臨安大氣本底站2017年氣溶膠散射特性觀測研究

徐曉飛 單萌

(臨安區(qū)域大氣本底站，浙江 杭州 311300)

0 引 言

氣溶膠是指懸浮在氣體中的固體和(或)液體微粒與氣體載體共同組成的多相體系。相應(yīng)的，大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系[1]。其空氣動力學(xué)粒徑通常為0.003～100 μm[2]。在自然干潔大氣中，大氣氣溶膠的質(zhì)量濃度在1 μg·m-3以下，在城市污染大氣中，氣溶膠質(zhì)量濃度可達(dá)到每立方米幾毫克。[3]氣溶膠主要通過吸收和散射太陽輻射來影響地球的輻射平衡和氣候變化，又可以作為云凝結(jié)核改變云微物理過程[4-5]。同時，大量的氣溶膠粒子存在會降低城市的大氣能見度[6]，且以亞微米為主的氣溶膠粒子可以深入人體的呼吸系統(tǒng)，嚴(yán)重危害人體健康[7]。

對氣溶膠散射和吸收特性的度量就是氣溶膠的散射系數(shù)和吸收系數(shù)，這兩個系數(shù)之和為氣溶膠的消光系數(shù)。在一般地區(qū)，顆粒物散射消光系數(shù)大于或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒物吸收消光系數(shù)，即相對于顆粒物的散射作用，其吸收作用對氣溶膠消光作用的貢獻(xiàn)較小[8-9]。因此，測量顆粒物的散射系數(shù)能較好得估計氣溶膠對總消光系數(shù)的貢獻(xiàn)，反映大氣氣溶膠濃度。濁度儀作為一種氣溶膠散射系數(shù)的監(jiān)測儀器，能很好地對大氣氣溶膠的散射系數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。早在20世紀(jì)50年代，國外研究人員研究發(fā)明了第一臺積分式濁度儀，并在之后的幾十年進(jìn)行了研究觀測與優(yōu)化改進(jìn)[10-11]。近年來國內(nèi)也開始應(yīng)用積分式濁度儀進(jìn)行氣溶膠散射系數(shù)的觀測[12]。本文主要利用2017年杭州市臨安大氣本底站濁度儀的觀測資料探討分析臨安大氣本底的氣溶膠的散射特性，以及與顆粒物濃度、能見度、降水的觀測資料進(jìn)行對比綜合分析。

1 觀測場地

本實驗所用的觀測儀器均位于臨安區(qū)域大氣本底站。臨安站是中國氣象局參照世界氣象組織全球大氣觀測網(wǎng)(GAW)對大氣成分本底區(qū)域變化監(jiān)測的要求，于20世紀(jì)80年代初最早建設(shè)的3個區(qū)域大氣本底站之一。其站地理位置為119°45′E，30°18′N，海拔138.6 m，位于浙江省西北部，距杭州主城區(qū)西北面約50 km，距臨安主城區(qū)東北面約10 km。其氣候?qū)僦芯暥葋啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和。此外還處于長三角經(jīng)濟區(qū)的西南翼，常年主導(dǎo)風(fēng)向北北東，可以較好地捕捉經(jīng)由長三角城市群的混合氣流，其觀測數(shù)據(jù)對評價長三角地區(qū)的大氣本底環(huán)境狀況具有良好代表性[13]。大氣本底監(jiān)測是利用相對“清潔”地區(qū)的大氣成分進(jìn)行系統(tǒng)的觀測，獲取有關(guān)大氣中化學(xué)組分及相關(guān)物理特性的變化信息，從而評估大氣環(huán)境質(zhì)量，研究環(huán)境、氣象、生態(tài)等科學(xué)問題，為政府制定環(huán)境外交政策和可持續(xù)發(fā)展提供準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)性科學(xué)數(shù)據(jù)。

2 觀測儀器及原始數(shù)據(jù)選取

2.1 觀測儀器和儀器實驗資料

散射系數(shù)觀測所用儀器為澳大利亞ECOTECH公司的M9003型積分式濁度儀。PM10數(shù)據(jù)為美國R&P公司生產(chǎn)的TEOM-1400a大氣顆粒物質(zhì)量濃度檢測儀的觀測資料，PM1.0和PM2.5數(shù)據(jù)為TEOM-1405D的觀測資料。能見度(VIS)數(shù)據(jù)為Vaisala公司生產(chǎn)的FD12型能見度儀的觀測資料。

