大气气溶胶相关研究综述

摘要近日，环保部公布了我国第一部综合性大气污染防治规划——《重点区域大气污染防治“十二五”规划》。

事实上，随着大气污染给人民生活带来的不便增多，人们空前关注大气科学进展以及PM2.5治理的理论依据。

本文将从三个方面对大气气溶胶的研究做出总结和分析：大气气溶胶的基本特征，大气气溶胶的气候效应，国内外相关的大气气溶胶研究计划。

关键词：大气气溶胶；气候效应；环境健康；研究综述前言气溶胶是指长时间悬浮在空气中能被观察或测量的液体或固体粒子，其实际直径一般为0.001～100μｍ，动力学直径为0.002～100μｍ，对人体、环境、气候等产生着重要的影响。

[4] 由于大气气溶胶在气候、环境等方面的重要作用，近年来越来越引起科学界的重视。

很多过程可以产生气溶胶，根据来源可分为自然气溶胶和人为气溶胶。

自然源主要是海洋、土壤和生物圈以及火山等；人为源主要来自化石燃料的燃烧、工农业生产活动等。

工业革命以来，人类活动不仅直接向大气排放大量粒子，更重要的是向大气排放大量的SO2和SO X，NO2和NO X在大气中通过非均相化学反应逐渐转化成硫酸盐和硝酸盐粒子，形成二次气溶胶。

污染气体形成的大气气溶胶自工业革命以来有大幅度增加。

来自自然源的气溶胶如沙尘，也由于人类活动利用土地变化而发生着改变。

尽管气溶胶只是地球大气成分中含量很少的组分，但由于其在许多大气过程中的重要作用而日益受到重视。

随着环境污染问题的发展，人们已认识到大气气溶胶自身的污染特性与其物理化学性质以及在大气中的非均相化学反应有着密切的关系。

[5]气溶胶还与其他环境问题如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的发生等密切相关。

此外，气溶胶对人体和其他生物的生理健康也有其特有的影响。

[1]由于气溶胶的气候效应问题，气溶胶再次成为国际学术界的研究热点之一，大气气溶胶是当今大气化学研究中前沿的领域。

国际大气化学研究计划（IGAC）科学指导委员会于1994年将国际全球大气化学研究计划和国际气溶胶计划（ICAP）合并重组，大气气溶胶研究被列为3大研究方向之一。

大气气溶胶的研究内容，发展到包括物理和化学的性状、来源和形成、时空分布、对气候变化和环境质量的影响以及对大气化学过程的影响等多方面、多层次的综合研究，也涉及到大气科学的各个领域，具有很强的综合性。

大气气溶胶的基本特征气溶胶的基本特性研究是研究气溶胶对气候和环境影响的基础为制订合理的空气质量标准、解析污染源、研究气溶胶对大气化学过程的影响和健康效应，也需要对气溶胶的特性进行深人的研究。

自从城市化开始后，大气颗粒物就成为城市空气污染的重要因素。

因此，气溶胶特性研究一直是大气环境研究的重要的课题。

大气气溶胶的物理性质是研究其特征的基础。

大气气溶胶颗粒的粒径范围在0.003—100微米之间，气溶胶的粒径分布可以用三模态来解释。

气溶胶的颗粒浓度通常用微克每立方米（PM）来表示。

其他重要的物理性质还有光学性质和吸湿性，真是气溶胶的光学性质诸如对太阳光的散射和吸收使其对气候产生重要影响。

气溶胶的粒子大小约在100~10000纳米之间，属于粗分散物系。

气溶胶粒子是悬浮在大气中的多种固体微粒和液体微小颗粒，有的来源于自然界，如火山喷发的烟尘、被风吹起的土壤微粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、植物的孢子花粉、流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等：有的是由于人类活动，如煤、油及其他矿物燃料的燃烧物质，以及车辆产生的废气排放至空气中的大量烟粒等。

