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目 录

1.引言 1

1.1研究意义 1

1.2研究方法 1

1.3国内外研究进展 2

1.4本文主要内容 2

2 仪器及原理方法介绍 2

2.1 观测地点资料 2

2.2 颗粒物监测仪仪器介绍及原理说明 3

2.3 气溶胶吸收特性的测量仪器及原理方法 3

2.3.1 黑碳仪简介 3

2.3.2 工作原理及计算方法 4

2.4 气溶胶散射特性测量仪器及原理 5

2.4.1 M9003型积分浊度仪简介及基本理论 5

2.4.2 M9003浊度计测量原理 6

3 2009年全年各观测结果分析 6

3.1 颗粒物质量浓度分析 6

3.1.1 颗粒物浓度全年结果分析 6

3.1.2 颗粒物质量浓度的影响因子分析 7

3.1.3 黑碳质量浓度及其影响因子分析 10

3.1 气溶胶光学特性分析 13

3.2.1 散射系数及其影响因子分析 13

3.2.2 吸收系数及其影响因子分析 16

3.2.3 吸收系数和散射系数相关性分析 17

3.2.4 春季消光系数分析 18

4 结论 19

参考文献 20

致谢 21

半干旱区草原气溶胶光学特性及影响因子研究

蔡仕博

，China

Abstract：Using the data of Particulate Monitor field to monitor the concentration of particulate matter, integrating nephelometer to get scattering coefficient and aethalometer to observe black carbon concentration and absorption coefficient in Xilinhot National Climate Observatory at 2009,the particle mass concentration and extinction coefficient the extinction were analyzed. The results shows that:1. Particle mass concentration is affected by weather conditions. Sand and dust weather makes a significant increase in concentration otherwise rain and snow weather can effectively clean the air. 2. The relative humidity was negatively correlated with the particle mass concentration in spring. 3. The correlation between black carbon concentration and PM_1.0 was highest in spring. 4. The monthly mean value of the scattering coefficient is higher in spring and winter than in summer and autumn. The particle mass concentration and scattering coefficient are very high in spring. The correlation coefficient of PM_1.0 was highest with 0.91. 5. Absorption coefficient and scattering coefficient were positively correlated in spring, R²=0.59. The scattering coefficient accounts for 82% of the extinction coefficient in which absorption coefficient only figures 18%.

Key words：Mass concentration; Scattering coefficient; Black carbon concentration; Absorption coefficient; Relative humidity

1.引言

1.1 研究意义

大气气溶胶通常有如下定义：液体或者固体微粒均匀散布在大气成分中形成的较为稳定的悬浮体系。空气动力学直径在10^-3-10² μm间的液滴或固态粒子通常可以称为颗粒物^[1]。颗粒物的化学构成复杂，是大气环境中危害最大的污染物之一^[2]。可依照空气动力学等效直径的大小将颗粒物分成四类：总悬浮颗粒物、PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0，它们的空气动力学等效直径依次小于等于100、10、2.5、1.0μm。

大气气溶胶能够直接或间接地影响着全球环境以及气候变化，这主要是通过散射和吸收作用影响到达地球的太阳辐射从而在整体上改变整个地气循环系统的辐射平衡^[3]。气溶胶对光波的吸收和散射作用使得光波能量衰减，这一衰减过程对生物的起源起到重要作用。散射指的是气溶胶粒子以相同的波长再辐射已经接收的能量，这种再辐射具有方向性，它可以在所有方向上产生，但是强度随着方向变化而改变。吸收则可以定义为气溶胶粒子接收到来的太阳辐射，同时辐射能量转化成其它形式的能例如热能、化学能或不同波长的辐射。吸收作用使得能量转换成热能，这在加热大气方面起到重要作用。目前使用散射系数和吸收系数作为度量单位来度量散射和吸收特性，通常单位为Mm^-1。散射系数和吸收系数之和则称为消光系数。所以消光系数可以作为一个单位量来直接衡量气溶胶粒子对太阳辐射影响标准^[4]。

目前，可吸入颗粒物（主要为PM_2.5）引发的健康问题受到大众的广泛关注^[5]。细颗粒物较之粗颗粒物更容易进入人体肺部造成炎症致使人体损伤。常见的雾霾天气，颗粒物浓度较高，若人们未带口罩等保护工具，吸入大量气溶胶粒子会对人体健康产生威胁。气溶胶不仅对人体健康产生影响，同时对气候又有相当程度的影响^[6]。气溶胶对气候的影响主要体现在以下两个不同方面。第一个方面是直接效应：到达地面的太阳辐射随着反射作用的增强而减弱，同时由于其消光作用改变对大气的辐射加热^[7]；第二个方面是间接效应：大气气溶胶粒子可以作为云凝结核(CCN)，通过增加微滴数量，云的光学厚度和云层反射率会得到相应增长，同时也会影响云的寿命还有平均云量^[8]。因此，大气气溶胶在研究大气辐射和大气气候变化方面尤为重要^[9]。

