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目 录

1 引言 1

1.1 国内外研究现状 1

1.2 本文研究内容 2

2资料与方法 2

2.1观测仪器简介 2

2.2实验地点与时间 2

3结果与讨论 3

3.1 气溶胶浓度的日变化特征 3

3.2 气溶胶粒子尺度谱分布特征 4

3.3 气溶胶粒子谱分布随时间变化 5

3.4 气溶胶粒子与能见度的关系 6

3.4.1 气溶胶粒子数浓度与能见度的相关性分析 6

3.4.2 气溶胶粒子谱分布特征与能见度的关系 7

3.5 数浓度谱不同拟合方案的比较 9

4 结论 9

参考文献： 10

致谢 12

南京北郊晴空天气纳米尺度气溶胶物理特性个例研究

孙玮

Abstract:In order to study the physical characteristics of nanoscale aerosol particles in sunny and haze days in the northern suburbs of Nanjing, atmospheric aerosol observations were carried out in the northern suburbs of Nanjing from November 2017 to January 2018.This article analyzed the daily variation of aerosol, spectral distribution characteristics and the effect of aerosol on visibility.The results showed that the daily variation of the concentration of aerosol in both sunny and haze in Nanjing showed a bimodal distribution.In haze days, aerosols changed significantly with time, and the peaks of each time were concentrated near 0.1 micrometer.The average spectruma of aerosols in sunny and haze days are both in double peak, and the peak of haze days is higher than that of sunny days.The increasing concentration of aerosol particles leads to the occurrence of haze days and the decrease of visibility, and the contribution rate of mass concentration and volume concentration in the atmosphere of haze is large.In both sunny and haze days in the northern suburbs of nanjing, the spectral distribution pattern of atmospheric aerosol which using Gamma formula is more consistent with the actual results.

Key words:aerosol particles; physical characteristics; visibility; Nanjing

1 引言

1.1 国内外研究现状

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组成的多相体系，大气气溶胶就是指大气中悬浮着的各种固体和液体粒子^[1]，其空气动力学直径为1nm~100，并且能够在大气中停留几个小时及以上。虽然大气气溶胶是微量成分，在整个大气中浓度较低，但其在云雾降水、大气辐射、大气光、电等大气过程中起着重要的作用。气溶胶粒子能作为凝结核、冰核、凝冻核、凝华核等使得云雾滴能够产生并且生存长大；气溶胶粒子一方面能够削弱并将少部分太阳辐射散射回宇宙空间，降低低层大气的温度，另一方面气溶胶层又能吸收太阳辐射而使大气增温；气溶胶的大粒子对阳光的散射和吸收能够影响大气能见度；气溶胶粒子可以吸附大气中的小离子成为大粒子，在大气中形成传导电流；气溶胶粒子多为可吸入性颗粒物，还能被吸入体内并且可能导致人体产生严重的疾病，危害人体健康^[1]。Ibaldmulli等^[2]的研究发现，在质量相同的情况下,细粒子对人体健康有着更大的影响。因此，细粒子的研究应该引起更多的关注。

近年来，我国中东部地区频繁发生严重的雾霾天气，给人们的生活和健康带来了极大的影响。雾霾常见于城市且多出现于秋冬季节，其中气溶胶是引起雾霾天气的重要因子，因此对气溶胶形成、演化以及影响因素等的研究对于预报、治理雾霾具有重要意义，近年来对气溶胶的研究在国际上已经成为热点问题^[3-6]。近几年来南京发生雾霾的频率变高，在全国雾霾严重城市的排名越来越靠前，空气质量达标率逐年下降。霾这种天气现象实际上是大量悬浮的微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体数量的增加，这些气溶胶粒子不仅降低了能见度，也对生物造成了危害。随着经济的发展及城市化的进展加速，人为排放的污染物加剧了霾的生成，因此研究霾天气下气溶胶粒子的物理特征具有重要意义。

大气气溶胶是环境问题中的热点，近年来日益受到人们的关注，国内外也对此进行了大量的研究。杨开甲等^[7]研究发现福州市东郊气溶胶数浓度具有明显的季节性变化特征，最高值出现在冬季，气团输送的季节特征尤为明显；谢劭峰等^[8]发现，从雾霾发生到消失扩散的过程中,对流层延迟与空气质量指数间表现出较强的相关性,随着气压、风速的降低和相对湿度的增大,雾霾发生的概率会增加；吕喆等^[9]研究发现，冬季灰霾形成主要受低温、微风和较高湿度的影响，而夏季则受较高的温度和强光辐射的影响；朱彬等^[10]研究发现，在重庆市中心, 气溶胶表面积浓度和体积浓度的第一峰值所对应的粒径较小, 这表明市中心人为源产生的二次气溶胶细粒子占了较大比例；孙霞等^[11]研究发现，气溶胶在水平方向上的变化远小于其在垂直方向上的变化，且霾天天气条件下同尺度气溶胶数密度谱值比晴天一般高出1个量级以上，细颗粒物的数浓度明显大于粗粒子；Jansen等^[12]研究发现，在杭州有雾期间观测到的能见度比在有霾期间低，PM2.5的质量浓度也低于霾天，这意味着相对湿度的增加在能见度的降低中起着重要的作用。

