第七讲 大气气溶胶
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 成因：静风、逆温、颗粒物
• 危害：健康、交通、环境
7.2.4 气溶胶对人体的危害
• 大气颗粒物：
– PM10：指空气动力学直径小于或等于10μm的大气颗粒物； – PM2.5：指空气动力学直径小于或等于2.5μm的大气颗粒物； – 可吸入颗粒（Inhalable Particles）：通过呼吸系统可以吸入人体的颗
7.1.1 气溶胶的定义
• 气溶胶是指悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与 气体载体共同组成的多相体系
– 通常将大气中的气溶胶粒子称为大气气溶胶
• 烟、霾、尘、悬浮的微生物、花粉等皆可为大气气溶 胶粒子
– 常见的气溶胶质粒群体：尘、烟、熏烟、雾、霾、烟雾
• 直接以颗粒物形式进入大气的称为原生粒子（一次气 溶胶）
– (4)家庭燃煤取暖及室内烟雾程度大对儿童患感冒咳嗽、感 冒咳痰、感冒气喘、支气管炎、哮喘、因呼吸疾病住院等 都有明显的不利影响。
– (5)被动吸烟对儿童呼吸健康有明显的不利影响
我国环境空气质量标准
4.1 环境空气质量功能区分类 一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区。 二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、
– (1)中国四城市八所小学的室外空气污染物(TSP、PM10、 P的M五2项.5、指S标O能2、全N部O达x)到的居污民染区是的相空当气严质重量的标。准没有一所小学
– (2)室外空气污染越重，儿童呼吸系统患病率就越高，其比 数比值就越大，即患病的危险系数越大
– (3)空气污染因子中PM10和PM2.5对儿童呼吸健康影响最 大PM，2.而5的SO影2响、那N么Ox显也著有 一 定 的 负 面 影 响 ， 但 没 有 PM10 和
散射系数/ coefficient of scattering
吸收系数/ coefficient of absorption 衰减系数/ coefficient of extinction
ks, ka, and ke
散射/ Scattering 吸收/ absorption 衰减/ extinction
1. 一是因为小颗粒物的巨大表面积使其能吸附更多的有害物质，并能使 毒性物质有更高的反应和溶解速度；
2. 二是因为这些细颗粒物可以进入人的肺部，对人体健康的危害远比粗 颗粒物大。
PM10和PM2.5与疾病的关系
• 国内外对PM10和PM2.5的流行病学调查、动物毒理 学试验和人体临床观察研究表明： PM10和PM2.5对 人类健康有着明显的直接毒害作用，可引起机体呼吸 系统、心脏及血液系统、免疫系统和内分泌系统等广 泛的损伤
• PM10和PM2.5可造成多种的危害，其中有3类疾病值 得重视：
– (1)传染病：包括流感、肺结核和肺炎等； – (2)过敏病：包括由自然过敏原引起的哮喘和肺泡炎； – (3)肺癌等：由人为污染的气溶胶颗粒引起的矽肺和肺癌等。
PM10和PM2.5对儿童呼吸系统的影响
• 儿童是呼吸类疾病最敏感的人群。魏复盛等通过对兰 州、广州、武汉、重庆等四城市的八所小学的环境监 测及儿童呼吸系统健康流行病学调查结果进行分析， 得到如下初步结论：
单个粒子 / Single particle
散射截面/ cross-section of scattering 吸收截面/ cross-section of absorption 衰减截面/ cross-section of extinction
σs, σa, and σe
散射/ Scattering 吸收/ absorption 衰减/ extinction
散射/ Scattering 吸收/ absorption 衰减/ extinction
p(θ)
can also be calculated with Mie theory.
气溶胶光学特性
Optical properties of atmospheric aerosols
群粒子 / a group of particles
–间接气候效应
• 气溶胶可以成为云凝结核（CCN），通过增加云滴数量增加云的光 学厚度和云层反射率，同时也可能增加云的寿命和平均云量
5
2010-1-7
直接气候效应
• “阳伞效应”
– 悬浮在大气中的气溶胶能反射和吸收太阳辐射，使到达地表的太阳辐 射减少，从而引起地面气温降低，犹如地球的遮阳伞
can be calculated by integrating...
