基于光學(xué)遙測技術(shù)的合肥市氣溶膠參數(shù)觀測

牟福生，李 昂，謝品華，王 楊，吳豐成，陳 浩，徐 晉，孫友文

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所，安徽 合肥230031

氣溶膠顆粒物作為城市大氣污染的主要成分，不僅影響人類健康和出行環(huán)境，而且通過對太陽輻射和地面輻射的吸收和散射，直接影響地球的輻射收支平衡，并通過影響云凝結(jié)核數(shù)量間接改變了云的光學(xué)性質(zhì)、生命周期［1-4］。隨著工業(yè)的快速發(fā)展和城市機動車數(shù)量的急劇增加，人類向環(huán)境排放了大量顆粒物和污染氣體，近地面對流層大氣中氣溶膠濃度不斷增加，NO2、SO2等污染氣體排放又為二次氣溶膠污染產(chǎn)生了條件。高濃度的氣溶膠使霧霾發(fā)生的頻率不斷增加［5］，2013年1月在華北地區(qū)發(fā)生了持續(xù)時間長、影響范圍廣的霧霾天氣，嚴重影響了人們的日常生活和身體健康。由于氣溶膠對氣候和人類生產(chǎn)生活方面產(chǎn)生的巨大影響，近年來對氣溶膠光學(xué)特性進行研究已經(jīng)成為國際熱點研究方向，因此對其進行研究是十分必要的。

大量學(xué)者針對霧霾的氣候特征、理化性質(zhì)進行了研究，然而對霧霾天氣下氣溶膠光學(xué)性質(zhì)研究還比較少。車慧正等［6］發(fā)現(xiàn)在霧霾天氣和沙塵天氣下氣溶膠粒子光學(xué)厚度、單次散射反照率等光學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)明顯不同的分布特征。王靜等［7］觀測到南京在霧霾期間單次散射反照率明顯高于非霾天，并在440 nm處達到最大值(0.93)。于興娜等［8］研究了北京霧霾期間Angstorm波長指數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在光學(xué)厚度較大時，波長指數(shù)通常也為較大值。

該文主要基于太陽光度計CE318數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)，分析合肥霧霾期間的氣溶膠光學(xué)參數(shù)，并用MAX-DOAS反演霧霾期間的NO2對流層差分斜柱濃度和固定點監(jiān)測的PM濃度進行對比，研究二次氣溶膠對顆粒物濃度的影響。

1 實驗部分

1.1 利用直射太陽光反演氣溶膠光學(xué)厚度

氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)是衡量氣溶膠粒子對太陽輻射衰減強弱能力的一個重要參數(shù)，是大氣傳輸路徑上兩點間的氣溶膠光學(xué)厚度等于路徑中單位截面上氣溶膠吸收和散射產(chǎn)生的總衰減［9］。大氣中光譜的光學(xué)厚度和太陽光度計所測光譜的直射輻射強度(Eλ)有如下關(guān)系［10-11］:

式中:E0λ是波長λ處的太陽直射輻射度(太陽常數(shù))，R是日地距離，m是大氣質(zhì)量因子，τλ為大氣垂直總光學(xué)厚度，Tgλ為吸收氣體透過率。

用測量儀器的輸出電壓Vλ代替Eλ，式(1)可寫成:

式中:V0λ是定標常數(shù)。對于Tgλ，在紫外可見波段由于臭氧有吸收，根據(jù)比爾定律，臭氧吸收透過率為

對于吸收氣體，只在936 nm波段上考慮水汽。大氣中其他吸收氣體(如 NO2、CO2)在太陽光度計所配置的波段上影響非常小，忽略其影響。對無水汽影響的波段，式(2)和式(3)結(jié)合，大氣垂直總光學(xué)厚度可寫成:

