北方霧霾天氣條件下大氣氣溶膠光學特性研究

倪江楠，華顯立

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473009)

北方霧霾天氣條件下大氣氣溶膠光學特性研究

倪江楠，華顯立

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473009)

為更好地研究北方霧霾條件下大氣氣溶膠光學特性問題，利用北京寶聯(lián)站在2012年1月～2014年2月的觀測數(shù)據(jù)，通過初步反演得到北京地區(qū)霧霾天氣氣溶膠光學特性的物理參數(shù)，包括氣溶膠光學厚度、單次散射反照率、Angstrom波長指數(shù)和粒子譜分布，希望以此為北京和北方霧霾及環(huán)境治理提供參考。

霧霾；光學特性；反演；Angstrom波長；光學厚度

大氣氣溶膠粒子作為環(huán)境檢測的重要組成部分，在紫外線、可見光等在內的很寬的波段內可對輻射傳輸產生非常重要的影響，其一方面可通過吸收電磁波，導致光波的能量出現(xiàn)衰減；另一方面可通過對能量的吸收，將其轉化為自身的熱量，起到對整個大氣層加熱的作用。因此，加強對北京地區(qū)霧霾天氣氣溶膠光學特性的研究，可進一步對北方地區(qū)霧霾天氣氣溶膠的特點及氣候效應進行了解，并為做好北方地區(qū)霧霾天氣的治理及環(huán)境保護提供參考。

1 觀測站點及觀測資料

本文選擇2012年1月～2014年2月城區(qū)寶聯(lián)站(39°56'N，116°17'E，75.0ma.s.l)的數(shù)據(jù)進行觀察。寶聯(lián)站則位于北京海淀區(qū)的體育公園內，在西三環(huán)和西四環(huán)之間(見圖1中A點)。在該站的周邊沒有任何的污染源頭，因此可代表主城區(qū)的空氣的實際質量，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)相關數(shù)據(jù)滿足統(tǒng)計要求。本研究所采用的資料全部建立在觀測數(shù)據(jù)基礎上，通過初步反演

圖1 北京氣溶膠寶聯(lián)觀測站

圖2 CE318型號太陽光度計

計算而得到，同時霧霾天氣的選取全部是通過衛(wèi)星圖片或氣象臺霧霾預警通報得到[1]。 在儀器選擇方面，選擇法國CIMEL公司所生產的CE318太陽光度計(見圖2)，其通過測量太陽輻照度(太陽直接輻射通道)和天空輻亮度(天空散射通道)，同時通過無線網絡實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠程控制與傳輸。該儀器可測量太陽輻射通道(440、500、670、870、1 020 nm)，觀測結果可用于測量Angstrom 波長指數(shù)，同時該值還可用于光譜分布特征和單次散射比等值。

2 數(shù)據(jù)反演算法

數(shù)據(jù)反演算法較復雜，本文以大氣氣溶膠光學厚度與Angstrom 波長指數(shù)的反演為例，對其進行了介紹。在對大氣氣溶膠光學特性的計算中，通常結合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，通過反演算法得到濾云條件下的大氣輻射參數(shù)，并進一步獲取氣溶膠的光學特征。根據(jù)朗伯比爾定律和大氣傳輸模式模型定律，可得到大氣外界輻射強度I[2-3]：

(1)

式中，I0是校準常數(shù)；R是測量時刻日地的距離；mr、m03、ma分別是散射氣溶膠、臭氧分子和消光氣溶膠的大氣質量數(shù)，其中的τr(λ)，τO3(λ)，τα(λ)是其對應的光學的厚度；θ是對應的太陽的天頂角；P是實際的大氣壓強；P0是標準大氣壓。通過上述分析可以算出氣溶膠厚度：

(2)

同時，根據(jù)Angstrom，氣溶膠光學厚度還可以通過下式計算：

τ(λ)=βλ-a

(3)

式中，λ是波長指數(shù)，通常取值在0～2。

3 測量結果分析

3.1 氣溶膠厚度和Angstrom波長指數(shù)的變化特征

氣溶膠光學厚度作為反映對太陽輻射衰減強弱的重要指標，可反映出整個大氣當中氣溶膠的含量，從而成為當前評價大氣好壞的一個重要參考指標。通常來講，氣溶膠厚度越大，說明大氣越為渾濁，反之越為清潔。從圖3可以看出，在對氣溶膠厚度與波長的統(tǒng)計中，隨著波長的增加，氣溶膠厚度在逐步減少，符合當前大陸城市地區(qū)氣溶膠光學厚度的變化規(guī)律。在大陸的相關城市地區(qū)，大氣氣溶膠的組成通常為硫酸鹽、碳氣溶膠等人為進行排放的一些氣溶膠粒子，其光學的厚度隨著波長的增加呈不斷下降，由此說明人為排放的氣溶膠粒子比沙塵粒子在對太陽光的衰減方面更具有波長選擇性。

圖3 氣溶膠光學厚度與波長關系

Angstrom 波長指數(shù)作為對氣溶膠粒子大小衡量的重要參數(shù)，被廣泛地應用在空氣質量評價之中。針對分子來看，α最大值可以達到4，而相關粗粒子中α的取值則可以為負值。北京霧霾天氣下Angstrom 波長指數(shù)與氣溶膠光學厚度(440 nm)的關系如圖4所示。