1.2 研究方法

大气气溶胶属于地气系统中至关重要的组成成分之一。气溶胶粒子的尺度、形状、组成成分、数浓度、质量浓度和表面积浓度等相关参数都会影响大气气溶胶的光学特性^[10]。研究大气气溶胶的光学特性，主要从研究大气气溶胶的自身物理特性入手，研究其质量浓度、数浓度等等特征。其中浓度测量中主要考虑气溶胶的密度和其中水分含量。质量浓度的测量测量方法主要有两种：滤膜采样称重法和仪器测量法。应用较为广泛的为后者，目前主要使用颗粒物质量监测器。数浓度也可使用颗粒物质量监测器进行测量。

针对小范围区域内气溶胶光学特性的观测研究，主要研究其散射特性、吸收特性。研究散射特性目前使用较为广泛的仪器为前向积分浊度仪和前向散射能见度仪。前者主要用来测定气溶胶散射系数。后者主要通过测量大气前向散射推算大气消光系数从而获得大气能见度的仪器。测量气溶胶粒子的光吸收特性的测量方法主要有以下三种：（1）光声光谱法。（2）积分片法。（3）反演方法。反演方法主要以测量碳元素为主，因为其是大气气溶胶中的主要吸光物质，所以测量气溶胶中碳元素的含量可以用来反演气溶胶的吸收特性。

针对大范围区域，直接测量方法难以满足需求，通常使用遥感测量方法。遥感测量方法可分为两种：主动遥感和被动遥感。主动遥感方法主要通过激光雷达获得气溶胶垂直分布信息、通过卫星遥感探测偏远地区。被动遥感方法主要使用太阳分光光度计测量光学厚度、利用消光小角散射法遥感气溶胶谱分布特征。

1.3 国内外研究进展

一切气溶胶光学特性的研究，都基于19世纪末20世纪初英国科学家Rayleigh和德国科学家Mie建立起的瑞利散射和米散射理论体系。这解释了许多气体光学问题，为之后气溶胶光学特性的研究打下了基础。

国内从20世纪70年代开始研究气溶胶光学特性，这也是国际上开展黑碳气溶胶的研究的时间，国内对黑碳气溶胶的研究则基本始于1990s。如今，对各地区各类型气溶胶光学特性的研究已经有很多。

目前国内较为前沿的研究方向有一条是研究相对湿度及颗粒物浓度与大气能见度间的关系。相对湿度（RH）对能见度影响较大，然而其与大气颗粒物浓度之间的关系目前还有待研究。由于分辨率的不同（如时平均和日平均）、地区的不同，相对湿度与颗粒物浓度之间的相关性区别很大。董继元^[11]等分析了兰州市RH和PM₁₀同大气能见度间的联系，认为PM₁₀同RH呈显著线性负相关，不同RH区间内能见度与两者关系并不相同。龚识懿^[12]等分析了上海市RH和PM₁₀同大气能见度间的关系，同样认为PM₁₀同RH呈显著线性负相关。杜荣光^[13]等综合杭州国家气候站2011年-2013年的资料，对杭州地区颗粒物PM_2.5与相对湿度同大气能见度间的关系作出整理总结，认为不同RH区间内PM_2.5对大气能见度的影响不同。

1.4本文主要内容

(1)锡林浩特观测台2009年全年三种颗粒物质量浓度日平均值变化、散射系数日变化及月变化特征、黑碳浓度日变化、吸收系数。

(2)春季颗粒物质量浓度与散射系数、黑碳浓度与颗粒物质量浓度、相对湿度与颗粒物质量浓度及消光系数相关性分析。

2 仪器及原理方法介绍

2.1 观测地点资料

观测地点为锡林浩特国家气候观测站(43°57′N,116°07′E)，该观测站地理位置处于锡林浩特市东北25公里，位于锡林郭勒盟草原腹地，平均海拔高度为988.5 m，年平均降水量不到300毫米，属温带半干旱大陆性季风气候区。地形地貌主要以典型草原为主，站点附近地貌主要为平缓的波状平原，属于半干旱区草原。该地区经济来源主要是畜牧业，属于牧业经济，并且工业污染源较少。站点附近下垫面主要为植被，天然牧草覆盖地表。

2.2 仪器介绍及原理说明

本次研究所采用的数据来源于该观测站设备，主要使用仪器有以下三种：GRIMM180颗粒物监测仪、AE31黑碳仪、M9003积分浊度仪。其中颗粒物监测仪主要用来测量气溶胶质量浓度，黑碳仪用来测量黑碳浓度以及推算吸收系数，积分浊度仪主要用来测量散射系数。

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