式中:τrλ為分子散射光學(xué)厚度，τaλ為氣溶膠散射，τgλ為吸收氣體(主要為 O3)。

在大氣穩(wěn)定(τλ基本不變)的條件下，測量不同太陽天頂角(θ)的直射太陽輻射強度(Vλ)，由ln(VλR2)與mθ線性擬合可得一條直線，截距為 lnV0λ，斜率為總大氣垂直光學(xué)厚度(τλ)，這種方法稱為Langley法。通過地面氣壓值計算出Rayleigh散射光學(xué)厚度，從總的大氣光學(xué)厚度扣除瑞利散射光學(xué)厚度和臭氧光學(xué)厚度，結(jié)果即為氣溶膠散射光學(xué)厚度。

假設(shè)氣溶膠粒子的譜分布滿足 Jungle分布(僅適用于描述潔凈大氣中半徑約為0.1～2 μm的氣溶膠粒子分布)，氣溶膠光學(xué)厚度可以表示為

式中:α為Angstorm波長指數(shù)，反映氣溶膠粒子大小;β為大氣渾濁度系數(shù)，是波長為1 μm時的氣溶膠光學(xué)厚度，其值越大，大氣越渾濁。通過獲取的氣溶膠光學(xué)厚度 τaλ的對數(shù) lnτaλ相對于 lnλ進行線性擬合，可以求出β、α，從而可以得到任何波長上的氣溶膠光學(xué)厚度。

1.2 粒子譜分布的反演原理

氣溶膠粒子譜分布定義為單位對數(shù)粒子半徑間隔內(nèi)單位截面的氣溶膠粒子體積，是衡量氣溶膠粒子密度的重要光學(xué)參數(shù)，也是研究氣溶膠氣候效應(yīng)和輻射強迫的基本輸入?yún)?shù)，不同類型的氣溶膠有不同的譜分布特征［11］。目前AERONET氣溶膠反演采用 Dubovik算法［12］，該算法基于統(tǒng)計原理，考慮了已知的氣溶膠特征和光譜輻射特性，在一定的理論模型基礎(chǔ)上找到與實測數(shù)據(jù)的最佳擬合。本研究采用李正強修改過的 AERONET算法［13］，該算法與目前的AERONET算法類似，也根據(jù)太陽光度計4個非偏振通道的多角度天空散射和消光觀測數(shù)據(jù)，同時反演氣溶膠粒子譜分布、折射指數(shù)、單次散射反照率。

1.3 觀測站點和數(shù)據(jù)資料

觀測點設(shè)在位于合肥西北郊區(qū)科學(xué)島的中科院安徽光機所樓頂(117°9'E，31°54'N)，海拔約30 m，周圍污染較少，距離城市中心區(qū)域約6 km。采用標準型太陽光度計(CE318，法國)進行氣溶膠光學(xué)特性監(jiān)測。目前美國國家宇航局(NASA)組建的全球氣溶膠自動監(jiān)測網(wǎng)(AERONET)全部采用了該類型太陽光度計，并在全球擁有400多個站點。儀器的工作波長為 340、380、440、500、675、870、936、1 020、1 640 nm，其中 936 nm 用來反演大氣水柱含量［14］。該儀器利用直射太陽光可以直接獲得各波段的氣溶膠光學(xué)厚度和Angstorm波長指數(shù)，利用天空散射光可以反演體積譜函數(shù)、單次散射反照率、相函數(shù)等氣溶膠光學(xué)特性。這些參數(shù)是計算氣溶膠大氣輻射強迫的必要輸入?yún)?shù)。實驗期間霧霾產(chǎn)生的時間和天氣情況以地面氣象站記錄為準，具體日期和天氣情況見表1、表2。

表1 合肥霧霾期間和霧霾前后所選晴天的日期

表2 合肥霧霾期間和霧霾前后的天氣情況

2 結(jié)果分析

2.1 氣溶膠光學(xué)厚度與Angstorm波長指數(shù)

