气溶胶光学厚度谱特征判断粒子大小方法初探

［９］ 。 这个结果说明 ， 即使α 值 相 同 ， 谱分布类型也 ０２ 可以完全不同 ， 此时 犪 ２ 可以作为一个很好的 判断粒
， 如沙 尘 ， 海 盐； 表明气溶胶粒子较 ０． ５μ ｍ） α＞２， ］ ５ 粒径 ≤０． ， 如 城 市 污 染 物、 燃 烧 生 成 物［ 。 小（ ５μ ｍ） 但需要注意 ， 用α 来 描 述 气 溶 胶 粒 子 大 小 的 前 提 是
杨溯 ， 石广玉 ， 王标 ， 等 ．气溶胶光学厚度谱特征判断粒子大小方法初探 ． 应用气象学报 ， （ ） ： ２ ０ １ １， ２ ２ ２ １ ５ ２ １ ５ ７．
气溶胶光学厚度谱特征判断粒子大小方法初探
） ） ） ） ） ） ２ １ １ ３ １ ４ 杨 溯１） 石广玉 王 标 杨红龙 赵剑琦 秦世广
［２］ 粒子谱分布也被称为 Ｊ 。 ｕ ｎ ｅ分布 ２ ｇ
可以作为气溶胶粒 子 大 小 的 指 示 参 数 ， 当气溶胶以 粗粒子为主时 ， 当 气 溶 胶 以 细 粒 子 为 主 时， 犪 ０； ２＞ ［ ］ ２ ９ 指 出， 犪 ０。Ｓ ｃ ｈ ｕ ｌ ｔ ｅ ｒ等 犪 犪 １＜ ２， １ 的差值可以作 当犪 为α 的一级近 似用来 判断 气 溶胶 粒子大 小 ， ２－ 时 ， 表 明 气 溶 胶 以 细 粒 子 为 主 ； 当 犪 ２ 犪 犪 １ １≥ ２－ １≤ 时， 表明气溶胶以粗 粒 子 为 主 ； 当 １≤犪 表 犪 ２， ２－ １≤ 明细粒子在气溶胶中所占比例变化较大或两种类型
α 。 （ ） １ τ（ λ）＝β λ－ 式（ ） 中， 是对应波长为λ 的气溶胶光学厚度 ； １ τ（ λ） β 是 １μ 也 被 称 为 浑 浊 度 系 数； ｍ 波长上的光学 厚 度 ，
［０ ］ 。Ｊ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 指数 ２ ｕ ｎ ｅ在 Ａ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 的基 α是 Ａ ｇ ｇ ｇ 础上又提出粒子 谱 与 α 之 间 关 系 ， 认为气溶胶粒子 ］ ２ １ 半径与数密度之间存在下列指数关系 ［ ：
大气过程也会影 的气溶胶有各 自 典 型 的 粒 子 大 小 ，
引 言
－３ 大气气溶 胶 一 般 指 悬 浮 在 大 气 中 直 径 为 １ ０
［］ 响粒 子 大 小 。Ｒ 燃烧产生的气溶 ｅ ｉ ｄ等 ７ 研 究 表 明，
碰并 、 气 粒转换 等 大气过 胶进入大气后会参与凝结 、
［４］ １ ３］ 程， 气溶胶粒径会发生很大变 化 ［ 。Ｒ 和 ｅ ｍ ｅ ｒ等 １ ［５ ］ 也有相似的结 论 ， 他们观测到由城市 Ｋ ａ ｕ ｆ ｍ ａ ｎ等 １ 工业生产释放的气溶胶的粒 径会逐 渐增长 ， 这 生活 、
、 能
、 海浪飞 沫
［ ９］
、 植物孢子与花粉
［ １ ０］
、 火山喷
和地面扬 尘
［ １ ２］
都 是 重 要 的 气 溶 胶 源。 不 同 源