在中国存在4个灰霾严重地区：黄淮海地区、长江河谷、四川盆地和珠江三角洲。南京市是是我国最重要的工业城市之一，建筑施工、煤炭发电以及汽车尾气的排放形成了复合型污染，再加上秸秆焚烧和其他工业生产的外来大气污染输入,使得大气污染逐年加重。近年来一些科研工作者也对其南京大气气溶胶进行了大量研究：张程等^[13]发现，南京北郊不同污染程度下的阴阳离子均显著相关，且不同污染程度中OC、EC的平均浓度均在重度污染天中达到最高；樊曙先等^[14]研究发现，南京冬季雾区环境的污染水平比降雨天气更高，雾水与雨水大部分元素来自人为源， 雾水中各元素富集因子总体高于雨水；吴丹等^[15]研究发现，南京北郊冬季数浓度远高于春季，霾天气溶胶数浓度大于非霾天，随着霾的污染加重，小于2. 0 粒径的数浓度明显增加，其峰值粒径也表现出向大粒径偏移的趋势；马佳等^[16]研究发现，随着平均相对湿度和PM2.5质量浓度的增大，能见度呈现出减小的趋势；尚倩等^[17]研究了南京冬季大气气溶胶粒子谱分布及其对能见度的影响。

1.2 本文研究内容

本研究使用的观测仪器为宽范围颗粒粒径谱仪（Wide range Particle Spectrometer, 简称WPS），该仪器已被应用于多个地区的气溶胶观测,并为认识这些地区的气溶胶污染特征提供了依据。本研究应用WPS取得的气溶胶粒子谱资料，对气溶胶粒子的尺度谱分布特征以及粒子数浓度变化状况等进行分析，同时结合能见度及其他气象数据，分析了在晴空下晴天与霾天不同天气情况下气溶胶粒子谱的变化状况，以期为南京市大气环境的研究提供一个参考资料。

2资料与方法

2.1观测仪器简介

本文观测所用仪器是由美国MSP公司生产的宽范围粒径谱仪（WPS-1000XP），该设备是一个通用的高分辨率气溶胶光谱仪，它结合了激光颗粒谱仪（LPS）、扫描电迁移率分析仪（DMA）和凝结核粒子计数器（CPC），测量了空气动力学直径为0.01~10粒径范围的气溶胶粒子的直径和数浓度，同时可以计算粒子的质量浓度、体积浓度和表面积浓度。DMA的工作原理是利用动态电场对不同粒径的粒子进行分类，CPC将通过工作液的凝聚和凝结液滴的增长来测量颗粒物的数浓度（CPC是热扩散型的，在这种类型中，丁醇会凝结在取样的粒子上，使其成长为容易被检测到的尺寸），LPS的工作原理是利用经过单个粒子的散射光强度来测量粒子的大小。其中CPC有一个先进的设计，消除了在饱和器中水凝结和收集的传统问题，双储层设计确保将冷凝物收集到一个单独的储层中，以避免在工作流体储层中掺有冷凝水和丁醇，使得CPC能够以快速的预热时间和仪器的响应时间来进行准确的气溶胶浓度测量。扫描电迁移率分析仪（DMA）与凝结核粒子计数器（CPC）是用来测量0.01~0.5的气溶胶粒径分布特征的部分，最多可以测量96个通道范围内的粒子，激光颗粒谱仪（LPS）则可以在24个附加通道中测量0.35~10粒径范围内气溶胶粒子的分布。WPS仪器的采样流量为1.0L/min，其中DMA流量为0.3L/min、LPS流量为0.70L/min。仪器内部配备有干燥罐，当环境的相对湿度gt;80%时，仪器外接干燥剂管道，将仪器内部的相对湿度控制到50%以下。

WPS提供了5种不同的操作模式：WPS、SWS（本研究所用模式）、DMS、SMS、LPS。DMS和SMS操作模式使用一个紧密的扫描电迁移率分析仪（DMA）来精确控制流量和电压，并通过压力和温度补偿来提供精确的颗粒测量。层流单元（LFE）测量了DMA的清洁鞘气流量，并重新循环以提供稳定的流量以改善DMA的响应。DMA气溶胶出口流量是用CPC下游的一个小流孔来测量的。DMA流量由采用主动速度控制的密封旋转叶片泵控制，以保持流量设定点（即3.0L/min或4.5L/min的鞘气流，0.300L/min或0.450L/min的气溶胶流）。根据DMA理论，气溶胶与鞘空气流量的比值保持在0.100，以确保高粒度分辨率。LPS模式操作依赖于实时粒子的大小和计数，使用广角光散射检测器和相关的电子器件来同时检测和排序通过传感器的观察卷的粒子产生的脉冲。LPS的气溶胶采样流率为0.70/min，周围环绕着的鞘空气流速为3.0/min。这些流量是由层流流量计测量的，并以与DMA流速率相同的方式进行控制。

2.2实验地点与时间

为了加强对南京北郊晴空天气大气气溶胶物理特性的认识，本研究选定的观测点在南京北郊，内的中国气象局综合观测培训实习基地，地处南京市北郊的盘城镇，偏东方向约3km处有南京发电厂、南京钢铁集团以及扬子石化等大型化工、能源企业，这些企业在生产期间每天都会向空气中排放大量的细颗粒物，此外观测点东面同时紧邻交通要道宁六公路，汽车尾气会排放大量颗粒物。

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