成都冬季“干”氣溶膠等效復(fù)折射率變化特征研究

楊寅山,倪長健*,張智察,馮 淼,白彬人,石蕎語,湯津贏

成都冬季“干”氣溶膠等效復(fù)折射率變化特征研究

楊寅山1,2,倪長健1,2*,張智察1,2,馮 淼3,白彬人1,2,石蕎語1,2,湯津贏1,2

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610225；2.高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,四川 成都 610225；3.成都市環(huán)境保護科學(xué)研究院,四川 成都 610072)

基于成都市2017年12月逐時的“干”氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)觀測數(shù)據(jù),結(jié)合該時段同時次GRIMM180環(huán)境顆粒物分析儀的監(jiān)測資料,利用免疫進化算法一體化反演550nm波長處“干”氣溶膠等效復(fù)折射率的實部和虛部,并對其冬季變化特征進行了研究,結(jié)果表明:“干”氣溶膠等效復(fù)折射率實部和虛部分別為(1.547±0.0552)和(0.0197±0.00604).“干”氣溶膠等效復(fù)折射率實部和虛部的日變化形態(tài)基本一致,主要表現(xiàn)為“單谷型”特征,二者的谷值出現(xiàn)時段位于15:00~18:00.在日時間尺度上而言,“干”氣溶膠等效復(fù)折射率實部與質(zhì)量濃度統(tǒng)計上對其散射消光的演化存在協(xié)同作用,“干”氣溶膠虛部與質(zhì)量濃度對其吸收消光的演化也存在類似影響.“干”氣溶膠等效復(fù)折射率虛部是單位質(zhì)量濃度“干”氣溶膠吸收消光能力的重要表征.

“干”氣溶膠；等效復(fù)折射率；日變化；質(zhì)量濃度；協(xié)同作用

氣溶膠是指懸浮在地球大氣中沉降速度小、尺度范圍介于10-3~20μm的液態(tài)或固態(tài)粒子[1].氣溶膠不僅在天氣氣候演變中扮演著重要角色,也是目前區(qū)域大氣復(fù)合污染所關(guān)注的焦點問題[2-4].多項研究表明[5-7],氣溶膠消光是大氣消光的主體,是區(qū)域秋冬季能見度下降最重要的因子,并與顆粒物尤其是細顆粒物質(zhì)量濃度存在很好的相關(guān)性.進一步研究發(fā)現(xiàn)[8-10],氣溶膠消光并不是完全取決于顆粒物質(zhì)量濃度的高低,同時還與顆粒物的化學(xué)組分以及不同化學(xué)組分隨粒徑的變化密切相關(guān),即氣溶膠復(fù)折射率也在其中起著非常關(guān)鍵的作用.

氣溶膠復(fù)折射率是氣溶膠的重要光學(xué)參數(shù),其實部主要與光的散射有關(guān),虛部主要與光的吸收有關(guān).受排放因素、氣象條件以及復(fù)雜化學(xué)過程等因素的共同影響,氣溶膠復(fù)折射率的變化存在很大的不確定性.李學(xué)彬等[11]提出可利用黑碳儀、濁度儀和光學(xué)粒子計數(shù)器通過枚舉法反演大氣氣溶膠折射率實部與虛部;Ebert等[12]將氣溶膠組分分為海鹽、硅酸鹽、碳酸鹽、碳/硫酸鹽混合顆粒、硫酸銨、硫酸鈣、金屬氧化物/氫氧化物、煤灰、生物質(zhì)以及其余含碳物質(zhì)十類,并根據(jù)其相對豐度及粒徑分布計算了氣溶膠的復(fù)折射率,指出實部較大是由于氣溶膠粒子含有較高的金屬氧化物/氫氧化物,而虛部較大則因為煤灰的含量較高.目前復(fù)折射率的測量方法主要包括直接測量法、光聲法以及反演法[13-15],這些方法總體面臨精度、設(shè)備技術(shù)復(fù)雜性以及技術(shù)效率之間的矛盾,還不能快速準(zhǔn)確地反映氣溶膠化學(xué)組分以及不同化學(xué)組分隨粒徑變化的復(fù)雜性.針對現(xiàn)有反演算法存在的不足,張智察等[16]基于現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)的研究成果,提出了利用免疫進化算法求解氣溶膠等效復(fù)折射率的新途徑,這為復(fù)折射率后續(xù)的統(tǒng)計研究提供了算法保障.

“干”氣溶膠系指相對濕度小于40%的未吸濕性氣溶膠,其等效復(fù)折射率是分析氣溶膠吸濕性光學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ),具有重要的理論意義[17-18].著眼于“干”氣溶膠等效復(fù)折射率演化規(guī)律及其環(huán)境效應(yīng)的深入認知,本文利用成都市2017年12月逐時的“干”氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)觀測數(shù)據(jù),結(jié)合該時段同時次GRIMM180環(huán)境顆粒物分析儀的監(jiān)測資料,基于免疫進化算法一體化反演550nm處“干”氣溶膠等效復(fù)折射率的實部和虛部,并對其冬季的變化特征進行了系統(tǒng)地分析.

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取

本文使用的觀測資料包括成都市2017年12月期間AURORA 3000型濁度儀觀測的氣溶膠散射系數(shù)、AE-31型黑碳檢測儀反演的氣溶膠吸收系數(shù)以及GRIMM180環(huán)境顆粒物分析儀的監(jiān)測資料,相關(guān)設(shè)備參數(shù)、布設(shè)地點及周邊環(huán)境狀況參見文獻[14].550nm處的散射系數(shù)和吸收系數(shù)的計算方案簡介如下.

(1)AURORA 3000型濁度儀通過溫濕度傳感器來控制加熱系統(tǒng),使其內(nèi)部腔室中氣溶膠相對濕度維持在40%左右.濁度儀觀測的是520nm波段的“干”散射系數(shù)sca520(Mm-1),按文獻[6]提出的訂正公式,可得550nm波段處“干”氣溶膠散射系數(shù)sca550(Mm-1),見式(1).

(2)基于AE-31型黑碳檢測儀觀測黑碳質(zhì)量濃度BC(μg/m3)數(shù)據(jù),由此得到532nm波段處的“干”氣溶膠吸收系數(shù)abs532(Mm-1)[19-20],見式(2).依據(jù)文獻[5]再將532nm波段處的“干”吸收系數(shù)abs532(Mm-1)訂正得到550nm波段處的“干”吸收系數(shù)abs550(Mm-1),見式(3).