论文总字数：16633字

目 录

1 引言 1

1.2 研究发展史 1

1.3 研究方法 1

1.4 研究内容 3

2 仪器与方法 3

2.1 实验仪器概述 3

2.2 采样点 3

2.3 大气气溶胶光学特性的表示方法 4

3 结果分析 5

3.1 大气气溶胶光学特性时间变化特征 5

3.2 大气气溶胶光学特性日变化特征 6

3.3 大气气溶胶光学特性相关因子 8

3.3.1 与污染程度（能见度）的关系 8

3.3.2 与风速的关系 9

3.3.3 与降水的关系 9

3.4 PM2.5化学组成与大气气溶胶光学特性的关系 10

4 结论 12

5 讨论 13

参考文献 13

致谢 15

南京地区大气气溶胶光学特性的观测研究

宋晗

, China

Abstract：Direct effect of atmospheric aerosol particles performs the aerosol particles by absorbing, scattering of solar radiation, so that the balance between earth-atmosphere system radiation income and expenditure of the occurrence of certain changes; its indirect climate effects can be manifested in aerosol particles in the cloud formation process as cloud condensation nuclei and thus alter cloud amount and cloud lifetime, so climate change. Thus changing the optical properties of atmospheric aerosols on climate change has very important significance. Using a three-wavelength photoacoustic black carbon photometer (PASS-3) on the absorption coefficient and scattering coefficient of atmospheric aerosols in Nanjing area is measured to obtain contact with the aerosol optical properties of visibility, wind speed, precipitation between and by comparing the obtained atmospheric aerosol optical properties change in time and daily variation. And examines the extinction coefficient and PM_2.5, SO₄^2-, NO₃^-, NH₄ , the correlation established extinction coefficient and SO₄^2-, NO₃^-, NH₄ , the concentration of organic matter BC and BC as well as multiple regression equation between mass concentration of organic matter.

Key words：atmospheric aerosol; optical characteristics; Nanjing

1 引言

1.1 研究目的与意义

大气气溶胶被定义为在大气中直径达到0.001微米到100微米之间的液态或固态微粒所组成的，具有复杂成分以及结构的悬浮体系^[1]。气溶胶来源广泛且复杂，大致分为自然源和人为源两类，又可以分为一次气溶胶和二次气溶胶，其物理化学组成极其复杂，因而在环境、气候以及对于人类健康方面都具有十分复杂的相互作用，所以，在研究大气气溶胶光学特性的同时，必须对各种因子产生的影响进行综合分析，以便得到更精准的结果。目前，气溶胶粒子已成为城市空气质量首要污染物，引发雾霾污染的主要因素，并且由于能见度的降低引起交通事故频发，危及人类健康。大气气溶胶的光学特性能够从大气的吸收系数和散射系数的方面来分析，通过对这两方面的研究来表征大气气溶胶的光学特性。

由于自然排放，汽车尾气，燃煤供暖等原因使得大气气溶胶急剧增多，造成严重的环境污染问题，同时使大气气溶胶的光学特性发生改变。在南京地区秋冬季节易发生雾霾现象，不仅对空气质量、环境安全产生了较大影响甚至危害人类健康，可通过大气气溶胶光学特性在空气污染情况以及非污染情况下的对比，探究大气气溶胶光学特性与雾霾是否发生之间的关联。同时大量研究表明，雾霾天气中大气气溶胶浓度与其消光系数、消光作用和呼吸系统疾病的发病率存在明显的相关关系^［2-6］，因而可以利用大气气溶胶光学特性推断大气气溶胶浓度，并且进一步推测出呼吸系统疾病的发生概率。

1.2 研究发展

大气气溶胶光学特性的研究经历了漫长的过程，19世纪后期，英国著名科学家J.W.S.建立了瑞利散射的理论。20世纪，德国著名科学家G.Mie建立了米散射理论。从而奠定了在大气气溶胶光学特性方面的研究基础。20世纪60年代，大气光学遥感因激光的出现得到广泛的应用。现今，气溶胶光学特性观测网络已在世界各地相继建立^[7]。

