灰霾期间的气溶胶光学特征分析

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  1 引 言

  2002 年 8 月,联合国环境署 ( UNEP) 正式启动了大气棕色云项目。2008 年 11 月,UNEP 正式发布 《大气棕色云: 亚洲区域评估报告》 ( Atmos-pheric BrownClouds - Regional Assessment Report withFocus on Asia )[1].报告对亚太地区 AtmosphericBrownClouds ( ABCs) 的现状作了较为详细的评估。

  其中北京、上海、深圳被列为 ABCs 热点地区。大气环境污染已经成为我国当前最严峻的环境问题之一[2].大气棕色云又称为 “霾”,其内部含有大量的工业与生活污染造成的烟尘、微小金属颗粒等。

  由于存在散射和反射等作用,霾对大气光学特征影响明显,也使到达地表的阳光热量减少。近年来,城市灰霾天气发生频率日益增加,且影响范围不断扩大。据资料报道,天津、上海、广州、深圳等城市,灰霾天数占到了全年天数的 30% ~ 50%,我国大部分地区细颗粒物平均浓度,超出世界卫生组织规定的污染指标 8 倍 ( 接近 80 μg/m3)[3,4].根据中国环境质量状况公报中的调查情况看出,2013年全国开展 PM2. 5环境监测的 74 座重点城市中,仅有三座城市 PM2. 5年均浓度达到国家二级标准,74座城市 PM2. 5平均浓度却高达国家二级标准的 2. 06倍[5].现如今大气环境污染已受到国内民众的广泛关注。

  灰霾天气不仅会导致能见度降低,而且严重影响正常的交通运输与工农业活动; 更严重的是,灰霾天气将导致空气中的细颗粒物浓度急速增加,从而导致二次气溶胶的形成,使得气溶胶中携带的毒害成分对人体健康造成极大危害。国际癌症研究机构 ( IARC) 组织在 2013 年 10 月 17 日首次宣布将室外空气污染整体评定为一级致癌物[6].目前,国内对于灰霾期间气溶胶的研究仍处于初期阶段,主要研究方向主要集中在: 粒径分布污染现状、时空分布等方面。对于灰霾期间气溶胶的光学特征,如消光系数,散射系数,单次反照率,气溶胶光学厚度等因素的研究较少。近几年的研究中,吴国平等[7]对我国兰州、重庆、武汉、广州等城市大气颗粒物污染的季节变化特征进行了研究,多数情况下均是冬春季污染最重,秋季次之,而夏季则最轻; 吴兑等[8]研究表明,广州市灰霾天气主要出现在 10 月至次年 4 月,冬季灰霾发生频率较高; 盛立芳等[9]观测到一次海雾过程中,气溶胶消光系数为 1. 21 km- 1,其中消光作用的主要因素是大于 0. 5 μm 粒子; 闵敏等[10]观测河北香河在灰霾暴发期间的气溶胶光学厚度,测得光学厚度增长 4 倍,Angstrom 波长指数下降三分之一,焦艳[11]的结果显示出,散射系数与 PM2. 5质量浓度有较好的相关性; 吸收系数的季节变化较为明显,将夏秋季和冬春季的吸收系数分别与 PM2. 5浓度作线性拟合,也能得到较高的相关系数。从上面的例子中发现,灰霾期间的气溶胶光学特征的变化十分显着,研究气溶胶的光学特征能更全面的了解污染物对于灰霾天气的影响,例如从气溶胶光学特征的谱分布来了解其中颗粒物的性质; 从吸收、散射系数、Angstrom 波长指数的变化了解灰霾的爆发与颗粒物粒径之间的关系。总体而言,灰霾是易于定量的,且是直观的视觉空气质量指标,进而也能为今后灰霾天气的预警打下基础。

  2 灰霾期间气溶胶的光学特征变化

  气溶胶一般是指大气中悬浮着的各种细小固体与液体粒子,粒径范围为 0. 001 ~ 100μm.虽然气溶胶在大气中的含量相对较少,但是对大气辐射、光学特性等物理性质起着重要的作用。气溶胶粒子一方面充当棕色云的凝结核,使云滴数密度增加,从而增强云层对太阳辐射的反射,削弱 ( 吸收和散射) 太阳辐射,并且将少部分太阳辐射散射( 反射) 回宇宙,从而减少入射到地面上的能量,降低了低层大气的温度; 另一方面气溶胶粒子本身也会吸收太阳辐射的能量使自身增温,通过大气运动传输提高大气温度。因此气溶胶颗粒物已成为大气污染中十分重要的因素之一,同时由于灰霾中气溶胶含有的细颗粒物对光的传播过程有一定阻碍作用,所以灰霾天气过程对气溶胶的光学厚度、单次散射反照率等光学特性都有一定程度的影响。