当气溶胶的浓度达到足够高时，将对人类健康造成威胁，尤其是对哮喘病人及其他有呼吸道疾病的人群。

空气中的气溶胶还能传播真菌和病毒，这可能会导致一些地区疾病的流行和爆发。

气溶胶粒子具有分布不均匀、变化尺度小、复杂性的特点，多集中于大气的底层，对云的凝结核、雨滴、冰晶形成，进而对降水的形成起重要作用。

气溶胶甚至可以改变云的存在时间，能够在云的表面产生化学反应，决定降雨量的多少，影响大气成分。

由于气溶胶的分散介质是气体，气体的粘度小，分散相与分散介质的密度差很大，质点相碰时极易粘结以及液体质点的挥发，使气溶胶有其独特的规律性。

气溶胶质点有相当大的比表面和表面能，可以使一些在普通情况下相当缓慢的化学反应进行得非常迅速，甚至可以引起爆炸，如磨细的糖、淀粉和煤等。

气溶胶质点能发生光的散射，这是使天空成为蓝色，太阳落山时成为红色的原因。

在动力性质方面，其布朗运动非常剧烈，当质点小时具有扩散性质；当质点大时，由于与介质的密度差大，沉降显著。

因介质是气体，这些动力性质与气体分子自由路程有关。

在电学性质方面，气溶胶粒子没有扩散双电层存在，但可以带电，其电荷来源于与大气中气体离子的碰撞或与介质的摩擦，所带电荷量不等，且随时间变化；质点既可带正电也可带负电，说明其电性决定于外界条件。

在稳定性方面，气溶胶粒子没有溶胶粒子那样的溶剂化层和扩散双电层，相碰时即发生聚结，生成大液滴（雾）或聚集体（烟），此过程进展极其迅速，所以气溶胶是极不稳定的胶体分散体系，但由于布朗运动的存在，也具有一定的相对稳定性。

大气气溶胶的气候环境效应气溶胶对气候和环境的辐射效应研究基本上是从20世纪90年代开始的，主要包含两部分内容:一是不同地区气溶胶对周围环境的辐射效应研究，主要局限于局地范围和特定的气溶胶类型；二是气溶胶气候效应的模式研究，主要从局域和全球尺度对气溶胶的气候效应进行模拟研究，以阐明气溶胶对气候变化的影响。

在研究局地气溶胶的辐射效应方面，兰州大学作了大量的研究工作。

兰州是中国主要的重工业城市，由于其特殊的地理环境，兰州市的大气环境污染是一个非常突出的问题，20世纪80年代开始兰州大学就开展了光化学烟雾等方面的研究工作，90年代开始关注气溶胶对环境的辐射效应，对城市边界层气溶胶的辐射效应进行了很有成效的研究工作，并建立了兰州城市气溶胶光学特性参数化方案，文献[6]对此有详细论述。

李子华等[7]对重庆气溶胶辐射特性也进行了详细研究。

沈志宝、魏丽等[8]根据“黑河地区地-气相互作用观测试验研究”（HEIFE）的地面辐射和大气浑浊度观测资料，配合同期AVHRR卫星观测资料，研究了大气沙尘辐射特性以及大气沙尘对地面辐射收支的影响。

张瑛等[9]还研究了不同比例、不同尺度、不同混合方式情况下硫酸盐和碳黑气溶胶的辐射效应。

目前国际上对于大尺度气溶胶的气候效应的研究主要是建立在模式研究基础之上，中国科学家对气溶胶气候效应也开展了很多研究工作。

尹宏等[10]利用一维辐射对流模式，采用两流近似和累加法求解多次散射的辐射传输方程，计算了一般天气条件和沙尘暴天气下气溶胶粒子对太阳辐射的吸收和对大气的加热，得到北京沙尘暴天气发生时大气太阳辐射加热率比无气溶胶大气多80%～318%。

巴勒德等[11]利用两层大气环流模式，研究了1991年爆发的皮纳图博火山对短期气候的影响，结果显示皮纳图博火山喷发使低纬太阳辐射减少，亚洲和北美大陆中高纬度地面温度上升，火山喷发对辐射的影响使北半球主要的大气活动中心和南方涛动强度减弱。

