牟福生，李 昂，謝品華，王 楊，吳豐成，陳 浩，徐 晉，孫友文

中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥230031

氣溶膠顆粒物作為城市大氣污染的主要成分，不僅影響人類健康和出行環(huán)境，而且通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射和地面輻射的吸收和散射，直接影響地球的輻射收支平衡，并通過(guò)影響云凝結(jié)核數(shù)量間接改變了云的光學(xué)性質(zhì)、生命周期［1-4］。隨著工業(yè)的快速發(fā)展和城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量的急劇增加，人類向環(huán)境排放了大量顆粒物和污染氣體，近地面對(duì)流層大氣中氣溶膠濃度不斷增加，NO2、SO2等污染氣體排放又為二次氣溶膠污染產(chǎn)生了條件。高濃度的氣溶膠使霧霾發(fā)生的頻率不斷增加［5］，2013年1月在華北地區(qū)發(fā)生了持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的霧霾天氣，嚴(yán)重影響了人們的日常生活和身體健康。由于氣溶膠對(duì)氣候和人類生產(chǎn)生活方面產(chǎn)生的巨大影響，近年來(lái)對(duì)氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行研究已經(jīng)成為國(guó)際熱點(diǎn)研究方向，因此對(duì)其進(jìn)行研究是十分必要的。

大量學(xué)者針對(duì)霧霾的氣候特征、理化性質(zhì)進(jìn)行了研究，然而對(duì)霧霾天氣下氣溶膠光學(xué)性質(zhì)研究還比較少。車慧正等［6］發(fā)現(xiàn)在霧霾天氣和沙塵天氣下氣溶膠粒子光學(xué)厚度、單次散射反照率等光學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)明顯不同的分布特征。王靜等［7］觀測(cè)到南京在霧霾期間單次散射反照率明顯高于非霾天，并在440 nm處達(dá)到最大值(0.93)。于興娜等［8］研究了北京霧霾期間Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在光學(xué)厚度較大時(shí)，波長(zhǎng)指數(shù)通常也為較大值。

該文主要基于太陽(yáng)光度計(jì)CE318數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)，分析合肥霧霾期間的氣溶膠光學(xué)參數(shù)，并用MAX-DOAS反演霧霾期間的NO2對(duì)流層差分斜柱濃度和固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的PM濃度進(jìn)行對(duì)比，研究二次氣溶膠對(duì)顆粒物濃度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 利用直射太陽(yáng)光反演氣溶膠光學(xué)厚度

氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)是衡量氣溶膠粒子對(duì)太陽(yáng)輻射衰減強(qiáng)弱能力的一個(gè)重要參數(shù)，是大氣傳輸路徑上兩點(diǎn)間的氣溶膠光學(xué)厚度等于路徑中單位截面上氣溶膠吸收和散射產(chǎn)生的總衰減［9］。大氣中光譜的光學(xué)厚度和太陽(yáng)光度計(jì)所測(cè)光譜的直射輻射強(qiáng)度(Eλ)有如下關(guān)系［10-11］:

式中:E0λ是波長(zhǎng)λ處的太陽(yáng)直射輻射度(太陽(yáng)常數(shù))，R是日地距離，m是大氣質(zhì)量因子，τλ為大氣垂直總光學(xué)厚度，Tgλ為吸收氣體透過(guò)率。

用測(cè)量?jī)x器的輸出電壓Vλ代替Eλ，式(1)可寫成:

式中:V0λ是定標(biāo)常數(shù)。對(duì)于Tgλ，在紫外可見(jiàn)波段由于臭氧有吸收，根據(jù)比爾定律，臭氧吸收透過(guò)率為

對(duì)于吸收氣體，只在936 nm波段上考慮水汽。大氣中其他吸收氣體(如 NO2、CO2)在太陽(yáng)光度計(jì)所配置的波段上影響非常小，忽略其影響。對(duì)無(wú)水汽影響的波段，式(2)和式(3)結(jié)合，大氣垂直總光學(xué)厚度可寫成:

