灰霾天氣氣溶膠對北京市大氣能見度影響貢獻分析

閆 賓，盧士慶 ，孟 偉，張自國(.中國氣象局北京城市氣象研究所，北京00089;2.內蒙古氣象局，內蒙古呼和浩特0005;3.內蒙古生態與農業氣象中心，內蒙古呼和浩特0005;.內蒙古氣象科學研究所，內蒙古呼和浩特0005)

大氣氣溶膠是指懸浮在氣體中的固體和(或)液體微粒與氣體載體共同組成的多相氣體系。灰霾指大氣邊界層乃至對流層低層整體的大氣渾濁現象，能見度低于10 km。形成灰霾天氣的大氣氣溶膠主要來源于自然排放和人類活動的排放。城市是人類工作、生活聚集地，近年來，我國很多城市大氣能見度明顯下降，灰霾天氣增多，灰霾及相關的城市環境問題日益引起大眾的關注，也成為大氣科學領域內研究的熱點問題［1－5］。國內外學者從20世紀60年代就開展氣溶膠的化學成分、粒徑分布、光學性質等及氣溶膠影響能見度機制方面的研究［6－12］。大氣能見度是城市環境污染程度的顯性而直觀的宏觀特征量，但從微觀看，大氣氣溶膠粒子散射和吸收、氣溶膠組分、空氣分子散射、污染性氣體的吸收均是影響大氣能見度因素［1，5］。筆者使用北京上甸子地大氣本底站所測得的氣溶膠散射系數和吸收系數、氣溶膠成分組成、氮氧化物濃度等資料對北京地區灰霾天氣中大氣能見度的微觀影響因素進行分析。

1 資料與方法

1.1 資料選取 2006年1月～2012年6月上甸子大氣本底站每天08:00、14:00、20:00觀測到的相對濕度、能見度、天氣現象等常規氣象資料;與常規氣象資料時間匹配的氣溶膠散射系數和吸收系數、PM2.5濃度、氮氧化物濃度等資料，獲取氣溶膠資料的觀測儀器、方法、規范等詳見文獻［13］。

1.2 分析方法

1.2.1 灰霾天氣。中國氣象局定義灰霾為“大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度＜10 km的空氣普遍有混濁現象”［14］。《霾的觀測和預報等級》中，詳細規定了霾的標準，即能見度低于10 km、相對濕度＜95%時，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙霧、吹雪、雪暴等天氣現象造成的視程障礙，就可判斷為灰霾［15］。經過篩選，研究時間段內共得到684組數據。

1.2.2 大氣能見度微觀影響因素。水平方向上，大氣能見度(Va)與消光系數(Ea)間的關系為:，灰霾天氣，Ea受干結空氣散射(Egs)、干氣溶膠散射(Eas)、氣溶膠吸收(Eaa)、水汽分子散射(Ews)、氣態污染物吸收(Epa)5個微觀因素影響。Ea計算公式為Ea=Egs+Eas+Eaa+Ews+Epa。

1.2.2.1 干結空氣散射(Egs)。由瑞利散射理論，可計算干結空氣分子對可見光的瑞利散射作用，則Egs可取常數0.1×10－4m－1［5］。

1.2.2.2 干氣溶膠散射(Eas)。PM2.5在氣溶膠散射中又占了絕大部分［5］，Eas通過公式 Eas=0.029 9 × m2.5計算，其中m2.5為 PM2.5的質量濃度(μg/m3)。

1.2.2.3 干氣溶膠吸收(Eaa)。黑碳氣溶膠對光吸收占總量的90% ～95%，由于氣溶膠中碳黑的存在，故而Eaa不可忽略。上甸子大氣本底站的Magee兩通道黑碳儀可以觀測得到Eaa。

1.2.2.4 水汽分子散射(Ews)。水汽分子可以直接和間接衰減太陽輻射。水汽分子通過散射直接衰減太陽輻射;通過與氣溶膠結合吸濕長大來對太陽輻射產生的消光。由于水汽分子間接衰減機制的復雜性，在此不做深入探討，近似認為上甸子大氣本底站的M9003型積分式濁度儀觀測得到的大氣總散射系數與干氣溶膠散射系數之間的差值即為Ews。

1.2.2.5 氣態污染物吸收(Epa)。邊界層影響大氣水平能見度的氣態污染物主要為O3和NO2。由于水平方向O3的吸收作用很小，所以氣態污染物的吸收作用主要考慮NO2的影響。NO2對可見光的吸收采用經驗公式［5］:Epa=3.3Y，式中，Epa為NO2的吸收系數(單位:10－4m－1)，Y為大氣中 NO2的含量(單位:體積分數(10－6))。

2 結果與分析

2.1 灰霾天氣污染物構成 根據觀測資料分析，灰霾天氣條件下，北京市能見度平均為5.6 km，主要污染物為PM2.5、NO2、SO2、O3，各類污染物平均值分別為 120.6 μg/m3、21.3 ppb、18.6 ppb、43.8 ppb。可見，可吸入性顆粒是主要污染物，而主要氣態污染物O3和NO2的濃度均超過SO2濃度。

2.2 灰霾天氣大氣能見度微觀影響因素比例 根據“1.2.2”原理方法，對觀測數據進行整理、計算、分析，得到5個大氣能見度影響因素的統計分析結果。由表1可見，灰霾天氣條件下，影響北京市大氣能見度的各微觀影響因子的構成比例分別為干結空氣散射作用占1.75%、干氣溶膠散射作用占62.53%、干氣溶膠吸收作用占10.11%、水汽分子散射作用占18.33%、氣態污染物吸收作用占7.28%。大氣氣溶膠的散射和吸收對能見度的衰減比例占72.64%，是大氣能見度的首要影響因素。水汽分子的散射作用所占比例高達18.33%。其主要原因有兩點，一是灰霾天氣條件下的高濕度環境，利于氣溶膠的吸濕長大，水汽間接影響能見度的效應明顯;二是高濕條件下，水汽分子本身尺度就較晴好天氣大，所以水汽分子對能見度的直接影響作用也較明顯。此外，氣態污染物NO2的占比高于干結大氣，由于NO2是生成二次硝酸鹽氣溶膠的主要貢獻者，因此控制灰霾天氣的NO2排放也很重要，另外，結合各類污染物平均值也可以看出北京市的NO2污染嚴重。

表1 灰霾天氣北京市大氣能見度微觀影響因素值

3 結論

灰霾天氣條件下，導致北京市大氣能見度降低的各微觀影響因素的比例分別為干結空氣散射占1.75%、干氣溶膠散射占62.53%、干氣溶膠吸收占10.11%、水汽分子散射占18.33%、氣態污染物吸收占7.28%;氣溶膠是影響大氣能見度的首要因素，水汽分子散射是影響大氣能見度的次要因素;北京市的主要氣態污染物是O3和NO2，NO2的吸收作用是影響大氣能見度的第三大因素。治理灰霾天氣，控制氣溶膠濃度是首要措施，而為了減少二次硝酸鹽氣溶膠的生成，控制NO2濃度升高也很重要。

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