胡荣明等[12]根据国内测算的排放因子数据和国家、部委及各省市统计的排放源数据，计算得到了中国大陆1°×1°的SO2排放分布，应用二维能量平衡模式计算了中国地区人为排放的硫酸盐气溶胶的辐射强迫，得到中国地区由于人为排放的硫酸盐气溶胶引起的辐射强迫和最大地面温度变化都集中在中国东部长江中下游地区和四川地区，最大辐射强迫达-3 W/m2；然后他利用该模式研究了平流层气溶胶的辐射强迫水平分布以及皮纳图博火山喷发对地面平衡温度的影响[13]，发现平流层气溶胶辐射强迫水平分布不仅与本身的水平变化有关，而且与下垫面反照率有很大关系，皮纳图博火山喷发后1.5 a左右降温最大，5 a以后降温已经很小。

罗云峰[14]利用全国42个甲级日射站1979～1990年直接辐射资料，根据改进的邱金桓宽带遥感方法，计算得到了全国范围内气溶胶分布，然后把气溶胶的辐射嵌套于NCAR CCM1三维大气环流模式中，模拟了中国地区气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应，结果显示中国地区大气气溶胶辐射强迫春季最大，达-13 W/m2，冬季1月最小，为-5.3W/m2，年平均-8 W/m2，两个明显的大值区为青藏高原北侧到黄河中上游及河套地区，四川盆地、贵州北部到长江中游以南地区。

该研究把气溶胶的辐射嵌套于三维大气环流模式中研究气溶胶的辐射强迫，更能反应实际大气气溶胶对气候的影响，是气溶胶气候效应研究的一个发展方向。

由于复杂的二维能量平衡模式在研究火山活动等气溶胶对气候影响时还有很多不确定性。

1999年辛国君[15]利用比较简单的零维能量平衡模式分析了气溶胶的气候效应，结果表明，气溶胶含量增加能够引起大气温度升高、地表感热输送和蒸发潜热减少，引起全球干旱。

气溶胶对大气的温度效应不仅与气溶胶光学特性有关，还强烈依赖于地面反照率特性，地面反照率的反馈效应使气溶胶的气候效应加强。

大气气溶胶研究进展国际上最早于20世纪70年代开始利用卫星遥感观测气溶胶的工作。

1977年NOAA开始利用AVHRR可见光通道进行海洋上空气溶胶光学厚度的遥感[19]，并于1981年实现了海洋上空气溶胶光学厚度的业务化反演。

此后SeaWiFS、MODIS、MERIS 等一系列卫星传感器的遥感数据都被用于气溶胶观测和反演。

Husar等[20]利用1989-1991 年的NOAA/AVHRR 资料对全球海洋上空不同区域的等效气溶胶光学厚度（EAOT）的分布及气溶胶来源进行了研究，指出风力扬起的沙尘和生物质燃烧是EAOT出现高值的主要原因，特别是在非洲、中东和亚洲内陆等地区，而在北大西洋中纬度地区则主要是受欧洲和北美的污染排放的影响。

北半球的年平均EAOT是南半球的1.7倍，季节变化上来说，夏季是冬季的两倍。

我国从20世纪80 年代开始气溶胶的卫星遥感研究工作。

1986年赵柏林等利用极轨气象卫星NOAA-7 的AVHRR 可见光通道实现了晴天、无尘暴条件下渤海上空大气气溶胶光学厚度的反演。

陈本清等利用2002-2004年的MODIS数据对台湾海峡及周边地区气溶胶的时间和空间分布进行了分析。

结果表明，该区域的多年平均的气溶胶光学厚度沿海岸线呈带状分布，并且光学厚度随离岸距离的增大而逐渐减小；受沙尘、季风、降雨等的影响，春季气溶胶光学厚度值较高、夏季值较低，冬季略高于秋季。

于暘等利用10年的MODIS月平均数据分析了黄渤海区域气溶胶光学厚度长期的变化趋势及成因。

郝增周等利用SeaWiFS 气溶胶产品分析了中国海域气溶胶光学厚度月变化、季节变化和空间分布特征。

卫星遥感虽然可以提供大范围、长期的观测数据，但是卫星遥感数据多用于分析气溶胶时空分布特征。