式中:τrλ為分子散射光學(xué)厚度，τaλ為氣溶膠散射，τgλ為吸收氣體(主要為 O3)。

在大氣穩(wěn)定(τλ基本不變)的條件下，測(cè)量不同太陽(yáng)天頂角(θ)的直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(Vλ)，由ln(VλR2)與mθ線性擬合可得一條直線，截距為 lnV0λ，斜率為總大氣垂直光學(xué)厚度(τλ)，這種方法稱為L(zhǎng)angley法。通過(guò)地面氣壓值計(jì)算出Rayleigh散射光學(xué)厚度，從總的大氣光學(xué)厚度扣除瑞利散射光學(xué)厚度和臭氧光學(xué)厚度，結(jié)果即為氣溶膠散射光學(xué)厚度。

假設(shè)氣溶膠粒子的譜分布滿足 Jungle分布(僅適用于描述潔凈大氣中半徑約為0.1～2 μm的氣溶膠粒子分布)，氣溶膠光學(xué)厚度可以表示為

式中:α為Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)，反映氣溶膠粒子大小;β為大氣渾濁度系數(shù)，是波長(zhǎng)為1 μm時(shí)的氣溶膠光學(xué)厚度，其值越大，大氣越渾濁。通過(guò)獲取的氣溶膠光學(xué)厚度 τaλ的對(duì)數(shù) lnτaλ相對(duì)于 lnλ進(jìn)行線性擬合，可以求出β、α，從而可以得到任何波長(zhǎng)上的氣溶膠光學(xué)厚度。

1.2 粒子譜分布的反演原理

氣溶膠粒子譜分布定義為單位對(duì)數(shù)粒子半徑間隔內(nèi)單位截面的氣溶膠粒子體積，是衡量氣溶膠粒子密度的重要光學(xué)參數(shù)，也是研究氣溶膠氣候效應(yīng)和輻射強(qiáng)迫的基本輸入?yún)?shù)，不同類型的氣溶膠有不同的譜分布特征［11］。目前AERONET氣溶膠反演采用 Dubovik算法［12］，該算法基于統(tǒng)計(jì)原理，考慮了已知的氣溶膠特征和光譜輻射特性，在一定的理論模型基礎(chǔ)上找到與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的最佳擬合。本研究采用李正強(qiáng)修改過(guò)的 AERONET算法［13］，該算法與目前的AERONET算法類似，也根據(jù)太陽(yáng)光度計(jì)4個(gè)非偏振通道的多角度天空散射和消光觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)反演氣溶膠粒子譜分布、折射指數(shù)、單次散射反照率。

1.3 觀測(cè)站點(diǎn)和數(shù)據(jù)資料

觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在位于合肥西北郊區(qū)科學(xué)島的中科院安徽光機(jī)所樓頂(117°9'E，31°54'N)，海拔約30 m，周圍污染較少，距離城市中心區(qū)域約6 km。采用標(biāo)準(zhǔn)型太陽(yáng)光度計(jì)(CE318，法國(guó))進(jìn)行氣溶膠光學(xué)特性監(jiān)測(cè)。目前美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)組建的全球氣溶膠自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)(AERONET)全部采用了該類型太陽(yáng)光度計(jì)，并在全球擁有400多個(gè)站點(diǎn)。儀器的工作波長(zhǎng)為 340、380、440、500、675、870、936、1 020、1 640 nm，其中 936 nm 用來(lái)反演大氣水柱含量［14］。該儀器利用直射太陽(yáng)光可以直接獲得各波段的氣溶膠光學(xué)厚度和Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)，利用天空散射光可以反演體積譜函數(shù)、單次散射反照率、相函數(shù)等氣溶膠光學(xué)特性。這些參數(shù)是計(jì)算氣溶膠大氣輻射強(qiáng)迫的必要輸入?yún)?shù)。實(shí)驗(yàn)期間霧霾產(chǎn)生的時(shí)間和天氣情況以地面氣象站記錄為準(zhǔn)，具體日期和天氣情況見(jiàn)表1、表2。