實驗中M9003所使用的光源波長為525 nm。儀器安放在室內(nèi)，進(jìn)氣管通過金屬管延伸至房頂，采樣口里平臺屋頂1.5 m，且經(jīng)過防蟲處理。儀器觀測中，每天世界時0點自動進(jìn)行零點檢查，每10 d人工進(jìn)行跨點檢查。當(dāng)儀器零點檢查值超過允許范圍(0.937跨點值±1%)或者跨點檢查值超過允許范圍時(4.66跨點值±5%)時，對儀器進(jìn)行全校準(zhǔn)。在相對濕度>60%的情況下，由于氣溶膠粒子的親水增長特性，顆粒物的粒徑和形狀會發(fā)生明顯的變化，從而會引起光散射能力的增強[14]。因此通過開啟儀器的加熱進(jìn)氣管裝置，使測量腔內(nèi)的相對濕度保持盡可能在60%以下。在2017年觀測中，分別利用了干潔空氣、R-134a氣體進(jìn)行了5次全校準(zhǔn)標(biāo)定，標(biāo)定時所得的干潔空氣和R-134a的散射系數(shù)如表1所示。

表1 2017年濁度儀的標(biāo)定系數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)選取

濁度儀每5 min記錄一次5 min平均總散射系數(shù)。在2017年1月1日到12月31日期間，由于常規(guī)維護(hù)中斷觀測，經(jīng)過篩選后，共采集99244個有效樣本數(shù)據(jù)，有效天數(shù)357 d。TEOM-1400a大氣顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測儀每5 min記錄一次5 minPM10平均濃度，數(shù)據(jù)有效天數(shù)為364 d。TEOM-1405D每5 min記錄一次5 minPM1.0和PM2.5平均濃度，數(shù)據(jù)有效天數(shù)為355 d。FD12型能見度儀每15 s記錄一次能見度，數(shù)據(jù)有效天數(shù)為365 d。

3 結(jié)果分析

3.1 散射系數(shù)與顆粒物濃度的相關(guān)性分析

圖1為臨安本底站2017年散射系數(shù)、PM1.0、PM2.5、PM10的月變化圖。從圖1中可以看出，散射系數(shù)與PM1.0、PM2.5、PM10的變化趨勢基本保持一致，在空氣相對濕度不超過60%的環(huán)境下，散射系數(shù)基本上隨著3種粒徑的顆粒物濃度升高而變大，隨著顆粒物濃度的降低而減小。并且4組數(shù)據(jù)均在冬季總體水平較高，夏季則水平較低。對散射數(shù)據(jù)與3種不同粒徑的顆粒物進(jìn)行相關(guān)性分析，如表2所示?？梢娚⑸湎禂?shù)與PM1.0、PM2.5、PM10均通過顯著性檢驗，存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

表2 散射系數(shù)與PM1.0、PM2.5、PM10的相關(guān)性分析

圖1 臨安本底站散射系數(shù)、PM1.0、PM2.5、PM10月變化

圖1中，我們發(fā)現(xiàn)在4、5和10月散射系數(shù)并未隨著PM1.0、PM2.5、PM10的濃度的上升而升高。分析認(rèn)為，這種情況因為臨安本底站周圍4、5月大量馬尾松的松花粉混合在大氣中，導(dǎo)致顆粒物濃度升高，而可能是花粉型氣溶膠的形狀和粒徑與其他氣溶膠差異較大，其散射特性相比較弱，從而出現(xiàn)散射系數(shù)并未隨著顆粒物濃度上升而升高。9月份的氣溶膠濃度相比10月份較低，散射系數(shù)反而明顯更大，是因為9月份與10月份的樣品空氣平均相對濕度差異較大。9月份樣品空氣相對濕度為59.81%，9月份樣品空氣相對濕度超過60%有16 d，超過70%的有1 d，10月份樣品空氣相對濕度為46.75%，超過60%的有5 d，從而導(dǎo)致9月份的散射系數(shù)比10月份有明顯增大。這也和Junge C[14]等人的觀點一致，即在相對濕度>60%的情況下，氣溶膠的散射特性會明顯增強。