２ ０ １ ０ ０ ３ ２ ５ 收到 ， ２ ０ １ ０ １ ２ ０ ６ 收到再改稿 。 资助项目 ： 科技部基础性工作专项 （ ） ， 中国大气气溶胶及其气候效应的研究气溶胶直接辐射强迫 ”（ ） ２ ０ ０ ７ Ｆ Ｙ １ １ ０ ７ ０ ０ ９ ７ ３ 项目 “ ２ ０ ０ ６ Ｃ Ｂ ４ ０ ３ ７ ０ ５ ： ｍ ａ ｉ ｌ ａ ｉ ｌ ． ｉ ａ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ａ ｎ ｓ ｕ Ｅ ＠ｍ ｐ ｙ ｇ
１ Ａ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 指数结合 Ａ Ｏ Ｄ 曲率判断粒子大小 ｇ
１． １ 犃 狀 狊 狋 狉 狅 犿 指数判断粒子大小的局限性 犵 Ａ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 在１ ９ ２ ９ 年提出 了 Ａ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 指数定 ｇ ｇ
］ １ ９ ， 建立了 ＡＯ 律［ Ｄ 与波长间的指数关系 ：
摘 要
当气溶胶谱满足 Ｊ 可以准确地描述粒子大小 ， 但真实大气气溶胶很少完全满足 ｕ ｎ ｅ分布时 ， Ａ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 指数 （ α） ｇ ｇ 仅用α 判断粒子大小会有较大出入 。 基于 北 京 、 香河、 兴隆、 太湖４个 Ａ 这一条件 ， ｅ ｒ ｏ ｎ ｅ ｔ观 测 站 ２ １世纪以来各站 获得 ５ 尝试找到一种结合α， 历时都超过 １ 年的气溶胶光学厚度资料 ， ５ １ １ 组ｌ ｎ ｎ 犪 犪 τ 与ｌ λ 的二次拟合参数犪 ２， １， ２， 当气溶胶为粗粒子时 （ ／ ， 仅 用α 就 可 以 较 好 地 犪 犞ｆ 犞ｔ ０． ２） ７ ５， α 均 小 于 ０． １ 判断粒子大小的方法 。 结果表明 ： ｉ ｎ ｅ ｏ ｔ ａ ｌ＜ 但当气溶胶以细粒子为主时 （ ／ ） ， 该方法会有较大出入 ， 此时犪 判断粒子大小 ， 犞ｆ 犞ｔ ０． ７ 犪 ｉ ｎ ｅ ｏ ｔ ａ ｌ＞ ２， １ 可以有效地辅助α 判断粒子大小 ， 分析发现国外研究提出的用 ７ ５， 犪 ５ 或犪 ５， 犪 ０是 较 好 的 判 据。此 外， α＞０． ２ ＜ －０． ２ ＜ －０． １ ＜ －１． 尤其在 １＜ 犪 犪 犪 犪 ２ 的情况下 ，粒子的组成有多种可能 。 ２－ １ 判断粒子大小的方法效果并不理想 ， ２－ １＜ 关键词 ：大气气溶胶 ；Ａ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 指数 ；粒子大小 ｇ
式 中犪 ｌ ｎ ｎ 犪 犪 λ 拟合ｌ τ 的二次函数 表 达 式 ， ２， １， ０ 是 拟合参数 ， 代 表 气 溶 胶 光 学 厚 度 光 谱 特 征， 其中犪 ２ 为曲线的曲率 ， 存在气溶胶光 犪 ０ 曲线开口向上 ， ２＞ 学厚度随波长增长而增长的现象 ， 反之开口向下 ， 光