霧霾發(fā)生于2013年1月，對霧霾發(fā)生時和霧霾發(fā)生前后各1個月的AOD取月均值，如圖1所示，霧霾天氣下各波段AOD都高于晴天時，表明霧霾時氣溶膠消光明顯高于非霾時，這解釋了為什么霧霾天氣下能見度比非霾天氣要低。此外，發(fā)生霧霾時和晴天一樣，各波段AOD都隨波長增大而減少，說明長波長消光不如短波長處明顯，波長較長的光容易穿透霧霾，這是霧霾時遠處物體看起來橙黃色的原因。在霧霾期間440 nm波段的AOD月均值為1.30，遠高于霧霾發(fā)生前2012年12月晴天時(0.6)和霧霾發(fā)生后2013年3月的月均值(0.72)，其他 3個波長(670、870、1 020 nm)也表現(xiàn)出相同特征，這主要是因為霧霾天氣期間大氣較為穩(wěn)定，有利于污染物積累，從而產(chǎn)生高濃度的氣溶膠積聚事件。

Angstorm波長指數(shù) (α)是反映氣溶膠粒子大小的重要參數(shù)，α越大，說明粒子越小，α越小說明粒子越大。圖2給出了合肥地區(qū)霧霾天氣下Angstorm波長指數(shù)與440 nm氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系。AOD＞1時，α一般在1.2以上。從圖2可以看出，兩者為指數(shù)關(guān)系，α越大，AOD越大，即在該波長下，AOD為0.2～1時，波長指數(shù)隨AOD增加較快，AOD為1.0～2.2時，α隨AOD增加較平緩。和沙塵天氣下AOD和α關(guān)系不同［6］，從整體看，合肥霧霾天氣下Angstorm波長指數(shù)通常表現(xiàn)出較高值，波動范圍為0.61～1.51，霧霾期間的波長指數(shù)均值可達1.26。而敦煌地區(qū)秋季波長指數(shù)季節(jié)均值為0.27［14］，主要為大的沙塵粒子，合肥霧霾天氣的Angstorm指數(shù)為其5倍多，說明合肥霧霾天氣下氣溶膠粒子主要以細粒子為主。

圖1 合肥地區(qū)在霧霾和晴天期間月平均光學(xué)厚度隨波長的變化及對比

圖2 霧霾天氣下Angstorm波長指數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度(440 nm)的關(guān)系

圖3 給出了合肥地區(qū)霧霾天氣期間的AOD(440 nm)和Angstorm波長指數(shù)的頻率分布。

圖3 合肥霧霾期間氣溶膠光學(xué)厚度(440 nm)和Angstorm波長指數(shù)的頻率分布

由圖3可以看出，霧霾天氣期間的AOD有較寬分布，約有90%的AOD分布在0.4～1.8之間。Angstorm波長指數(shù)分布在0.6～1.6之間，說明有不同類型的氣溶膠存在。α＞1.1的出現(xiàn)頻率達到了87%，說明合肥霧霾期間的氣溶膠粒子主要是細粒子，主要來源為本地工業(yè)源、城市機動車等。在霧霾和沙塵天氣下AOD和α的關(guān)系不同，這可能為分析不同氣溶膠來源對局地氣溶膠含量和粒徑分布的影響提供一種新方法。

2.2 氣溶膠體積譜分布和單次散射反照率

圖4給出了0.05～15 μm氣溶膠粒子譜分布，從中發(fā)現(xiàn)霧霾天氣下氣溶膠體積譜表現(xiàn)出雙峰分布。在第1個(細模態(tài))峰值處體積譜分布隨著AOD的增加而增大，最高時可達0.18 μm3/μm2，而在第2個峰值處(粗模態(tài))體積譜分布增加到0.05 μm3/μm2左右就不再上升，說明合肥地區(qū)霧霾期間消光增強主要是由于細粒子的增加引起的。AOD的增加主要是由于霧霾天氣穩(wěn)定的天氣條件造成大量細粒子污染物的積聚所致。

