北方雾霾天气条件下大气气溶胶光学特性研究

倪江楠，华显立

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009)

北方雾霾天气条件下大气气溶胶光学特性研究

倪江楠，华显立

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009)

为更好地研究北方雾霾条件下大气气溶胶光学特性问题，利用北京宝联站在2012年1月～2014年2月的观测数据，通过初步反演得到北京地区雾霾天气气溶胶光学特性的物理参数，包括气溶胶光学厚度、单次散射反照率、Angstrom波长指数和粒子谱分布，希望以此为北京和北方雾霾及环境治理提供参考。

雾霾；光学特性；反演；Angstrom波长；光学厚度

大气气溶胶粒子作为环境检测的重要组成部分，在紫外线、可见光等在内的很宽的波段内可对辐射传输产生非常重要的影响，其一方面可通过吸收电磁波，导致光波的能量出现衰减；另一方面可通过对能量的吸收，将其转化为自身的热量，起到对整个大气层加热的作用。因此，加强对北京地区雾霾天气气溶胶光学特性的研究，可进一步对北方地区雾霾天气气溶胶的特点及气候效应进行了解，并为做好北方地区雾霾天气的治理及环境保护提供参考。

1 观测站点及观测资料

本文选择2012年1月～2014年2月城区宝联站(39°56'N，116°17'E，75.0ma.s.l)的数据进行观察。宝联站则位于北京海淀区的体育公园内，在西三环和西四环之间(见图1中A点)。在该站的周边没有任何的污染源头，因此可代表主城区的空气的实际质量，通过统计发现相关数据满足统计要求。本研究所采用的资料全部建立在观测数据基础上，通过初步反演

图1 北京气溶胶宝联观测站

图2 CE318型号太阳光度计

计算而得到，同时雾霾天气的选取全部是通过卫星图片或气象台雾霾预警通报得到[1]。 在仪器选择方面，选择法国CIMEL公司所生产的CE318太阳光度计(见图2)，其通过测量太阳辐照度(太阳直接辐射通道)和天空辐亮度(天空散射通道)，同时通过无线网络实现对数据的远程控制与传输。该仪器可测量太阳辐射通道(440、500、670、870、1 020 nm)，观测结果可用于测量Angstrom 波长指数，同时该值还可用于光谱分布特征和单次散射比等值。

2 数据反演算法

数据反演算法较复杂，本文以大气气溶胶光学厚度与Angstrom 波长指数的反演为例，对其进行了介绍。在对大气气溶胶光学特性的计算中，通常结合现有的数据，通过反演算法得到滤云条件下的大气辐射参数，并进一步获取气溶胶的光学特征。根据朗伯比尔定律和大气传输模式模型定律，可得到大气外界辐射强度I[2-3]：

(1)

式中，I0是校准常数；R是测量时刻日地的距离；mr、m03、ma分别是散射气溶胶、臭氧分子和消光气溶胶的大气质量数，其中的τr(λ)，τO3(λ)，τα(λ)是其对应的光学的厚度；θ是对应的太阳的天顶角；P是实际的大气压强；P0是标准大气压。通过上述分析可以算出气溶胶厚度：

(2)

同时，根据Angstrom，气溶胶光学厚度还可以通过下式计算：

τ(λ)=βλ-a

(3)

式中，λ是波长指数，通常取值在0～2。

3 测量结果分析

3.1 气溶胶厚度和Angstrom波长指数的变化特征

气溶胶光学厚度作为反映对太阳辐射衰减强弱的重要指标，可反映出整个大气当中气溶胶的含量，从而成为当前评价大气好坏的一个重要参考指标。通常来讲，气溶胶厚度越大，说明大气越为浑浊，反之越为清洁。从图3可以看出，在对气溶胶厚度与波长的统计中，随着波长的增加，气溶胶厚度在逐步减少，符合当前大陆城市地区气溶胶光学厚度的变化规律。在大陆的相关城市地区，大气气溶胶的组成通常为硫酸盐、碳气溶胶等人为进行排放的一些气溶胶粒子，其光学的厚度随着波长的增加呈不断下降，由此说明人为排放的气溶胶粒子比沙尘粒子在对太阳光的衰减方面更具有波长选择性。

图3 气溶胶光学厚度与波长关系

Angstrom 波长指数作为对气溶胶粒子大小衡量的重要参数，被广泛地应用在空气质量评价之中。针对分子来看，α最大值可以达到4，而相关粗粒子中α的取值则可以为负值。北京雾霾天气下Angstrom 波长指数与气溶胶光学厚度(440 nm)的关系如图4所示。

