閆 賓，盧士慶 ，孟 偉，張自國(guó)(.中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京00089;2.內(nèi)蒙古氣象局，內(nèi)蒙古呼和浩特0005;3.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古呼和浩特0005;.內(nèi)蒙古氣象科學(xué)研究所，內(nèi)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?；姻仓复髿膺吔鐚幽酥翆?duì)流層低層整體的大氣渾濁現(xiàn)象，能見(jiàn)度低于10 km。形成灰霾天氣的大氣氣溶膠主要來(lái)源于自然排放和人類活動(dòng)的排放。城市是人類工作、生活聚集地，近年來(lái)，我國(guó)很多城市大氣能見(jiàn)度明顯下降，灰霾天氣增多，灰霾及相關(guān)的城市環(huán)境問(wèn)題日益引起大眾的關(guān)注，也成為大氣科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［1－5］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)60年代就開(kāi)展氣溶膠的化學(xué)成分、粒徑分布、光學(xué)性質(zhì)等及氣溶膠影響能見(jiàn)度機(jī)制方面的研究［6－12］。大氣能見(jiàn)度是城市環(huán)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(jiàn)度因素［1，5］。筆者使用北京上甸子地大氣本底站所測(cè)得的氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)、氣溶膠成分組成、氮氧化物濃度等資料對(duì)北京地區(qū)灰霾天氣中大氣能見(jiàn)度的微觀影響因素進(jìn)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(cè)到的相對(duì)濕度、能見(jiàn)度、天氣現(xiàn)象等常規(guī)氣象資料;與常規(guī)氣象資料時(shí)間匹配的氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)、PM2.5濃度、氮氧化物濃度等資料，獲取氣溶膠資料的觀測(cè)儀器、方法、規(guī)范等詳見(jiàn)文獻(xiàn)［13］。

1.2 分析方法

1.2.1 灰霾天氣。中國(guó)氣象局定義灰霾為“大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度＜10 km的空氣普遍有混濁現(xiàn)象”［14］?！饿驳挠^測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》中，詳細(xì)規(guī)定了霾的標(biāo)準(zhǔn)，即能見(jiàn)度低于10 km、相對(duì)濕度＜95%時(shí)，排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙霧、吹雪、雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙，就可判斷為灰霾［15］。經(jīng)過(guò)篩選，研究時(shí)間段內(nèi)共得到684組數(shù)據(jù)。

1.2.2 大氣能見(jiàn)度微觀影響因素。水平方向上，大氣能見(jiàn)度(Va)與消光系數(shù)(Ea)間的關(guān)系為:，灰霾天氣，Ea受干結(jié)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(tài)污染物吸收(Epa)5個(gè)微觀因素影響。Ea計(jì)算公式為Ea=Egs+Eas+Eaa+Ews+Epa。

1.2.2.1 干結(jié)空氣散射(Egs)。由瑞利散射理論，可計(jì)算干結(jié)空氣分子對(duì)可見(jiàn)光的瑞利散射作用，則Egs可取常數(shù)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(guò)公式 Eas=0.029 9 × m2.5計(jì)算，其中m2.5為 PM2.5的質(zhì)量濃度(μg/m3)。

1.2.2.3 干氣溶膠吸收(Eaa)。黑碳?xì)馊苣z對(duì)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(cè)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(yáng)輻射。水汽分子通過(guò)散射直接衰減太陽(yáng)輻射;通過(guò)與氣溶膠結(jié)合吸濕長(zhǎng)大來(lái)對(duì)太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的消光。由于水汽分子間接衰減機(jī)制的復(fù)雜性，在此不做深入探討，近似認(rèn)為上甸子大氣本底站的M9003型積分式濁度儀觀測(cè)得到的大氣總散射系數(shù)與干氣溶膠散射系數(shù)之間的差值即為Ews。

1.2.2.5 氣態(tài)污染物吸收(Epa)。邊界層影響大氣水平能見(jiàn)度的氣態(tài)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(tài)污染物的吸收作用主要考慮NO2的影響。NO2對(duì)可見(jiàn)光的吸收采用經(jīng)驗(yàn)公式［5］:Epa=3.3Y，式中，Epa為NO2的吸收系數(shù)(單位:10－4m－1)，Y為大氣中 NO2的含量(單位:體積分?jǐn)?shù)(10－6))。

2 結(jié)果與分析

2.1 灰霾天氣污染物構(gòu)成 根據(jù)觀測(cè)資料分析，灰霾天氣條件下，北京市能見(jiàn)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?？梢?jiàn)，可吸入性顆粒是主要污染物，而主要?dú)鈶B(tài)污染物O3和NO2的濃度均超過(guò)SO2濃度。