ks =
r max
∫ σs(r )n(r )dr
r min
4
2010-1-7
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
群粒子 / a group of particles
– 地面观测 – 春季加强观测 – 数值模拟
沙尘暴发生机理
沙尘气溶胶的长距离输送
2
2010-1-7
7.2.3 大气棕色云（灰霾）
ABC，1999 January.-April 1999, Indian Ocean
1999年12月28，29日的Sea WIFS的卫星遥感真色图片。霾笼罩了亚洲大部分 地区，其中污染最严重的是印度北部和中国东部 大气棕色云（高空）：高浓度细粒子组成，成分主要是碳黑，硫酸盐，硝酸 盐，有机颗粒，飞灰，矿物颗粒，同时霾层中还含有明显的SO2，CO和VOCs等 灰霾（近地层）：
粒，我国曾称为飘尘，通常就是指PM10； – 可入肺颗粒（Respirable Particles）：能够进入人体肺部的颗粒，通
常就是指PM2.5。
• 大气气溶胶中的细颗粒物PM10和PM2.5易于富集空气中的有 毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒，且颗粒 物的粒子半径越小，其化学成分越复杂，毒性越大
内容提要
• 气溶胶的定义 • 气溶胶对环境的影响 • 气溶胶粒子的光学特性及其气候效应 • 气溶胶的基本特征 • 气溶胶粒子的生成过程 • 气溶胶的运动、输送与并合 • 气溶胶粒子的化学组成及其表面的非均相反应 • 气溶胶粒子污染来源与贡献研究
7.3.1 气溶胶的光学特性
• 气溶胶的光学特性包括对辐射的散射和吸收
* Angstrom coefficient α τ(λ) = τ(λ0) λ-α (λ0 = 550 nm)
Fdown Fbdown
细粒子α大；粗粒子α小
Comprehensive Monitoring of aerosol optical properties
综合观测/synthetic observations
ห้องสมุดไป่ตู้第七讲
大气气溶胶
2010-1-7
内容提要
• 气溶胶的定义 • 气溶胶对环境的影响 • 气溶胶粒子的光学特性及其气候效应 • 气溶胶的基本特征 • 气溶胶粒子的生成过程 • 气溶胶的运动、输送与并合 • 气溶胶粒子的化学组成及其表面的非均相反应 • 气溶胶粒子污染来源与贡献研究
内容提要
• 气溶胶的定义 • 气溶胶对环境的影响 • 气溶胶粒子的光学特性及其气候效应 • 气溶胶的基本特征 • 气溶胶粒子的生成过程 • 气溶胶的运动、输送与并合 • 气溶胶粒子的化学组成及其表面的非均相反应 • 气溶胶粒子污染来源与贡献研究
– 弱吸收气溶胶，主要作用是散射 – 吸收性气溶胶，主要吸收太阳辐射
• 气溶胶的光学特性与其尺度谱分布和化学组成 有关
– 原则上可以用粒子尺度谱分布和化学组成计算出气 溶胶的光学性质，但由于气溶胶粒子的复杂和多变 性，计算困难，仍要靠实验测量
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
can be calculated with Mie theory.
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
单个粒子 / Single particle
单次散射反照率/ single scattering albedo
ω = σs /σe (散射)相函数/ phase function
单次散射反照率/ single scattering albedo
ω = ks / ke (散射)相函数/ phase function
p(θ)
r max
= ∫ p(θ , r)σs(r)n(r)dr
r min
散射/ Scattering 吸收/ absorption 衰减/ extinction
/ ks
– 没有足够的观测数据来证明增加的趋势
• 北大西洋上空云凝结核的浓度一般比南半球高 2~3倍，这主要是人为排放的结果
• 冰岩芯气泡的化学成分分析也证明了大气气溶 胶浓度不断增加
沙尘暴的危害
2010-1-7
7.2.2 沙尘暴
沙尘暴研究
• 起沙机理 • 物理化学光学特性 • 长距离输送 • 气候环境效应 • 方法
灰霾（大气棕色云）
• 定义：大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于
10千米的空气普遍有混浊现象，使远处光亮物微带黄、红色，使黑暗物 微带蓝色 – 水分含量低于80％ – 能见度 – 厚度（1～3千米） – 颜色 – 边界（不清晰）
• 区域： – 黄淮海地区 – 长江河谷 – 四川盆地 – 珠江三角洲
一般工业区和农村地区。 三类区为特定工业区。 4.2 环境空气质量标准分级
环境空气质量标准分为三级 一类区执行一级标准 二类区执行二级标准 三类区执行三级标准
环境空气质量标准 GB 3095-1996
3
• 凝结核
7.2.5 其它
• 能见度
• 辐射
• 提供多相反应的表面
• 光化学烟雾
• 酸雨
2010-1-7
Fbdown
反射率/ reflectance 吸收率/ absorptivity 透过率/ transmittance
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
大气层/ atmospheric layer
z2
* 光学厚度： τ = ∫ ke(z)dz z1
• 在大气中经气体转化而生成的气溶胶粒子称为次生粒 子（二次气溶胶）
全球范围内的气溶胶分类
• 气团：大陆、海洋和背景气溶胶
• 模式：大陆、海洋、乡村、城市或大陆、海洋、背景、平流 层
• Hegg根据源和出现的地理位置：
1. 沙漠气溶胶 2. 海洋气溶胶 3. 远陆气溶胶 4. 中高层对流层气溶胶 5. 极地气溶胶 6. 平流层气溶胶 7. 生物质燃烧气溶胶 8. 生物气溶胶 9. 云过程气溶胶