1.3 研究方法

大气气溶胶光学特性的研究方法主要分为直接观测和遥感观测两种类型：1.直接观测是利用气溶胶散射系数测量设备直接测得大气气溶胶光学特性，主要有前向散射能见度仪，积分浊度计等。2.遥感观测是在对大气气溶胶光学特性的大范围研究的基础上发展起来的，是利用进入遥感仪器辐射的性质与强度所对应的气溶胶粒子对于入射辐射吸收、散射作用之间相关关系，进而测得大气气溶胶光学特性。其能够分成主动遥感和被动遥感两种，其中雷达激光属于主动遥感，而卫星遥感、太阳辐射计属于被动遥感。

大气气溶胶光学特性的研究方法主要包括观测天空亮度反演法、大气能见度反演法、激光雷达探测、卫星遥感、消光-小角散射法，上述方法都可以用来表述当代研究大气气溶胶粒子光学特性的方法。简单介绍几种方法的测量原理：观测天空亮度反演法是根据，除大气气溶胶光学厚度以及不对称因子外的其他因子对天空亮度的相对分布所产生的影响不明显，甚至不产生影响。因此可以利用观测到的天空亮度分布进而来反演出大气气溶胶光学厚度，进而研究大气气溶胶光学特性。在试验过程中，一般要对多个方向的天空亮度进行测量，进而减小实验所带来的误差，并且测量多方向的天空亮度，可以不对仪器进行标定，以减少工作量。应用此方法反演光学厚度会产生一定的实验误差，因此需要注意各个物理量测量的精确性，以免造成实验失误^[8]。

大气能见度反演法：大气能见度是指是人在具备正常视力下与当时所在地天气条件下依然可以辨识出目标物轮廓的地面上水平距离最大值。另外一种定义为目标物所具有的一些特征已经消失在视野中的最小距离。它可以在某些方面反映大气透明度，判断大气的浑浊程度。气象光学视程是指由白炽灯发出的平行光束的光通量，其色温达到2700K，在大气这样的介质中传播直至其强度削弱到初始值的5%，在这一传播过程中所通过的路径长度。由实验结果可以得到大气的消光系数决定了大气能见度以及气象光学视程的大小，并且无其他影响因素，因此能够利用大气能见度或者气象光学视程来反演大气气溶胶的光学特性^[9]。但在测量过程中会存在一定误差，首先，由于能见度测量仪测量结果与实际结果之间存在的误差，导致反演结果也会在一定程度上存在误差，其次，不同地区的气溶胶类型也不尽相同，但在试验过程中，会对某一地区的气溶胶类型进行假设，同样会造成反演结果的不准确性，此外，在研究过程中会将大气气溶胶粒子模式化，将其近似看成球体，也会使测量结果造成偏差。

激光雷达对大气气溶胶光学特性进行探测是由于大气气溶胶粒子会使雷达所发射的激光发生散射和吸收，其散射作用产生的削弱占主要部分，是传输中最重要的消光因子。当激光在大气中传播过程中，由于大气气溶胶粒子对激光吸收后会使光能转化成热能，从而对大气进行加热，再加热过程中就会有可能出现热晕现象，使激光在大气中的传播受到极大的影响，并且激光在大气这种介质中的传播具有一定的规律，从而可以使用激光雷达对大气气溶胶的光学特征进行探测。利用激光雷达探测大气气溶胶光学特性会产生误差的原因在于大气气溶胶的光学特性会随时间变化，并且位于不同的海拔高度以及不同的地域和天气状况都会使大气气溶胶的光学特性发生变化^[10]。

卫星遥感属于被动遥感，被动遥感即是指所使用的遥感探测系统本身并不能够通过发射辐射对目标物进行探测，也可以理解为在进行遥感探测时，通过自然界发射辐射或者是目标物发射的辐射，被遥感探测仪器接收，并将传递的电磁波信息转化为探测信息，记录下当时的探测结果。其探测原理是由于辐射在大气中传播过程，会受到大气气溶胶粒子的散射作用以及吸收作用，使得出射辐射与入射辐射相比较，其辐射的性质以及辐射的强度会发生一定程度的变化，利用出射辐射与入射辐射之间的变化就能够推算出大气气溶胶粒子的光学特性。卫星遥感虽然存在有时需要依赖太阳辐射的情况，但是当需要探测大规模大气气溶胶光学特性或者是探测环境气候恶劣的人迹罕至的地区甚至是测量广阔的海洋地区时，卫星遥感的优越性就体现出来了。与地面遥感相比，卫星遥感的测量精度虽有待提高，但是其突破了只能在有限区域范围进行测量的弊端，使得对大气气溶胶光学特性的探测更加全面具体^[7]。

