dòng)和逆溫層的變化有著密切的關(guān)系，冬季夜間逆溫層相對(duì)較穩(wěn)定，污染物質(zhì)不易擴(kuò)散［13］，0：00—6：00隨著人類活動(dòng)的減少，供熱消耗的原煤逐漸降低;6：00—11：00逆溫層開始減弱，供熱原煤的消耗開始增加，人類的其他生產(chǎn)生活活動(dòng)也逐步增加，導(dǎo)致污染物的排放量增加，散射系數(shù)、吸收系數(shù)陡然上升，并在正午時(shí)分達(dá)到最大值。12：00—24：00散射系數(shù)、吸收系數(shù)曲線出現(xiàn)了第二次“V”型變化趨勢(shì);12：00—17：00是全天逆溫層厚度最低的時(shí)候，同時(shí)由于環(huán)境溫度的上升，供熱耗煤開始降低，使污染物質(zhì)的排放減少，加上相對(duì)濕度降低，不利于大氣環(huán)境中形成大的顆粒物，此時(shí)段風(fēng)速的增加加速了污染物的擴(kuò)散，使散射系數(shù)、吸收系數(shù)降至全天的最低點(diǎn);17：00—24：00上述客觀條件發(fā)生逆轉(zhuǎn)，使散射系數(shù)、吸收系數(shù)再次爬升，并在24：00前后達(dá)到第二個(gè)峰值。散射系數(shù)、吸收系數(shù)的變化規(guī)律與烏魯木齊市主要污染物的變化特征相符［14］。說(shuō)明散射系數(shù)、吸收系數(shù)能很好地反映烏魯木齊市的大氣污染狀況。

市中區(qū)散射系數(shù)、吸收系數(shù)均大于市北區(qū)，主要是因?yàn)槭兄袇^(qū)的開發(fā)強(qiáng)度大于市北區(qū)，能源消耗比較集中，同時(shí)城市南面的污染物可能向市中區(qū)擴(kuò)散，使市中區(qū)的污染物濃度增加［15］。其次，市北區(qū)相對(duì)海拔高度較低，受冬季城北偏北風(fēng)的影響，污染物隨氣流在向市中區(qū)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，水汽凝結(jié)，在相對(duì)穩(wěn)定的大氣環(huán)境下，造成市中區(qū)的污染進(jìn)一步加劇［16］。這正好解釋了市北區(qū)散射系數(shù)、吸收系數(shù)與風(fēng)速的相關(guān)性明顯大于市中區(qū)的結(jié)果。

3 討論

散射系數(shù)、吸收系數(shù)曲線呈“W”型，且峰值分別出現(xiàn)在0：00和12：00前后，與相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致［3，5，7］。散射系數(shù)、吸收系數(shù)大于黃世鴻等［8］所觀測(cè)的北方地區(qū)的值(約1 000 Mm－1)，但遠(yuǎn)小于胡波等［2］在蘭州市西固區(qū)所測(cè)的散射系數(shù)(3 300 Mm－1)瞬時(shí)值，因?yàn)樵撐牟捎玫挠^測(cè)值是冬季污染最嚴(yán)重時(shí)段的小時(shí)均值，這樣既規(guī)避了瞬時(shí)值的干擾，又能比較準(zhǔn)確地反映污染狀況。散射系數(shù)大于吸收系數(shù)，這與陳宇等［17］研究南京北郊的結(jié)果相符，但程度遠(yuǎn)大于其2～3倍的論述，說(shuō)明不同地區(qū)氣溶膠的光化學(xué)性質(zhì)有著較大的差異。烏魯木齊冬季氣溶膠的消光作用主要是由散射引起的，這與冬季相對(duì)濕度較大易形成大的顆粒物質(zhì)(成分主要以硫酸鹽、硝酸鹽和有機(jī)碳等為主)有關(guān)［18］。

相對(duì)濕度對(duì)散射系數(shù)、吸收系數(shù)影響較小，不具有顯著相關(guān)性，與相對(duì)濕度增大對(duì)散射系數(shù)、吸收系數(shù)有明顯影響的結(jié)論不符［19］，可能是監(jiān)測(cè)時(shí)段相對(duì)濕度變化幅度較小，而污染物排放量和逆溫層厚度以及風(fēng)速等其他因素的變化對(duì)散射系數(shù)、吸收系數(shù)產(chǎn)生的影響，掩蓋了相對(duì)濕度產(chǎn)生的作用。風(fēng)速與散射系數(shù)、吸收系數(shù)具有顯著的負(fù)相關(guān)性，與前人的研究一致［7，17］。說(shuō)明風(fēng)速的增加直接影響對(duì)氣溶膠粒子的擴(kuò)散速度，使局地高濃度的氣溶膠快速擴(kuò)散，同時(shí)與清潔的氣團(tuán)混合，降低氣溶膠的濃度，最后影響散射系數(shù)、吸收系數(shù)的下降。

4 結(jié)論

烏魯木齊市冬季大氣氣溶膠的散射系數(shù)、吸收系數(shù)呈“W”型的變化趨勢(shì)，峰值分別出現(xiàn)在0：00和12：00前后，谷值在5：00和17：00前后，這與人類活動(dòng)對(duì)能源消耗規(guī)律有關(guān)，同時(shí)又與大氣邊界層層結(jié)的日變化及大氣湍流活動(dòng)規(guī)律有關(guān)。

散射系數(shù)、吸收系數(shù)的日變化趨勢(shì)基本相同，散射系數(shù)是吸收系數(shù)的10倍以上，說(shuō)明大氣中的消光作用主要以散射消光為主。

冬季相對(duì)濕度持續(xù)較高對(duì)散射系數(shù)、吸收系數(shù)的影響并不顯著，而風(fēng)速與散射系數(shù)、吸收系數(shù)呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性，主要是因?yàn)轱L(fēng)加快了粒子的水平運(yùn)動(dòng)，對(duì)污染物的擴(kuò)散具有積極的作用。

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