3.2 散射系數(shù)的日變化特征

圖2 臨安本底站散射系數(shù)日變化

圖2為臨安本底站2017年散射系數(shù)日變化。散射系數(shù)的小時平均值為145.8 mm-1，最小值出現(xiàn)在15：00，為125.8 mm-1，最大值出現(xiàn)在20：00，為156.5 mm-1?？梢钥闯觯煌治坏纳⑸湎禂?shù)日變化特征基本保持一致。白天低，且變化明顯，夜間高，但基本維持穩(wěn)定。日變化特征表現(xiàn)為明顯的雙峰單谷型。早上7：00—8：00點時，出現(xiàn)一天中的第一個高峰。之后逐漸下降，到14：00—15：00點達(dá)到一天中的極小值。隨后再次升高，并在20：00達(dá)到第二個高峰，夜間散射系數(shù)基本保持小范圍震蕩波動。其變化規(guī)律也基本與同緯度地區(qū)許建明等[15]的研究稍有不同，上海峰谷值出現(xiàn)的時間相比臨安延后1 h左右。對比散射系數(shù)的平均值與25、50、75分位線，變化規(guī)律基本保持一致。25分位的波動程度最小，75分位的波動程度最大。說明相對污染嚴(yán)重的天氣，其日變化更為劇烈。

散射系數(shù)的日變化特征可能是由于邊界層的演變和人為污染物的排放。早晨，受地面逆溫層影響，空氣對流較弱，污染物難以擴散。這也正是早高峰出行時期，地面機動車排放量增多，氣溶膠濃度變大，散射系數(shù)達(dá)到高峰。隨著太陽輻射增強，地面逆溫層受到破壞，氣溫升高，地面垂直對流逐漸變強，散射系數(shù)迅速下降。當(dāng)?shù)?4：00時，氣溫達(dá)到峰值，散射系數(shù)也達(dá)到谷點。隨著氣溫開始回落，大氣層結(jié)開始趨于穩(wěn)定，地面上空再一次形成有限的混合層，邊界層高度開始降低，同時伴隨著晚高峰機動車的到來，散射系數(shù)開始逐漸升高，而夜間大氣層結(jié)多處于穩(wěn)定狀態(tài)，容易出現(xiàn)逆溫，隨著時間的推移，逆溫強度也在不斷增強，導(dǎo)致氣溶膠難以擴散，因此造成了散射系數(shù)在夜間仍然維持在高位。

3.3 散射系數(shù)年變化特征

圖3 臨安本底站散射系數(shù)及error bar月變化

2017年臨安本底站年平均散射系數(shù)為145.8 mm-1，標(biāo)準(zhǔn)差為97.9 mm-1。由圖3可見，月平均散射系數(shù)變化介于68.3 mm-1～222.4 mm-1，其中最低值出現(xiàn)在8月，為68.3 mm-1，標(biāo)準(zhǔn)差為34.4 mm-1。最高值出現(xiàn)在12月，為222.4 mm-1,標(biāo)準(zhǔn)差為100.2 mm-1。1—8月，散射系數(shù)均呈現(xiàn)逐月下降趨勢，8—12月，散射系數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢。冬季(12、1、2月)散射系數(shù)明顯大于夏季(6、7、8月)。這主要是由3個原因?qū)е拢皇悄鏈噩F(xiàn)象。在對流層大氣中，平均情況下溫度隨高度的升高是降低的。但也經(jīng)常在某些層次出現(xiàn)氣溫不隨高度變化或隨高度的升高反而增高的現(xiàn)象。氣象上把溫度不隨高度變化的大氣層稱為等溫層，而把溫度隨高度的升高而增高的大氣層稱為逆溫層。從熱力學(xué)的角度看，無論是等溫層還是逆溫層都表示大氣層結(jié)是穩(wěn)定的，如果它們出現(xiàn)近地面附近時，則會限制貼地氣層強烈亂流運動的發(fā)生，如果它們形成在對流層中某一高度上，則又會阻礙下方垂直運動的發(fā)展[16]。根據(jù)杜榮光等的研究，杭州地區(qū)冬季逆溫層發(fā)生的頻率遠(yuǎn)大于夏季，并且冬季的平均逆溫層厚度也比夏季的厚度要大[17]。從而導(dǎo)致冬季比夏季污染物就更難擴散。二是夏季氣旋活動頻繁，水汽輸送好，利于產(chǎn)生降水，較頻繁的降雨及大風(fēng)天氣，有利于氣溶膠的擴散和清除。而與夏季的暴雨相比，冬季氣團(tuán)干燥，不利于形成降水，降雨量少且持續(xù)時間較短，風(fēng)速和風(fēng)力較小，濕沉降效果不明顯，導(dǎo)致氣溶膠濃度居高不下，散射系數(shù)較大。三是相比夏季，冬季由于氣溫降低，使得參與汽車發(fā)動機循環(huán)工作的氣體壓力的溫度不高，混合氣體的燃燒速度降低，汽油不完全燃燒比例增大，機動車尾氣排放增加，導(dǎo)致大氣氣溶膠濃度增大，散射系數(shù)增大。