2.2 灰霾天氣大氣能見(jiàn)度微觀影響因素比例 根據(jù)“1.2.2”原理方法，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算、分析，得到5個(gè)大氣能見(jiàn)度影響因素的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。由表1可見(jiàn)，灰霾天氣條件下，影響北京市大氣能見(jiàn)度的各微觀影響因子的構(gòu)成比例分別為干結(jié)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(tài)污染物吸收作用占7.28%。大氣氣溶膠的散射和吸收對(duì)能見(jiàn)度的衰減比例占72.64%，是大氣能見(jiàn)度的首要影響因素。水汽分子的散射作用所占比例高達(dá)18.33%。其主要原因有兩點(diǎn)，一是灰霾天氣條件下的高濕度環(huán)境，利于氣溶膠的吸濕長(zhǎng)大，水汽間接影響能見(jiàn)度的效應(yīng)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(duì)能見(jiàn)度的直接影響作用也較明顯。此外，氣態(tài)污染物NO2的占比高于干結(jié)大氣，由于NO2是生成二次硝酸鹽氣溶膠的主要貢獻(xiàn)者，因此控制灰霾天氣的NO2排放也很重要，另外，結(jié)合各類污染物平均值也可以看出北京市的NO2污染嚴(yán)重。

表1 灰霾天氣北京市大氣能見(jiàn)度微觀影響因素值

3 結(jié)論

灰霾天氣條件下，導(dǎo)致北京市大氣能見(jiàn)度降低的各微觀影響因素的比例分別為干結(jié)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(tài)污染物吸收占7.28%;氣溶膠是影響大氣能見(jiàn)度的首要因素，水汽分子散射是影響大氣能見(jiàn)度的次要因素;北京市的主要?dú)鈶B(tài)污染物是O3和NO2，NO2的吸收作用是影響大氣能見(jiàn)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。

［1］王堰.大氣氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫研究［D］.南京:中國(guó)氣象科學(xué)研究院南京信息工程大學(xué)，2010.

［2］高潤(rùn)祥.我國(guó)大氣氣溶膠物理特性的觀測(cè)與模擬研究［D］.南京:南京信息工程大學(xué)，2009.

［3］李凱，張承中，周變紅.西安市采暖期PM2.5污染狀況及其與氣象因子的相關(guān)分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(20):9603 －9605.

［4］范柏祥，孫熙.可吸入細(xì)顆粒物的治理［J］.中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2003(3):31－33.

［5］劉新罡，張遠(yuǎn)航，曾立民，等.廣州市大氣能見(jiàn)度影響因子的貢獻(xiàn)研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2006，11(6):733 －738.

［6］KING M D，KAUFMAN Y J，TANRE D，et al.Remote sensing of tropospheric aerosols from space:Past，present，and future［J］.Bull Amer Meteor Soc，1999，80(11):2229 －2259.

［7］RAMANATHAN V，CRUTZEN P J，KIEHL J T，et al.Aerosols，Climate，and the Hydrological Cycle［J］.Science，2001，294(5549):2119 －2124.

［8］CHAN Y C，SIMPSON R W，MCTAINSH G H.Source apportionment of visibility degradation problems in Brisbane(Australia)using the linear regression techniques［J］.Atmos Environ，1999，33(19):3237 －3250.

［9］趙柏林，王強(qiáng)，毛節(jié)泰，等.光學(xué)遙感大氣氣溶膠和水汽的研究［J］.中國(guó)科學(xué)(B 輯)，1983(10):951－962.

［10］趙秀娟，陳長(zhǎng)和，袁鐵，等.蘭州冬季大氣氣溶膠光學(xué)厚度及其與能見(jiàn)度的關(guān)系［J］.高原氣象，2005，24(4):617 －622.

［11］韓永，饒瑞中，王英儉.基于散射法原理的能見(jiàn)度及氣溶膠消光特性測(cè)量分析［J］.紅外與激光工程，2008，37(4):663 －666.

［12］楊軍，李子華，黃世鴻.相對(duì)濕度對(duì)大氣氣溶膠粒子短波輻射特性的影響［J］.大氣科學(xué)，1999，23(2):239 －247.

［13］蘇晨，張小玲，劉強(qiáng)，等.上甸子本底站氣溶膠散射系數(shù)變化特征的初步分析［J］.氣候與環(huán)境研究，2009，14(5):537 －545.

［14］中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范［M］.北京:氣象出版社，2003.

［15］吳兌，湯仕文，鄧雪嬌，等.QX/T113—2010，霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)［S］.北京:氣象出版社，2010.