［ ］ ２ ８ 和式（ 学厚度一直随波 长 增 长 而 递 小 。 式 （ ４） ５） 给出 了 犪 犻 代 表 第犻 个 波 长 。 ２ 与 α 的 计 算 公 式， 是一种比 较 特 殊 的 情 形 ， 此 时 曲 率 为 ０， 犪 ＝０ ｌ ｎ τ， ２ ［９ ］ 粒子谱为Ｊ ， 通过式（ ｌ ｎ ｕ ｎ ｅ分 布 ２ １） λ 线性相关 ， ｇ 和式 （ ） 可以建立 ， 与 ， 之间的关系 ， 即 ３ 犪 犪 αβ ０ 犪 １ ０＝ ， 。 ｌ ｎ 犪 ＝－ α １ β ２ （ ） ｌ ｎ ｌ ｎ ｌ ｎ ３ ＝犪 τ（ λ λ λ 犻） ０ ＋犪 １ 犻 ＋犪 ２（ 犻）， １ １ ｄ α， （ ） 犪 ′ ＝－ ４ α ２ ＝－ ２ ２ｄ ｌ ｎ λ －２ ′＝ α × ｌ ｎ ｌ ｎ λ λ 犻 １－ 犻 １ ＋ － ｌ ｎ ｎ τ（ λ τ（ λ －ｌ 犻 １） 犻） ＋ － ｌ ｎ ｌ ｎ λ λ 犻 １－ 犻 ＋ ｌ ｎ ｎ －ｌ τ（ λ τ（ λ 犻） 犻 １） － 。 （ ） ５ ｌ ｎ ｌ ｎ λ λ 犻－ 犻 １ － 参 数犪 犪 已有的研究表明 ， ２， １ 含有粒子大小的 ［ ［ １ ５］ ５］ 信息 。Ｋ 和Ｅ ａ ｕ ｆ ｍ ａ ｎ等 ｃ ｋ 等 的 研 究 表 明， 犪 ２
应 用 气 象 学 报 第２ ２卷 第２期 Ｖ ｏ ｌ ． ２ ２，Ｎ ｏ ． ２ ２ ０ １ １年４月 Ｊ ＯＵＲ ＮＡ ＬＯ ＦＡ Ｐ Ｐ Ｌ Ｉ Ｅ Ｄ ＭＥ Ｔ Ｅ Ｏ Ｒ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｉ Ｃ Ａ ＬＳ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ｒ ｉ ｌ ２ ０ １ １ Ａ ｐ
［８］ 粒子均存在 。Ｋ 以此作为气溶胶粒 子大小 ｅ ｄ ｉ ａ等 ２
α最 基 本 的 用 途 是 用 来 描 述 气 溶 胶 粒 子 大
１ ５， ２ ３］ 小［ ， 当α＜１ 时 ， 表明气溶胶粒子较大（ 粒径≥
的判据 ， 通过在孟加拉湾和阿拉伯海的观测认为 ， 前 者粗粒子与细粒子 并 存 ， ７ ６％ 的 观 测 结 果 满 足 １≤ 后 者 有 大 量 粗 粒 子 存 在， 犪 犪 ２； ８ ４％ 的 观 测 结 ２－ １≤ 相同的α 值 果满足犪 犪 １。 这里值得注意的是 ， ２－ １≤ 并不意味相似的粒子大小 ， 这时可以引入 犪 ２ 作为另 ［ ］ ２ ９ 一个判据 。Ｓ 在数值试验中定义了两 ｃ ｈ ｕ ｓ ｔ ｅ ｒ等 种谱 分 布 ： 单峰细粒子为主谱分布（ 半径中值为 和双峰粗粒子为 主 谱 分 布 （ 粗粒子质量浓 ０． ２ １μ ｍ） 度／粒子总质量 浓 度 ＝０． 。 设 定 两 种 谱 分 布 的α ４） 均为 ２， 分别计算它们 的 犪 结 果 显 示： 以细粒子 ２ 值， 为主的谱分布 犪 ， 以 粗 粒 子 为 主 的 谱 分 布犪 ０ ２＜ ２＞
［ ］ １ １ ［ ］ ８ ［ ６ ７］
满足 Ｊ 真实大气并不都满足 ｕ ｎ ｅ分 布 的 假 设 条 件， ｇ 这个假设 ， 尤其对于多峰形谱分布情况 ， 仅用α 不够 气溶胶光学厚度（ 准确 。 一 些 研 究 表 明 ， Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ 的谱特征含有粒子尺度信 Ｏ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌＤ ｅ ｔ ｈ， ＡＯ Ｄ） ｐ ｐ 息， 用谱线的曲 率 参 数 能 很 好 地 体 现 气 溶 胶 粒 子 尺 度 特征。 本文通过分析北京、 香河、 兴隆、 太 湖４个