表1 合肥霧霾期間和霧霾前后所選晴天的日期

表2 合肥霧霾期間和霧霾前后的天氣情況

2 結(jié)果分析

2.1 氣溶膠光學(xué)厚度與Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)

霧霾發(fā)生于2013年1月，對(duì)霧霾發(fā)生時(shí)和霧霾發(fā)生前后各1個(gè)月的AOD取月均值，如圖1所示，霧霾天氣下各波段AOD都高于晴天時(shí)，表明霧霾時(shí)氣溶膠消光明顯高于非霾時(shí)，這解釋了為什么霧霾天氣下能見(jiàn)度比非霾天氣要低。此外，發(fā)生霧霾時(shí)和晴天一樣，各波段AOD都隨波長(zhǎng)增大而減少，說(shuō)明長(zhǎng)波長(zhǎng)消光不如短波長(zhǎng)處明顯，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光容易穿透霧霾，這是霧霾時(shí)遠(yuǎn)處物體看起來(lái)橙黃色的原因。在霧霾期間440 nm波段的AOD月均值為1.30，遠(yuǎn)高于霧霾發(fā)生前2012年12月晴天時(shí)(0.6)和霧霾發(fā)生后2013年3月的月均值(0.72)，其他 3個(gè)波長(zhǎng)(670、870、1 020 nm)也表現(xiàn)出相同特征，這主要是因?yàn)殪F霾天氣期間大氣較為穩(wěn)定，有利于污染物積累，從而產(chǎn)生高濃度的氣溶膠積聚事件。

Angstorm波長(zhǎng)指數(shù) (α)是反映氣溶膠粒子大小的重要參數(shù)，α越大，說(shuō)明粒子越小，α越小說(shuō)明粒子越大。圖2給出了合肥地區(qū)霧霾天氣下Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)與440 nm氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系。AOD＞1時(shí)，α一般在1.2以上。從圖2可以看出，兩者為指數(shù)關(guān)系，α越大，AOD越大，即在該波長(zhǎng)下，AOD為0.2～1時(shí)，波長(zhǎng)指數(shù)隨AOD增加較快，AOD為1.0～2.2時(shí)，α隨AOD增加較平緩。和沙塵天氣下AOD和α關(guān)系不同［6］，從整體看，合肥霧霾天氣下Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)通常表現(xiàn)出較高值，波動(dòng)范圍為0.61～1.51，霧霾期間的波長(zhǎng)指數(shù)均值可達(dá)1.26。而敦煌地區(qū)秋季波長(zhǎng)指數(shù)季節(jié)均值為0.27［14］，主要為大的沙塵粒子，合肥霧霾天氣的Angstorm指數(shù)為其5倍多，說(shuō)明合肥霧霾天氣下氣溶膠粒子主要以細(xì)粒子為主。

圖1 合肥地區(qū)在霧霾和晴天期間月平均光學(xué)厚度隨波長(zhǎng)的變化及對(duì)比

圖2 霧霾天氣下Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度(440 nm)的關(guān)系

圖3 給出了合肥地區(qū)霧霾天氣期間的AOD(440 nm)和Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)的頻率分布。

圖3 合肥霧霾期間氣溶膠光學(xué)厚度(440 nm)和Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)的頻率分布

由圖3可以看出，霧霾天氣期間的AOD有較寬分布，約有90%的AOD分布在0.4～1.8之間。Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)分布在0.6～1.6之間，說(shuō)明有不同類型的氣溶膠存在。α＞1.1的出現(xiàn)頻率達(dá)到了87%，說(shuō)明合肥霧霾期間的氣溶膠粒子主要是細(xì)粒子，主要來(lái)源為本地工業(yè)源、城市機(jī)動(dòng)車等。在霧霾和沙塵天氣下AOD和α的關(guān)系不同，這可能為分析不同氣溶膠來(lái)源對(duì)局地氣溶膠含量和粒徑分布的影響提供一種新方法。