圖4 不同氣溶膠情況下的氣溶膠粒子的體積譜分布

氣溶膠單次散射反照率(ω)是反映氣溶膠粒子總消光中散射消光比重的重要光學(xué)參數(shù)，反映了氣溶膠粒子散射和吸收的相對大小，是評估氣溶膠氣候效應(yīng)的重要參量之一［7］。主要由氣溶膠粒子的成分所決定，與粒子尺度和形狀也有密切關(guān)系。圖5為合肥霧霾天氣期間取其中1 d在不同光學(xué)厚度下單次散射反照率隨波長變化情況。4種典型光學(xué)厚度下單次散射反照率隨波長的增加而減少，表明細粒子消光貢獻占主導(dǎo)地位。與沙塵天氣下的ω隨波長的增加而增加相反［6］，ω隨波長增加而減少，這類似于南京［7］地區(qū)和北京［8］地區(qū)的反演結(jié)果，區(qū)別在于北京霧霾期間 ω在670 nm處達到最大值，而合肥、南京地區(qū)在440 nm處達到最大值，表明后者在440波段氣溶膠粒子的散射效果更明顯。此外，單次散射反照率表現(xiàn)出隨著AOD增加而增大的趨勢。

圖5 合肥霧霾期間不同氣溶膠光學(xué)厚度情況下單次散射反照率隨波長的變化

2.3 NO2對流層差分斜柱濃度和PM濃度的關(guān)系

NO2是硝酸鹽粒子的重要前體物，而硝酸鹽是二次氣溶膠的主要組成成分之一，通過NO2濃度變化可以研究二次氣溶膠對顆粒物濃度變化的影響。MAX-DOAS可通過不同高度角(望遠鏡指向和地面之間夾角)的太陽散射光得到大氣污染痕量氣體的空間分布［14］。本研究對NO2對流層差分斜柱濃度進行反演，選擇每個測量循環(huán)周期內(nèi)天頂(90°)方向的測量光譜作為參考譜，反演低角度(2°)測量光譜，選擇2013年1月26—29日中午11:30—12:30的反演結(jié)果取平均值，由于測量時太陽高度角變化很小并且每天測量都選擇在同一時間段進行反演，所獲取的NO2濃度變化可以反映對流層 NO2濃度變化。通過 MAXDOAS獲取NO2在該時段的小時濃度均值變化，并和固定點相同時間段內(nèi)的PM小時均值進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者的趨勢一致性較好，在霧霾期間氣溶膠粒子積聚時NO2的濃度也同時在增加，霧霾后期PM濃度降低，NO2濃度也同步減少，說明二次氣溶膠前體物NO2的濃度對于氣溶膠粒子的濃度有一定的影響(圖6)。

圖6 NO2、PM 濃度在2013年1月26—29日同一時間段的變化

3 結(jié)論

基于太陽光度計(CE318)數(shù)據(jù)研究了霧霾期間的氣溶膠光學(xué)特性。霧霾期間氣溶膠光學(xué)厚度隨著波長增加而減少，人為排放氣溶膠粒子在對太陽光衰減方面具有波長選擇性。用MAXDOAS儀器反演了霧霾天氣NO2的濃度并和相同時間段顆粒物濃度(PM10、PM2.5等)值進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者一致性較好，說明工業(yè)源、機動車等排放的氣溶膠前體物NO2的濃度可能對氣溶膠粒子濃度有一定的影響。體積譜分布中細模態(tài)體積濃度較大，表明霧霾期間的氣溶膠粒子細粒子為主控粒子。此外霧霾天氣下合肥地區(qū)單次散射反照率隨波長增加而減少。通過分析Angstorm波長指數(shù)和AOD(440 nm)的關(guān)系，可能為識別和估計不同氣溶膠來源對氣溶膠含量和粒徑的影響提供一種方法。

致謝:對中科院大氣所李東輝博士在太陽光度計粒子譜分布和單次散射反照率處理方面給予的幫助表示感謝!

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