１）
（ 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 ， 北京 １ ） ０ ０ ０ ２ ９
２） ３） （ 中国科学院研究生院 ， 北京 １ ） 深圳市国家气候观象台 ， 深圳 ５ ） ０ ０ ０ ４ ９ １ ８ ０ ４ ０ （ ４）
（ 中国气象局气象探测中心 ， 北京 １ ） ０ ０ ０ ８ １
］ １ ６ １ ８ 究中有着广泛的应用 ［ 。 用α 描述粒子大小需要
谱分布是决定 其 辐 射 效 应 的 重 要 物 理 量
［ ５］
Hale Waihona Puke Baidu
， 它会影
响气溶胶的散射相函数 、 单次散射比 、 光学 厚度谱 特 征等辐射性质 。 气溶胶粒子大小 是重要的 气 溶胶 研 究参数 ， 它在很 大 程 度 上 决 定 了 气 溶 胶 的 光 学 和 物 理特性 。 因此 ， 了解气溶胶粒子大小的信息对于气 溶胶研究来说 ， 是 一 项 非 常 急 迫 和 重 要 的 工 作。 能 够准确地获得这部分信息对于科 学评估气 溶 胶在 地 气系统中辐射效应而言至关重要 。 实际 大 气 中 ， 气 溶 胶 的 来 源 非 常 广 泛， 多种人 为、 自然活动都可以产生气 溶胶 ， 如森林 火 灾 源消耗 发
它在整个地气系统中扮演着非常 ０μ ｍ 的微粒 ， ～１ 它可以通过散射 、 吸 收影响到 达 地面 的 重要的角色 ，
１ ４］ 太阳辐射 ， 是重要的辐射强 迫 因子 ［ 。气溶胶粒子
种增长可能与高相对湿度及气溶胶 与云之 间 的联系 有关 。 一直 以 来 ， ） 被认为是最简捷 Ａ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 指数（ α ｇ 有效地描述气 溶 胶 典 型 粒 子 尺 度 的 物 理 量 ， 它是气 溶胶光谱性质的函数 ， 是判断气溶 胶粒子 大小 、 地面 遥感订正 、 判断气溶胶类型的重要 参数 ， 在气 溶胶研
（ （
）
）
ｄ 犖（ 狉） υ 。 （ ） 狉－ ２ ＝犃 ｄ ｌ ｎ 狉 式（ 中， ２） 犃 和υ 是 描 述 气 溶 胶 谱 分 布 的 两 个 系 数 。 对于α＞１ 的非 吸 收 型 气 溶 胶 ， υ≈ α＋２。 由 此 真 正 粒 子 谱 分 布 和α 三 者 间 的 联 系。 建立了光 学 厚 度 、 这个简单的粒子谱 分 布 假 设 关 系 被 广 泛 应 用 ， 这种
气溶胶光学厚度谱特征判断粒子大小方法初探 １ ５ ３ 第 ２ 期 杨 溯等 ：
其中北京站时间为 ２ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ｅ ｔ站点的观测资料 （ ０ ０ １年 香河站时间为 ２ ３ 月 ７ 日 —２ ０ ０ ８年８月３ １日， ０ ０ １年 兴隆站时间为２ ３月２ ０ 日 —２ ０ ０ ８年３月２ ３ 日， ０ ０ ６ 年２ 月１ 太湖站时间为２ ９ 日 —２ ０ ０ ８ 年５ 月２ ２日， ０ ０ ５ 年 ９ 月 １ 日 —２ ， 对用 α判断粒子大 ０ ０ ８年１ ０ 月 ２ 日） 小的可靠性以及结合曲率参数判断粒子尺度 的可 行 性进行研究 ， 并给出在粗 （ 细） 粒 子为主 时 ， 各参 数的 判断阈值 。