2.2 氣溶膠體積譜分布和單次散射反照率

圖4給出了0.05～15 μm氣溶膠粒子譜分布，從中發(fā)現(xiàn)霧霾天氣下氣溶膠體積譜表現(xiàn)出雙峰分布。在第1個(gè)(細(xì)模態(tài))峰值處體積譜分布隨著AOD的增加而增大，最高時(shí)可達(dá)0.18 μm3/μm2，而在第2個(gè)峰值處(粗模態(tài))體積譜分布增加到0.05 μm3/μm2左右就不再上升，說(shuō)明合肥地區(qū)霧霾期間消光增強(qiáng)主要是由于細(xì)粒子的增加引起的。AOD的增加主要是由于霧霾天氣穩(wěn)定的天氣條件造成大量細(xì)粒子污染物的積聚所致。

圖4 不同氣溶膠情況下的氣溶膠粒子的體積譜分布

氣溶膠單次散射反照率(ω)是反映氣溶膠粒子總消光中散射消光比重的重要光學(xué)參數(shù)，反映了氣溶膠粒子散射和吸收的相對(duì)大小，是評(píng)估氣溶膠氣候效應(yīng)的重要參量之一［7］。主要由氣溶膠粒子的成分所決定，與粒子尺度和形狀也有密切關(guān)系。圖5為合肥霧霾天氣期間取其中1 d在不同光學(xué)厚度下單次散射反照率隨波長(zhǎng)變化情況。4種典型光學(xué)厚度下單次散射反照率隨波長(zhǎng)的增加而減少，表明細(xì)粒子消光貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位。與沙塵天氣下的ω隨波長(zhǎng)的增加而增加相反［6］，ω隨波長(zhǎng)增加而減少，這類似于南京［7］地區(qū)和北京［8］地區(qū)的反演結(jié)果，區(qū)別在于北京霧霾期間 ω在670 nm處達(dá)到最大值，而合肥、南京地區(qū)在440 nm處達(dá)到最大值，表明后者在440波段氣溶膠粒子的散射效果更明顯。此外，單次散射反照率表現(xiàn)出隨著AOD增加而增大的趨勢(shì)。

圖5 合肥霧霾期間不同氣溶膠光學(xué)厚度情況下單次散射反照率隨波長(zhǎng)的變化

2.3 NO2對(duì)流層差分斜柱濃度和PM濃度的關(guān)系

NO2是硝酸鹽粒子的重要前體物，而硝酸鹽是二次氣溶膠的主要組成成分之一，通過(guò)NO2濃度變化可以研究二次氣溶膠對(duì)顆粒物濃度變化的影響。MAX-DOAS可通過(guò)不同高度角(望遠(yuǎn)鏡指向和地面之間夾角)的太陽(yáng)散射光得到大氣污染痕量氣體的空間分布［14］。本研究對(duì)NO2對(duì)流層差分斜柱濃度進(jìn)行反演，選擇每個(gè)測(cè)量循環(huán)周期內(nèi)天頂(90°)方向的測(cè)量光譜作為參考譜，反演低角度(2°)測(cè)量光譜，選擇2013年1月26—29日中午11:30—12:30的反演結(jié)果取平均值，由于測(cè)量時(shí)太陽(yáng)高度角變化很小并且每天測(cè)量都選擇在同一時(shí)間段進(jìn)行反演，所獲取的NO2濃度變化可以反映對(duì)流層 NO2濃度變化。通過(guò) MAXDOAS獲取NO2在該時(shí)段的小時(shí)濃度均值變化，并和固定點(diǎn)相同時(shí)間段內(nèi)的PM小時(shí)均值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的趨勢(shì)一致性較好，在霧霾期間氣溶膠粒子積聚時(shí)NO2的濃度也同時(shí)在增加，霧霾后期PM濃度降低，NO2濃度也同步減少，說(shuō)明二次氣溶膠前體物NO2的濃度對(duì)于氣溶膠粒子的濃度有一定的影響(圖6)。