  2. 1 灰霾期间气溶胶的时空分布

  由于各地气候及地理环境的差异,灰霾产生的季节与时间分布也不相同,尤其我国冬季出现灰霾天气的情况较为普遍。北方冬季主要由于燃煤集中供暖产生了大量的颗粒物,为灰霾天气的产生提供了来源。Li 等[12]研究发现,乌鲁木齐冬季大气污染比较严重; 吴国平等[7]发现,兰州地区也是冬季大气污染最为严重。由于冬天天气干燥、气温低、空气湿度低、季风等因素,冬天也是我国南方地区灰霾高发时期。金均等[13]通过研究杭州市灰霾天气的基本特征,发现杭州市灰霾天数冬春季明显高于夏秋季; 张立多等[14]在探讨灰霾天气对厦门市能见度影响的研究中发现,灰霾多发生在秋冬季,1 月份最多,7 月份最少; 同时 Tan 等[15]对广州市冬夏两次灰霾事件的颗粒物进行分析,发现两次灰霾期间 PM10对总悬浮颗粒物 ( TSP) 的贡献率不同,冬季 PM10所占 TSP 比例也高于夏季。综上所述,我国冬季灰霾的发生频率较高,可能是冬季由于较低的相对湿度、较高的颗粒物质量浓度与其他气象因素等决定,秋季和冬季主要受大陆高压系统控制,大气层结稳定,逆温出现频率高,污染物扩散条件差。而夏季灰霾出现的几率较低,可能正好与夏季相对湿度偏高有关。在较高的相对湿度下,细粒子相互碰转化成粗粒子,最终沉降而使得灰霾发生的几率降低,同时夏季也是降雨的高发季节,雨水的冲刷对于空气的清洁也是有利的条件。

  2. 2 灰霾期间气溶胶对能见度的影响

  大气能见度的变化可以间接反映大气污染状况,能见度越高说明空气越洁净。而大气能见度降低是气象因素和空气污染共同作用的结果,除部分气象因素外,能见度的降低主要是由于大气污染物的积累造成的,尤其是大气气溶胶颗粒对可见光吸收和散射所产生的消光作用所致。张新玲等[16]对比了 1993 年和 2002 年观测期间的南京大气环境质量,发现 TSP 的质量浓度无明显差异,但颗粒物总数显着增加,从而可以看出 TSP 中细颗粒物所占比例有所增加,会为能见度恶化及灰霾天气形成提供了有利条件; Kim 等[17]观测了 2004 年韩国光州城区和远郊出现灰霾天气的污染特征,认为气溶胶颗粒物产生的二次污染物对消光的贡献最大,这与 Shen 等对西安市大气环境研究的结果有相似之处。Shen[18]在文中指出: 能见度与 PM2. 5质量浓度有好的相关性,灰霾中的二次污染物不仅是 PM2. 5的主要产生来源,也是气溶胶中细颗粒物浓度升高的主要因素。因此,大气能见度的变化与气溶胶细粒子 ( 如 PM2. 5等) 污染有十分密切关系,能见度降低的主要原因是由于气溶胶颗粒物对光的散射,而其中细颗粒物与可见光的波长相近,对于光的散射有明显作用,从而对能见度也起抑制作用。同时能见度也是普通老百姓对空气质量的一个最直观的感受,因此能见度是当前大气测量的重要指标。

  2. 3 气溶胶质量谱分布的观测研究

  气溶胶粒子谱分布是通过计算气溶胶粒子的辐射强迫和研究气溶胶的气候效应基本参数的输入,因此不同类型的气溶胶也具有不同的粒度分布特征,而大气气溶胶颗粒的数浓度以及质量浓度不仅影响着大气的能见度,达到一定程度后还会危害人类健康,因此气溶胶质量的谱分布是气溶胶重要的性质之一,质量谱分布描述了不同粒径下的数浓度分布特征。Zhang 等[19]对 1999 年北京气溶胶谱分布进行了观测,发现峰值主要存在于 0. 5 ~ 0. 7μm之间,同时得出当相对湿度大于 75% 时,气溶胶质量谱分布数浓度与相对湿度正向相关,而当相对湿度小于 75% 时,两者反向相关; 胡敏等[20]选取了 2004 年 7 月中一次 3 种连续不同天气条件 ( 高温闷热晚、日间高温高湿和雨后清洁) ,测量了颗粒物的质量浓度分布,结果表明细粒子质量浓度占到 PM10的 68%,50 ~ 100nm 粒径处颗粒物的数浓度最高。Yang 等[21]分析了南京市 2007 年发生的一次灰霾事件中细颗粒物的性质,发现灰霾中PM2. 5的平均质量浓度是非灰霾天气的 1. 19 倍,此次灰霾中 PM2. 5污染比非灰霾期间严重得多,而且所有 PM2. 5日平均浓度均超过 EPA ( EnvironmentalProtection Agency) 的最低标准。由上述研究可以得出,气溶胶质量谱中偏重于细颗粒物,且细颗粒物占到总质量浓度中的绝大多数,灰霾期间细颗粒物所带来的污染严重,同时大气气溶胶颗粒物导致能见度降低的主要贡献来自于细颗粒物; 然而细颗粒物不仅是诱发灰霾的原因之一,同时也是灰霾期间影响大气气溶胶光学特性的主要因素。

  2. 4 气溶胶光学厚度与 Angstrom 波长指数的变化

  气溶胶光学厚度 ( aerosol optical depth,AOD)是衡量气溶胶粒子对太阳辐射衰减强弱能力的重要参数,而 Angstrom 波长指数 ( α) 是一个用来衡量气溶胶粒子大小的重要光学参数,两个参数都是在不同的波长条件下测量出来的结果,都是和粒径大小有关的光学参数。气溶胶光学厚度 ( AOD) 和Angstrom 波长指数 ( α) 是气溶胶光学特征 2 个基本的光学参数,也是研究气候变化的关键因素。

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