卫星遥感 satellite-borne radiometer/spectrometer
I0
I(λ) = I0(λ) exp(- τ)
τ = τm+τg+τa
τm Rayleigh scattering
I(λ)
τg Gas absorption
τa Aerosol optical depth
7.3.2 气溶胶气候效应
内容提要
• 气溶胶的定义 • 气溶胶对环境的影响 • 气溶胶粒子的光学特性及其气候效应 • 气溶胶的基本特征 • 气溶胶粒子的生成过程 • 气溶胶的运动、输送与并合 • 气溶胶粒子的化学组成及其表面的非均相反应 • 气溶胶粒子污染来源与贡献研究
1
7.2.1 气溶胶的增加趋势
• 工业化以来人类排放的气溶胶有较大幅度的增 加
气溶胶光学特性
Optical properties of atmospheric aerosols
Fdown
一层大气 / an atmospheric layer
反射率 r = Fup / Fdown
透过率 t = Fbtran / Fdown (top)
光学厚度： τ =
z2
∫ ke(z)dz
z1
地基
Ground-based
Sun-photometer
I0
spectrometer Lidar
空基遥感 space-borne radiometer/spectrometer
I(λ)
Comprehensive Monitoring of aerosol optical properties
地基 Ground-based Sun-photometer
• 人类活动通过增加大气中的气溶胶粒子对气候产生的 影响已经到了可觉察的地步
• 这种影响主要表现在两个方面
–直接气候效应
• 气溶胶的直接气候效应是通过影响辐射过程引起的， • 气溶胶粒子的吸收和散射作用对入射的太阳辐射和地球发射的红外
辐射均有影响，从而影响地-气系统的热量平衡 – 弱吸收气溶胶，主要作用是散射 – 吸收性气溶胶，主要吸收太阳辐射
• 危害：健康、交通、环境
7.2.4 气溶胶对人体的危害
• 大气颗粒物：
– PM10：指空气动力学直径小于或等于10μm的大气颗粒物； – PM2.5：指空气动力学直径小于或等于2.5μm的大气颗粒物； – 可吸入颗粒（Inhalable Particles）：通过呼吸系统可以吸入人体的颗
7.1.1 气溶胶的定义
• 气溶胶是指悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与 气体载体共同组成的多相体系
– 通常将大气中的气溶胶粒子称为大气气溶胶
• 烟、霾、尘、悬浮的微生物、花粉等皆可为大气气溶 胶粒子
– 常见的气溶胶质粒群体：尘、烟、熏烟、雾、霾、烟雾
• 直接以颗粒物形式进入大气的称为原生粒子（一次气 溶胶）
– (4)家庭燃煤取暖及室内烟雾程度大对儿童患感冒咳嗽、感 冒咳痰、感冒气喘、支气管炎、哮喘、因呼吸疾病住院等 都有明显的不利影响。
– (5)被动吸烟对儿童呼吸健康有明显的不利影响
我国环境空气质量标准
4.1 环境空气质量功能区分类 一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区。 二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、
– (1)中国四城市八所小学的室外空气污染物(TSP、PM10、 P的M五2项.5、指S标O能2、全N部O达x)到的居污民染区是的相空当气严质重量的标。准没有一所小学
– (2)室外空气污染越重，儿童呼吸系统患病率就越高，其比 数比值就越大，即患病的危险系数越大
– (3)空气污染因子中PM10和PM2.5对儿童呼吸健康影响最 大PM，2.而5的SO影2响、那N么Ox显也著有 一 定 的 负 面 影 响 ， 但 没 有 PM10 和
散射系数/ coefficient of scattering
吸收系数/ coefficient of absorption 衰减系数/ coefficient of extinction
ks, ka, and ke
散射/ Scattering 吸收/ absorption 衰减/ extinction
1. 一是因为小颗粒物的巨大表面积使其能吸附更多的有害物质，并能使 毒性物质有更高的反应和溶解速度；
2. 二是因为这些细颗粒物可以进入人的肺部，对人体健康的危害远比粗 颗粒物大。
PM10和PM2.5与疾病的关系
• 国内外对PM10和PM2.5的流行病学调查、动物毒理 学试验和人体临床观察研究表明： PM10和PM2.5对 人类健康有着明显的直接毒害作用，可引起机体呼吸 系统、心脏及血液系统、免疫系统和内分泌系统等广 泛的损伤
• PM10和PM2.5可造成多种的危害，其中有3类疾病值 得重视：
– (1)传染病：包括流感、肺结核和肺炎等； – (2)过敏病：包括由自然过敏原引起的哮喘和肺泡炎； – (3)肺癌等：由人为污染的气溶胶颗粒引起的矽肺和肺癌等。
PM10和PM2.5对儿童呼吸系统的影响
• 儿童是呼吸类疾病最敏感的人群。魏复盛等通过对兰 州、广州、武汉、重庆等四城市的八所小学的环境监 测及儿童呼吸系统健康流行病学调查结果进行分析， 得到如下初步结论：
单个粒子 / Single particle
散射截面/ cross-section of scattering 吸收截面/ cross-section of absorption 衰减截面/ cross-section of extinction
σs, σa, and σe
散射/ Scattering 吸收/ absorption 衰减/ extinction
散射/ Scattering 吸收/ absorption 衰减/ extinction
p(θ)
can also be calculated with Mie theory.