图4 440 nm气溶胶光学厚度与 Angstrom 波长指数关系

从图4可以看出，北京地区Angstrom 波长指数整体值比较高，其波动在0.4～1.45。当气溶胶厚度(AOD)>0.5 h， Angstrom 波长指数主要集中在0.86～1.42。在对气溶胶光学厚度与Angstrom 波长指数关系的统计中，根据同一般天气的比较，北京雾霾中的Angstrom 波长指数平均在1.13，为平常数值的3倍，同时在与沙尘天气气溶胶的比较中，Angstrom 波长指数为沙尘条件下的2倍，该数据表明雾霾天气中的气溶胶更多为比较细的污染粒子。

3.2 大气气溶胶单次散射比

气溶胶粒子的单次散射比(single scattering albedo)作为对气溶胶粒子的总消光中散射所占比例中的一个重要出参数，是对气溶胶气候效应进行评估的关键变量。该值的大小主要取决于气溶胶粒子的形状、成分和面积谱等因素。不同气溶胶浓度下的气溶胶单次散射比如图5所示。北京地区细粒子单次散射比在不同通道(440、670、870、1 020 nm)下的平均值分别为0.86±0.09、0.86±0.09、0.88±0.08、0.87±0.07。随着波长的增加，气溶胶单次散射比整体上呈现出不断下降的趋势。将北京地区440 nm的气溶胶散射比反演到北半球气溶胶的单次散射比，其均值在0.85～0.95，这个结果与有关学者对北京上旬子地区所进行的气溶胶单次散射比测算结果 0.88极为相似。通过上述数据对比表明，北京地区气溶胶粗粒子和细粒子的散射性都比较大。

图5 气溶胶单次散射比(SSAT)变化特征

3.3 气溶胶尺度谱分布

该分布主要为研究气溶胶粒子辐射和气溶胶气候效应的基本参数，其不同类型的气溶胶在粒度的分布方面存在着不同的分布特点，又称为粒度谱分布。北京地区在2012年到2014年统计数据中的粒子尺度在雾霾天气下的气溶胶的体积谱的分布如图6所示，由图6可以发现，北京地区气溶胶体积谱分别表现出双峰的正态分布；同时，其中的粒子半径大多数集中在0.4 μm左右分布，造成这个数据的根本原因在于其很可能受到新污染物或者是外来的污染物的影响。当气溶胶的光学厚度约1.0 μm时，其细模态的粒子半径大多集中在0.12 μm左右，而粗模态的粒子半径通常集中在4 μm左右；当气溶胶光学厚度>1.0时，其细模态粒子的粒径在0.2 μm左右，粗模态粒子粒径集中在3 μm左右。污染粒子体积的增大与在雾霾天气下的天气稳定原因所带来的污染物累积导致。

图6 气溶胶粒子体积谱分布的变化特征

4 结语

上述研究表明，北京雾霾天气期间的气溶胶光学厚度整体都在比较高的值范围，通过分析发现其主要原因在于雾霾发生时候其稳定的天气形势所致，同时，在雾霾天气之下， Angstrom 波长指数也呈现出比较高的值，该指数的主要分布在0.4～1.45；当气溶胶厚度> 0.5，其波长指数也通常都>0.85。通过对北京地区雾霾下气溶胶厚度及Angstrom 波长指数的分析可以看出北京雾霾天气下的气溶胶粒子更多以细粒子为主。北京地区气溶胶粒度谱分布整体表现为双峰的正态分布趋势，其中细模态的体积浓度随着气溶胶厚度的增加而增加。北京地区雾霾天气下单次散射比随着波长的增大而呈现出先增大后减小的趋势，并且随着气溶胶厚度的增加，其单次散射比逐步增大。

[1] 郝保红,何琦,段秋桐,等.用新型稀土-铝有序介孔纳米复合材料削减PM2.5的创新研究[J]. 新技术新工艺，2013(7)：91-94.

[2] 赵普生，张小玲，徐晓峰．利用日均值及14时气象数据进行霾日判定的比较分析[J]．环境科学学报，2011，31(4):704-708．

[3] 于兴娜，李新妹，登增然登，等．北京雾霾天气期间气溶胶光学特性[J]．环境科学，2012，33(4):1057-1062．

责任编辑李思文

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，硕士，助教，主要从事光学工程等方面的研究。

2015-01-02