圖4 440 nm氣溶膠光學厚度與 Angstrom 波長指數(shù)關系

從圖4可以看出，北京地區(qū)Angstrom 波長指數(shù)整體值比較高，其波動在0.4～1.45。當氣溶膠厚度(AOD)>0.5 h， Angstrom 波長指數(shù)主要集中在0.86～1.42。在對氣溶膠光學厚度與Angstrom 波長指數(shù)關系的統(tǒng)計中，根據(jù)同一般天氣的比較，北京霧霾中的Angstrom 波長指數(shù)平均在1.13，為平常數(shù)值的3倍，同時在與沙塵天氣氣溶膠的比較中，Angstrom 波長指數(shù)為沙塵條件下的2倍，該數(shù)據(jù)表明霧霾天氣中的氣溶膠更多為比較細的污染粒子。

3.2 大氣氣溶膠單次散射比

氣溶膠粒子的單次散射比(single scattering albedo)作為對氣溶膠粒子的總消光中散射所占比例中的一個重要出參數(shù)，是對氣溶膠氣候效應進行評估的關鍵變量。該值的大小主要取決于氣溶膠粒子的形狀、成分和面積譜等因素。不同氣溶膠濃度下的氣溶膠單次散射比如圖5所示。北京地區(qū)細粒子單次散射比在不同通道(440、670、870、1 020 nm)下的平均值分別為0.86±0.09、0.86±0.09、0.88±0.08、0.87±0.07。隨著波長的增加，氣溶膠單次散射比整體上呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。將北京地區(qū)440 nm的氣溶膠散射比反演到北半球氣溶膠的單次散射比，其均值在0.85～0.95，這個結果與有關學者對北京上旬子地區(qū)所進行的氣溶膠單次散射比測算結果 0.88極為相似。通過上述數(shù)據(jù)對比表明，北京地區(qū)氣溶膠粗粒子和細粒子的散射性都比較大。

圖5 氣溶膠單次散射比(SSAT)變化特征

3.3 氣溶膠尺度譜分布

該分布主要為研究氣溶膠粒子輻射和氣溶膠氣候效應的基本參數(shù)，其不同類型的氣溶膠在粒度的分布方面存在著不同的分布特點，又稱為粒度譜分布。北京地區(qū)在2012年到2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的粒子尺度在霧霾天氣下的氣溶膠的體積譜的分布如圖6所示，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)氣溶膠體積譜分別表現(xiàn)出雙峰的正態(tài)分布；同時，其中的粒子半徑大多數(shù)集中在0.4 μm左右分布，造成這個數(shù)據(jù)的根本原因在于其很可能受到新污染物或者是外來的污染物的影響。當氣溶膠的光學厚度約1.0 μm時，其細模態(tài)的粒子半徑大多集中在0.12 μm左右，而粗模態(tài)的粒子半徑通常集中在4 μm左右；當氣溶膠光學厚度>1.0時，其細模態(tài)粒子的粒徑在0.2 μm左右，粗模態(tài)粒子粒徑集中在3 μm左右。污染粒子體積的增大與在霧霾天氣下的天氣穩(wěn)定原因所帶來的污染物累積導致。

圖6 氣溶膠粒子體積譜分布的變化特征

4 結語

上述研究表明，北京霧霾天氣期間的氣溶膠光學厚度整體都在比較高的值范圍，通過分析發(fā)現(xiàn)其主要原因在于霧霾發(fā)生時候其穩(wěn)定的天氣形勢所致，同時，在霧霾天氣之下， Angstrom 波長指數(shù)也呈現(xiàn)出比較高的值，該指數(shù)的主要分布在0.4～1.45；當氣溶膠厚度> 0.5，其波長指數(shù)也通常都>0.85。通過對北京地區(qū)霧霾下氣溶膠厚度及Angstrom 波長指數(shù)的分析可以看出北京霧霾天氣下的氣溶膠粒子更多以細粒子為主。北京地區(qū)氣溶膠粒度譜分布整體表現(xiàn)為雙峰的正態(tài)分布趨勢，其中細模態(tài)的體積濃度隨著氣溶膠厚度的增加而增加。北京地區(qū)霧霾天氣下單次散射比隨著波長的增大而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并且隨著氣溶膠厚度的增加，其單次散射比逐步增大。

[1] 郝保紅,何琦,段秋桐,等.用新型稀土-鋁有序介孔納米復合材料削減PM2.5的創(chuàng)新研究[J]. 新技術新工藝，2013(7)：91-94.

[2] 趙普生，張小玲，徐曉峰．利用日均值及14時氣象數(shù)據(jù)進行霾日判定的比較分析[J]．環(huán)境科學學報，2011，31(4):704-708．

[3] 于興娜，李新妹，登增然登，等．北京霧霾天氣期間氣溶膠光學特性[J]．環(huán)境科學，2012，33(4):1057-1062．

責任編輯李思文

NorthernFogWeatherConditionsAtmosphericAerosolOpticalProperties

NI Jiangnan, HUA Xianli

(Henan Industrial Vocational and Technical College, nanyang 473009, China)

to better understand the north haze under the condition of atmospheric aerosol optical properties, the paper used occupied standing in Beijing from January 2012 to February 2012, the observed data, in the Beijing area was obtained by preliminary inversion fog weather aerosol optical properties of physical parameters, including aerosol optical thickness, single scattering albedo, the Angstrom wavelength index, particle distribution, to Beijing and the northern fog and to provide reference for environmental governance.

fog, optical properties, inversion, Angstrom wavelength, optical thickness

P 183.4

：A

倪江楠(1986-)，女，碩士，助教，主要從事光學工程等方面的研究。

2015-01-02