气溶胶光学特性
Optical properties of atmospheric aerosols
群粒子 / a group of particles
–间接气候效应
• 气溶胶可以成为云凝结核（CCN），通过增加云滴数量增加云的光 学厚度和云层反射率，同时也可能增加云的寿命和平均云量
5
2010-1-7
直接气候效应
• “阳伞效应”
– 悬浮在大气中的气溶胶能反射和吸收太阳辐射，使到达地表的太阳辐 射减少，从而引起地面气温降低，犹如地球的遮阳伞
can be calculated by integrating...
ks =
r max
∫ σs(r )n(r )dr
r min
4
2010-1-7
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
群粒子 / a group of particles
– 地面观测 – 春季加强观测 – 数值模拟
沙尘暴发生机理
沙尘气溶胶的长距离输送
2
2010-1-7
7.2.3 大气棕色云（灰霾）
ABC，1999 January.-April 1999, Indian Ocean
1999年12月28，29日的Sea WIFS的卫星遥感真色图片。霾笼罩了亚洲大部分 地区，其中污染最严重的是印度北部和中国东部 大气棕色云（高空）：高浓度细粒子组成，成分主要是碳黑，硫酸盐，硝酸 盐，有机颗粒，飞灰，矿物颗粒，同时霾层中还含有明显的SO2，CO和VOCs等 灰霾（近地层）：
粒，我国曾称为飘尘，通常就是指PM10； – 可入肺颗粒（Respirable Particles）：能够进入人体肺部的颗粒，通
常就是指PM2.5。
• 大气气溶胶中的细颗粒物PM10和PM2.5易于富集空气中的有 毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒，且颗粒 物的粒子半径越小，其化学成分越复杂，毒性越大
内容提要
• 气溶胶的定义 • 气溶胶对环境的影响 • 气溶胶粒子的光学特性及其气候效应 • 气溶胶的基本特征 • 气溶胶粒子的生成过程 • 气溶胶的运动、输送与并合 • 气溶胶粒子的化学组成及其表面的非均相反应 • 气溶胶粒子污染来源与贡献研究
7.3.1 气溶胶的光学特性
• 气溶胶的光学特性包括对辐射的散射和吸收
* Angstrom coefficient α τ(λ) = τ(λ0) λ-α (λ0 = 550 nm)
Fdown Fbdown
细粒子α大；粗粒子α小
Comprehensive Monitoring of aerosol optical properties
综合观测/synthetic observations
ห้องสมุดไป่ตู้第七讲
大气气溶胶
2010-1-7
内容提要
• 气溶胶的定义 • 气溶胶对环境的影响 • 气溶胶粒子的光学特性及其气候效应 • 气溶胶的基本特征 • 气溶胶粒子的生成过程 • 气溶胶的运动、输送与并合 • 气溶胶粒子的化学组成及其表面的非均相反应 • 气溶胶粒子污染来源与贡献研究
内容提要
• 气溶胶的定义 • 气溶胶对环境的影响 • 气溶胶粒子的光学特性及其气候效应 • 气溶胶的基本特征 • 气溶胶粒子的生成过程 • 气溶胶的运动、输送与并合 • 气溶胶粒子的化学组成及其表面的非均相反应 • 气溶胶粒子污染来源与贡献研究
– 弱吸收气溶胶，主要作用是散射 – 吸收性气溶胶，主要吸收太阳辐射
• 气溶胶的光学特性与其尺度谱分布和化学组成 有关
– 原则上可以用粒子尺度谱分布和化学组成计算出气 溶胶的光学性质，但由于气溶胶粒子的复杂和多变 性，计算困难，仍要靠实验测量
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
can be calculated with Mie theory.