圖6 NO2、PM 濃度在2013年1月26—29日同一時(shí)間段的變化

3 結(jié)論

基于太陽(yáng)光度計(jì)(CE318)數(shù)據(jù)研究了霧霾期間的氣溶膠光學(xué)特性。霧霾期間氣溶膠光學(xué)厚度隨著波長(zhǎng)增加而減少，人為排放氣溶膠粒子在對(duì)太陽(yáng)光衰減方面具有波長(zhǎng)選擇性。用MAXDOAS儀器反演了霧霾天氣NO2的濃度并和相同時(shí)間段顆粒物濃度(PM10、PM2.5等)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者一致性較好，說(shuō)明工業(yè)源、機(jī)動(dòng)車等排放的氣溶膠前體物NO2的濃度可能對(duì)氣溶膠粒子濃度有一定的影響。體積譜分布中細(xì)模態(tài)體積濃度較大，表明霧霾期間的氣溶膠粒子細(xì)粒子為主控粒子。此外霧霾天氣下合肥地區(qū)單次散射反照率隨波長(zhǎng)增加而減少。通過(guò)分析Angstorm波長(zhǎng)指數(shù)和AOD(440 nm)的關(guān)系，可能為識(shí)別和估計(jì)不同氣溶膠來(lái)源對(duì)氣溶膠含量和粒徑的影響提供一種方法。

致謝:對(duì)中科院大氣所李東輝博士在太陽(yáng)光度計(jì)粒子譜分布和單次散射反照率處理方面給予的幫助表示感謝!

［1］邱金桓，呂達(dá)仁，陳洪濱，等.現(xiàn)代大氣物理學(xué)研究進(jìn)展［J］.大氣科學(xué)，2003，27(4):628-652.

［2］羅云峰，周秀驥，李維亮.大氣氣溶膠輻射強(qiáng)迫及其后效應(yīng)的研究現(xiàn)狀［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，1998，13(6):572-581.

［3］Niu S J，Lu C S，Yu H Y，et al.Fog research in China:An overview［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2010，27(3):639-661.

［4］Penner J E，Andreae M，Annegarn H，et al.Aerosols，their direct and indirect effects，in IPCC 2001:climate change，the science basis，contribution of working Group 1 to the third assessment report of the intergovernmental panel on climate change［R］.Cambridge，United Kingdom and New York，USA:Cambridge University Press，2001.

［5］吳兌.大城市區(qū)域霾與霧的區(qū)別和霾天氣預(yù)警信號(hào)發(fā)布［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31(9):1-7.

［6］車慧正，張小曳，石光玉，等.沙塵和灰霾天氣下毛烏素沙漠地區(qū)大氣氣溶膠的光學(xué)特征［J］.中國(guó)粉體技術(shù)，2005，11(3):122-125.

［7］王靜，牛生杰，許丹，等.南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，33(2):201-208.

［8］于興娜，李新妹，登增然，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):1 057-1 062.

［9］楊志峰.中國(guó)特征區(qū)域大氣氣溶膠光學(xué)特性研究［D］.碩士論文，2008.

［10］Biggar S F，Gellman D I，Slater P N.Improved evaluation of optical depth components from Langley Plot Data［J］.Remote Sens Environ，1990，32(2):91-101.

［11］陳良富.氣溶膠遙感定量反演研究與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社.

［12］Dubovik O，King M D.A flexible inversion algorithm for retrieval of aerosol optical properties from sun and sky radiance measurments［J］.J Geophys Res，2000，105:20 673-20 696.

［13］Zheng Q L，Philippe G，Oleg D.Improvements for ground-based remote sensing of atmospheric［J］.Journal of Quantitative Spectroscopy＆Radiative Transfer，2009，131(4):1 954-1 961.

［14］吳豐成，謝品華，李昂，等.基于多軸差分吸收光譜技術(shù)的查找表法反演氣溶膠消光廓線研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(6):1-9.

［15］蓋長(zhǎng)松.中國(guó)西北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度和波長(zhǎng)指數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究［D］.北京:中國(guó)氣象科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文，2005.