利用消光-小角散射方法进而遥感气溶胶谱分布，这种研究方法可以较大程度的提高反演气溶胶粒子谱分布的精确度。消光-小角散射方法的测量原理是，在对大气气溶胶光学特性进行研究的过程中，分析大气气溶胶的消光系数以及对应的散射相函数，发现了这样一个现象：大气气溶胶的消光系数对于粒子直径较小的大气气溶胶粒子较为敏感，而前向小角散射相函数则对直径较大的大气气溶胶粒子较为敏感。由于这两种测量方法对不同粒子直径的大气气溶胶粒子的测量精度有所不同，并且各自有不同的优缺点，因而将这两种方法综合起来，形成了一个新的具有综合性的测量方法，这种方法就是消光-小角散射法^[12]。

1.4 研究内容

本文的研究利用三波长光声黑碳光度计（PASS-3）观测南京地区大气气溶胶光学特性，结合相关气象要素，讨论大气气溶胶光学特性的影响因素及其相关关系，分析PM_2.5化学组成成分与大气气溶胶光学特性的相关关系，并且可以利用大气气溶胶光学特性的变化推测雾霾天气是否发生。

2 仪器与方法

2.1 实验仪器概述

样本气体在经过放置于观测场内的集装箱顶上的PM_2.5切割头后，再将样本气体通入Nafion drier干燥，将处理好的样本气体通入各仪器进行观测。本次测的散射系数( Aerosol scattering coefficient，βsca )是应用三波长光声黑碳光度仪( Photo-acoustic Soot Spectrometer, Three Wavelength， PASS-3，美国 DMT)使用光声法在同一时段连续测定在405nm（蓝光）、532nm（绿光）、和 781nm（红光）三种波段下大气气溶胶吸收系数(Aerosol absorption coefficient，βabs )以及大气气溶胶用此方法测量在8000Mm^-1以下的范围，其测量精度在10%以内，具有较高的测量精度，它使用反式浊度技术，灵敏度极高，可以做到快速测量，时间分辨率可达到2s，它在直接测量涂层的光学效果、形态以及光化学吸收方面较传统的过滤器型传感器测量效果更好。本次试验的时间分辨率为2s，仪器在405nm、532nm、781nm三种波段的检测限分别为7.5Mm^-1、7.5Mm^-1、2.5Mm^-1。三波长光声黑碳光度仪的测定原理：在大气气溶胶粒子进入仪器腔体后，当其在密闭的共鸣腔体内经过时，气溶胶粒子束被仪器设置的固定波长下的可调频激光照射，保持可调频激光频率为共鸣腔体的频率，由于大气气溶胶粒子将光能转化为热能，从而加热周围空气使其发生膨胀，并保持一定的膨胀频率，在膨胀过程中会产生一定频率的声波，这些声波被麦克风收集，通过检测以及与吸收系数的对应关系确定吸收系数的大小。三波长光声黑碳光度仪的具体原理、使用方法以及分析过程请参考Arnott 等^[11]在文章中所给出的详细介绍。观测前后均对PASS-3进行校正，应用激光功率计对激光能量校正、用NO₂标气对吸收系数校正、用聚苯乙烯乳胶球对散射系数校正，并在三种波段下均校正一次，以此保证实验测量结果的准确性。

2.2 采样点

本次实验采样点位于江心洲的南京市气象局观测场（32°3′N，118°42′E），在该观测点对大气气溶胶光学特性进行不间断观测。该观测地点位于建邺区与浦口区之间，隶属于建邺区，是长江下游的冲积沙洲。该观测场的基础设施完善，各气象要素观测设施具有规范化特征。在其东南方向，距离约为三千米处为奥体中心，在青奥会期间该地区污染较小。并且南京市自来水采水点位于江心洲东岸，这里禁止航运，再加之其周围交通排放污染物较少，因此交通运输对该地区大气气溶胶光学特性基本不产生影响。在江心洲及附近地区均未发现明显的污染源，因此此次观测数据具有一定代表性。本次实验的观测时间为2014年9月1日~2014年9月18日。

2.3 大气气溶胶光学特性的表示方法

大气气溶胶光学特性的表示方法有很多种，包括大气气溶胶光学厚度，埃散射系数以及单次散射反照率等。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：16633字

相关图片展示：