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
单个粒子 / Single particle
单次散射反照率/ single scattering albedo
ω = σs /σe (散射)相函数/ phase function
单次散射反照率/ single scattering albedo
ω = ks / ke (散射)相函数/ phase function
p(θ)
r max
= ∫ p(θ , r)σs(r)n(r)dr
r min
散射/ Scattering 吸收/ absorption 衰减/ extinction
/ ks
– 没有足够的观测数据来证明增加的趋势
• 北大西洋上空云凝结核的浓度一般比南半球高 2~3倍，这主要是人为排放的结果
• 冰岩芯气泡的化学成分分析也证明了大气气溶 胶浓度不断增加
沙尘暴的危害
2010-1-7
7.2.2 沙尘暴
沙尘暴研究
• 起沙机理 • 物理化学光学特性 • 长距离输送 • 气候环境效应 • 方法
灰霾（大气棕色云）
• 定义：大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于
10千米的空气普遍有混浊现象，使远处光亮物微带黄、红色，使黑暗物 微带蓝色 – 水分含量低于80％ – 能见度 – 厚度（1～3千米） – 颜色 – 边界（不清晰）
• 区域： – 黄淮海地区 – 长江河谷 – 四川盆地 – 珠江三角洲
一般工业区和农村地区。 三类区为特定工业区。 4.2 环境空气质量标准分级
环境空气质量标准分为三级 一类区执行一级标准 二类区执行二级标准 三类区执行三级标准
环境空气质量标准 GB 3095-1996
3
• 凝结核
7.2.5 其它
• 能见度
• 辐射
• 提供多相反应的表面
• 光化学烟雾
• 酸雨
2010-1-7
Fbdown
反射率/ reflectance 吸收率/ absorptivity 透过率/ transmittance
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
大气层/ atmospheric layer
z2
* 光学厚度： τ = ∫ ke(z)dz z1
• 在大气中经气体转化而生成的气溶胶粒子称为次生粒 子（二次气溶胶）
全球范围内的气溶胶分类
• 气团：大陆、海洋和背景气溶胶
• 模式：大陆、海洋、乡村、城市或大陆、海洋、背景、平流 层
• Hegg根据源和出现的地理位置：
1. 沙漠气溶胶 2. 海洋气溶胶 3. 远陆气溶胶 4. 中高层对流层气溶胶 5. 极地气溶胶 6. 平流层气溶胶 7. 生物质燃烧气溶胶 8. 生物气溶胶 9. 云过程气溶胶
卫星遥感 satellite-borne radiometer/spectrometer
I0
I(λ) = I0(λ) exp(- τ)
τ = τm+τg+τa
τm Rayleigh scattering
I(λ)
τg Gas absorption
τa Aerosol optical depth
7.3.2 气溶胶气候效应
内容提要
• 气溶胶的定义 • 气溶胶对环境的影响 • 气溶胶粒子的光学特性及其气候效应 • 气溶胶的基本特征 • 气溶胶粒子的生成过程 • 气溶胶的运动、输送与并合 • 气溶胶粒子的化学组成及其表面的非均相反应 • 气溶胶粒子污染来源与贡献研究
1
7.2.1 气溶胶的增加趋势
• 工业化以来人类排放的气溶胶有较大幅度的增 加
气溶胶光学特性
Optical properties of atmospheric aerosols
Fdown
一层大气 / an atmospheric layer
反射率 r = Fup / Fdown
透过率 t = Fbtran / Fdown (top)
光学厚度： τ =
z2
∫ ke(z)dz
z1
地基
Ground-based
Sun-photometer
I0
spectrometer Lidar
空基遥感 space-borne radiometer/spectrometer
I(λ)
Comprehensive Monitoring of aerosol optical properties
地基 Ground-based Sun-photometer
• 人类活动通过增加大气中的气溶胶粒子对气候产生的 影响已经到了可觉察的地步
• 这种影响主要表现在两个方面
–直接气候效应
• 气溶胶的直接气候效应是通过影响辐射过程引起的， • 气溶胶粒子的吸收和散射作用对入射的太阳辐射和地球发射的红外
辐射均有影响，从而影响地-气系统的热量平衡 – 弱吸收气溶胶，主要作用是散射 – 吸收性气溶胶，主要吸收太阳辐射