北方霧霾天氣條件下大氣氣溶膠光學(xué)特性研究

倪江楠，華顯立

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009)

北方霧霾天氣條件下大氣氣溶膠光學(xué)特性研究

倪江楠，華顯立

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009)

為更好地研究北方霧霾條件下大氣氣溶膠光學(xué)特性問(wèn)題，利用北京寶聯(lián)站在2012年1月～2014年2月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)初步反演得到北京地區(qū)霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性的物理參數(shù)，包括氣溶膠光學(xué)厚度、單次散射反照率、Angstrom波長(zhǎng)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(xué)特性；反演；Angstrom波長(zhǎng)；光學(xué)厚度

大氣氣溶膠粒子作為環(huán)境檢測(cè)的重要組成部分，在紫外線、可見光等在內(nèi)的很寬的波段內(nèi)可對(duì)輻射傳輸產(chǎn)生非常重要的影響，其一方面可通過(guò)吸收電磁波，導(dǎo)致光波的能量出現(xiàn)衰減；另一方面可通過(guò)對(duì)能量的吸收，將其轉(zhuǎn)化為自身的熱量，起到對(duì)整個(gè)大氣層加熱的作用。因此，加強(qiáng)對(duì)北京地區(qū)霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性的研究，可進(jìn)一步對(duì)北方地區(qū)霧霾天氣氣溶膠的特點(diǎn)及氣候效應(yīng)進(jìn)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(hù)提供參考。

1 觀測(cè)站點(diǎn)及觀測(cè)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(jìn)行觀察。寶聯(lián)站則位于北京海淀區(qū)的體育公園內(nèi)，在西三環(huán)和西四環(huán)之間(見圖1中A點(diǎn))。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(shí)際質(zhì)量，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)滿足統(tǒng)計(jì)要求。本研究所采用的資料全部建立在觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)初步反演

圖1 北京氣溶膠寶聯(lián)觀測(cè)站

圖2 CE318型號(hào)太陽(yáng)光度計(jì)

計(jì)算而得到，同時(shí)霧霾天氣的選取全部是通過(guò)衛(wèi)星圖片或氣象臺(tái)霧霾預(yù)警通報(bào)得到[1]。 在儀器選擇方面，選擇法國(guó)CIMEL公司所生產(chǎn)的CE318太陽(yáng)光度計(jì)(見圖2)，其通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)輻照度(太陽(yáng)直接輻射通道)和天空輻亮度(天空散射通道)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程控制與傳輸。該儀器可測(cè)量太陽(yáng)輻射通道(440、500、670、870、1 020 nm)，觀測(cè)結(jié)果可用于測(cè)量Angstrom 波長(zhǎng)指數(shù)，同時(shí)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(fù)雜，本文以大氣氣溶膠光學(xué)厚度與Angstrom 波長(zhǎng)指數(shù)的反演為例，對(duì)其進(jìn)行了介紹。在對(duì)大氣氣溶膠光學(xué)特性的計(jì)算中，通常結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，通過(guò)反演算法得到濾云條件下的大氣輻射參數(shù)，并進(jìn)一步獲取氣溶膠的光學(xué)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(qiáng)度I[2-3]：

(1)

式中，I0是校準(zhǔn)常數(shù)；R是測(cè)量時(shí)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(zhì)量數(shù)，其中的τr(λ)，τO3(λ)，τα(λ)是其對(duì)應(yīng)的光學(xué)的厚度；θ是對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)的天頂角；P是實(shí)際的大氣壓強(qiáng)；P0是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。通過(guò)上述分析可以算出氣溶膠厚度：

(2)

同時(shí)，根據(jù)Angstrom，氣溶膠光學(xué)厚度還可以通過(guò)下式計(jì)算：

τ(λ)=βλ-a

(3)

