天津城区春季大气气溶胶消光特性研究_姚青

而在城市地区气溶胶的散射往往是大气能见度 衰减的首要贡献者,此外部分高污染地区,NO2[1] 和黑碳气溶胶 [2] 的吸收作用对大气消光的贡献 也不可忽视.国外对气溶胶散射性质的观测研究
收稿日期：2011-08-23 基金项目：国家环保公益性行业科研专项(201009001);天津市气象 局科研保题 (201210) * 责任作者, 工程师, yao.qing@163.com
大气水平能见度是指视力正常的人在当时 的天气条件下所能看到目标物的最大水平距离, 可用以表征大气清洁程度.影响大气能见度的因 素主要包括降水、雾、大风、沙尘暴、扬沙等天 气现象,以及大气中广泛存在的气态污染物和气 溶胶等.大气能见度的衰减主要来自于气体和气 溶胶的大气消光作用,在空气洁净地区大气能见 度的衰减很大程度上源于空气的瑞利散射作用,
住宅区,交通源对它有一定的影响.采样点设在观 测站院内一座一层平房的楼顶,离地高约 3m,下 垫面为草地,周围为气象观测场和办公区,无明显 污染源 , 观测点能够代表典型城区 , 观测时间为 2011 年 4 月 1 日~5 月 10 日. PM10 和 PM2.5 数据来自于美国 Thermo 公司 生产的 TEOM 系列 RP1400a 环境颗粒物监测仪, 采样流量 16.7L/min,检测限 0.06μg/m3,测量范围 0~1500μg/m3, 质量分辨率为 0.01μg/m3, 准确度 0.75%,精度 1.5μg/m3(1h),0.5μg/m3(24h);NO2 数据 来源于美国 Thermo 公司生产的 42i 型化学发光 法 NO-NO2-NOx 分析仪,最低检测限 0.4μL/m3, 零 漂 <0.4μL/m3, 跨 漂 <±1%F.S; 采 用 澳 大 利 亚 ECOTECH 公司生产的 Aurona 1000 型浊度计连 续观测气溶胶散射系数(σsp),测量波长为 525nm, 时间分辨率为 5min,浊度计配备有除湿装置,以 保证进气相对湿度在 60%以下,浊度计未加装切 割头;采用美国 Magee 科技公司生产的 AE-31 黑 碳仪测定黑碳气溶胶浓度,并加装 PM2.5 切割头, 该仪器有 7 个测量通道,波长分别为 370,470,520, 590,660,880 和 950nm,时间分辨率为 5min,其工 作原理是建立在石英滤纸带上收集的粒子对光 的吸收造成的衰减上,属于光学灰度测量法,仪器 经厂家标定,本文采用波长为 880nm 的测量通道 数据;大气能见度资料采用美国 Belfort 公司生产 的 MODLE6000 型前向散射能见度仪测量,仪器 测量上限为 20km,下限为 6m,精确度 10%;气溶胶 数浓度资料由德国 Grimm 公式生产的 Grimm 180 颗粒物监测仪观测 , 该仪器可提供>0.25μm 气溶胶数浓度及质量浓度,可划分为 30 个粒径段, 为便于研究,合并其中的 PM1.0,PM1.0~2.5,PM2.5~10 和 PM10~100,分析不同天气条件下粒子数浓度.所 有测量数据经过质量控制后处理成小时均值,并 按相关要求处理成日均值,同期的相对湿度、日 降水量和天气现象等气象资料采用观测站同一 1 资料与方法 院内的天津市城区国家气象观测站的自动气象 中国气象局天津大气边界层观测站 ( 北纬 站数据. 39°06, 东 经 117°10, 海 拔 高 度 3.3m, 台 站 编 大气能见度的优劣受大气对太阳光散射和 号:54517)位于天津市城区南部,其北距快速路约 吸收的消光效应制约,在可见光波段.对太阳辐射 100m,东临友谊路-友谊南路,西面和南面主要为 有衰减作用的物质及其消光系数计算如下:
Study on characteristic of aerosol extinction at Tianjin City in the spring. YAO Qing*, HAN Su-qin, CAI Zi-ying, ZHANG Min (Tianjin Institute of Meteorological Science, Tianjin 300074, China). China Environmental Science, 2012,32(5)：795~802 Abstract：Based on the aerosol scattering and absorption coefficient, PM2.5 mass concentration, visibility and other observation data at Tianjin city, the characteristic of scattering and absorption coefficients and the relationship between aerosol extinction coefficient and PM2.5 mass concentration and visibility were analyzed. Two methods of calculating extinction coefficient were compared. The results indicated that mean aerosol scattering coefficient was 369.93Mm-1 and accounted for 86.7% of the extinction coefficient. Mean aerosol absorption coefficient was 36.32Mm-1 and accounted for 8.5%. The single scattering albedo was 0.91. Daily variation of aerosol scattering and absorption coefficients presented double-peak distributions corresponding to morning and evening rush hours. Aerosol scattering and absorption coefficients in haze days were highest and in dust days and rain days were middle and in sunny day were lowest. There was a good linear correlation between scattering or absorption coefficients and PM2.5 mass concentration and a typical negative exponential correlation with the visibility. The mean mass scattering efficiency was 2.95m2/g during observation period. The extinction coefficient retrieval from visibility with Koschmieder’s formula was consistent with the sum of observation aerosol scattering and absorption coefficients and gas scattering and absorption coefficients. The extinction coefficient retrieval value was higher than the observation when the relative humidity was higher than 80%. Key words：aerosol；scattering coefficient；absorption coefficient；visibility；single scattering albedo
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中 国 环 境 ຫໍສະໝຸດ Baidu 学
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起步较早,美国 1988 年在建立 30 个能见度和 PM2.5 观测点的基础上实施了大型能见度观测计 划 IMPROVE[3],澳大利亚[4]、英国[5]、韩国[6]等 随后开始重视大气能见度的观测研究.近年来国 内学者结合大气能见度、 颗粒物质量浓度、 黑碳 气溶胶浓度、气溶胶散射系数以及气象因子等, 研究大气气溶胶的光学特性[7 8],分析北京[9]、广 州 [10 11] 等城市大气能见度下降原因 , 借鉴美国 IMPROVE 项目的经验方程式 , 拟合出满足广 州 [12]、深圳[13]等地实际的大气消光系数与颗粒 物组成关系式,并给出了气溶胶散射系数、吸收 系数和水汽分子散射系数等对城市大气消光系 数的贡献比例[12,14 15]. 随着环渤海区域经济快速发展和机动车保 有量迅速增长 , 天津城市大气污染复合型特征 显著 , 突出体现在持续性的区域污染及低能见 度天气频繁发生[16 17].统计分析近 40a 天津城区 人工观测获得的大气能见度,每日 14:00 观测值 的年均值由 1970 年的 16 km 下降至 2008 年的 13km,低能见度(<10km) 天气发生频率也由 1970 年的 16.4%升高至 2008 年的 29.2%.天津地区近 年来对于大气能见度及其与大气污染间关系的 研究 , 主要集中在研究大气能见度与空气污染 度浓度及气象因素的统计关系上 [17 18], 研究结 果表明,大气能见度与 PM2. 5 浓度存在明显的负 相关关系 , 并且与相对湿度等气象因素关系密 切 ; 对于气溶胶消光作用的研究 , 往往侧重于散 射系数 [19] 或吸收系数 [20] 等单一方面 , 对各种因 子对大气能见度的综合影响研究不多 [21]. 本工 作通过大气消光系数建立能见度与大气污染物 之间的联系 , 并通过对大气消光系数进行分解 , 分析各种消光作用 , 尤其是气溶胶散射及吸收 作用的贡献比重 , 以期对影响大气能见度变化 的因素有更深入的认识.
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Mm ,对大气消光贡献为 8.5%,单次散射反照率为 0.91;气溶胶散射系数和吸收系数的日变化特征具有明显的双峰结构,对应于早晚交通高 峰;不同天气类型下其日分布特征存在较大差异,霾日散射系数和吸收系数最高, 沙尘日和降水日次之,晴日最低; 气溶胶散射系数和吸收系 数与 PM2.5 质量浓度呈线性正相关,与大气能见度呈指数负相关,观测期间气溶胶质量散射效率均值为 2.95m2 /g;采用 Koschmieder’s 公式反 算能见度获得的大气消光系数,与通过测量气溶胶散射系数、气溶胶吸收系数、气体散射系数和气体吸收系数等分量加和获得的消光系数 相比一致性较好,高相对湿度天气下能见度反算值高于各系数加和值. 关键词：气溶胶；散射系数；吸收系数；能见度；单次散射反照率 中图分类号： X513 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2012)05-0795-08
中国环境科学 2012,32(5)：795~802
China Environmental Science
天津城区春季大气气溶胶消光特性研究
姚 青*,韩素芹,蔡子颖,张 敏 (天津市气象科学研究所,天津 300074)
摘要：利用天津大气边界层观测站 2011 年 4 月 1 日~5 月 10 日气溶胶散射系数、吸收系数、PM2.5 质量浓度、大气能见度和常规气象观 测数据,分析了气溶胶散射系数和吸收系数的变化特征,以及气溶胶消光系数与 PM2.5 质量浓度和大气能见度的关系,并对两种方法计算的 消光系数进行了比较 . 结果表明, 观测期间天津城区气溶胶散射系数为 369.93 Mm 1, 对大气消光贡献为 86.7%, 气溶胶吸收系数为 36.32