式中，λ是波長(zhǎng)指數(shù)，通常取值在0～2。

3 測(cè)量結(jié)果分析

3.1 氣溶膠厚度和Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)的變化特征

氣溶膠光學(xué)厚度作為反映對(duì)太陽(yáng)輻射衰減強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，可反映出整個(gè)大氣當(dāng)中氣溶膠的含量，從而成為當(dāng)前評(píng)價(jià)大氣好壞的一個(gè)重要參考指標(biāo)。通常來(lái)講，氣溶膠厚度越大，說(shuō)明大氣越為渾濁，反之越為清潔。從圖3可以看出，在對(duì)氣溶膠厚度與波長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)中，隨著波長(zhǎng)的增加，氣溶膠厚度在逐步減少，符合當(dāng)前大陸城市地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的變化規(guī)律。在大陸的相關(guān)城市地區(qū)，大氣氣溶膠的組成通常為硫酸鹽、碳?xì)馊苣z等人為進(jìn)行排放的一些氣溶膠粒子，其光學(xué)的厚度隨著波長(zhǎng)的增加呈不斷下降，由此說(shuō)明人為排放的氣溶膠粒子比沙塵粒子在對(duì)太陽(yáng)光的衰減方面更具有波長(zhǎng)選擇性。

圖3 氣溶膠光學(xué)厚度與波長(zhǎng)關(guān)系

Angstrom 波長(zhǎng)指數(shù)作為對(duì)氣溶膠粒子大小衡量的重要參數(shù)，被廣泛地應(yīng)用在空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)之中。針對(duì)分子來(lái)看，α最大值可以達(dá)到4，而相關(guān)粗粒子中α的取值則可以為負(fù)值。北京霧霾天氣下Angstrom 波長(zhǎng)指數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度(440 nm)的關(guān)系如圖4所示。

圖4 440 nm氣溶膠光學(xué)厚度與 Angstrom 波長(zhǎng)指數(shù)關(guān)系

從圖4可以看出，北京地區(qū)Angstrom 波長(zhǎng)指數(shù)整體值比較高，其波動(dòng)在0.4～1.45。當(dāng)氣溶膠厚度(AOD)>0.5 h， Angstrom 波長(zhǎng)指數(shù)主要集中在0.86～1.42。在對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度與Angstrom 波長(zhǎng)指數(shù)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)中，根據(jù)同一般天氣的比較，北京霧霾中的Angstrom 波長(zhǎng)指數(shù)平均在1.13，為平常數(shù)值的3倍，同時(shí)在與沙塵天氣氣溶膠的比較中，Angstrom 波長(zhǎng)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(xì)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(duì)氣溶膠粒子的總消光中散射所占比例中的一個(gè)重要出參數(shù)，是對(duì)氣溶膠氣候效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估的關(guān)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(xì)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(zhǎng)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(shì)。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(gè)結(jié)果與有關(guān)學(xué)者對(duì)北京上旬子地區(qū)所進(jìn)行的氣溶膠單次散射比測(cè)算結(jié)果 0.88極為相似。通過(guò)上述數(shù)據(jù)對(duì)比表明，北京地區(qū)氣溶膠粗粒子和細(xì)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(yīng)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(diǎn)，又稱為粒度譜分布。北京地區(qū)在2012年到2014年統(tǒng)計(jì)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(shí)，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(gè)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(lái)的污染物的影響。當(dāng)氣溶膠的光學(xué)厚度約1.0 μm時(shí)，其細(xì)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(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度>1.0時(shí)，其細(xì)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(lái)的污染物累積導(dǎo)致。

圖6 氣溶膠粒子體積譜分布的變化特征

4 結(jié)語(yǔ)

上述研究表明，北京霧霾天氣期間的氣溶膠光學(xué)厚度整體都在比較高的值范圍，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)其主要原因在于霧霾發(fā)生時(shí)候其穩(wěn)定的天氣形勢(shì)所致，同時(shí)，在霧霾天氣之下， Angstrom 波長(zhǎng)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(dāng)氣溶膠厚度> 0.5，其波長(zhǎng)指數(shù)也通常都>0.85。通過(guò)對(duì)北京地區(qū)霧霾下氣溶膠厚度及Angstrom 波長(zhǎng)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(xì)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(shì)，其中細(xì)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(zhǎng)的增大而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，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(fù)合材料削減PM2.5的創(chuàng)新研究[J]. 新技術(shù)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(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行霾日判定的比較分析[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)特性[J]．環(huán)境科學(xué)，2012，33(4):1057-1062．

責(zé)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(xué)工程等方面的研究。

2015-01-02