臨安站的日平均散射系數(shù)最高值出現(xiàn)在1月2日，為635.4 mm。最低值出現(xiàn)在10月15日，為4.7 mm-1。超過500 mm的天數(shù)共5 d(1月2日、3日、4日、9月25日、12月30日)，低于25 mm-1的天數(shù)共5天(6月24日、7月10日、9月28日、10月15日、10月16日)。夏季的散射系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差明顯低于冬季，秋冬季的散射系數(shù)波動程度較為強烈，尤其是冬季1月份，整個年平均變化特征呈單谷型。這與北京上甸子的季節(jié)變化特征大不相同。上甸子表現(xiàn)為夏季散射系數(shù)的平均水平要高于其他季節(jié)，冬季散射系數(shù)則為全年最低[18]。

3.4 散射系數(shù)與能見度(VIS)的模型分析

根據(jù)的能見度(VIS)與相對濕度的關(guān)系，高濕度是影響能見度的一個重要因子。在能見度<10 km，相對濕度<90%時，排除降水、吹雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙判定為霾。所以把全年相對濕度大于90%的天數(shù)去除后，作出臨安站2017年散射系數(shù)與能見度的日均值散點圖(圖4)。利用冪函數(shù)來擬合兩者之間的關(guān)系。擬合結(jié)果如表3所示。模型公式為V=176093.038*σscat-0.614(V表示能見度，單位m)。散射系數(shù)與能見度的關(guān)系通過顯著性檢驗(P<0.01)，具有高度的負(fù)相關(guān)冪函數(shù)關(guān)系。即隨著散射系數(shù)增大，能見度不斷降低。尤其在霾期間(VIS<10.0 km)，擬合曲線斜率較大，散射系數(shù)對能見度的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非霾期間的。利用擬合函數(shù)反演，當(dāng)能見度為10 km時，散射系數(shù)為106.9 mm-1。因5 km及以下的樣本較少，擬合函數(shù)并不適用。

圖4 臨安本底站散射系數(shù)與能見度散點圖

表3 散射系數(shù)與能見度冪函數(shù)擬合分析

應(yīng)變數(shù)：能見度；自變數(shù)：散射系數(shù)

根據(jù)霾的觀測與預(yù)報等級[19]劃分的霧霾等級，統(tǒng)計不同等級霧霾對應(yīng)的散射系數(shù)，如表4所示。

表4 不同等級霾對應(yīng)的散射系數(shù)

在相對濕度小于90%的天里，臨安本底站的霾和非霾天數(shù)幾乎各占一半，且霾主要以輕微和輕度霾為主，中、重度霾很少發(fā)生，一共只有11 d。因為上表中的中位數(shù)與平均數(shù)非常接近，故下述數(shù)據(jù)以平均數(shù)為準(zhǔn)。其中非霾時的平均散射系數(shù)為95.7 mm-1，輕微霾為161.2 mm-1，輕度霾為261.4 mm-1，分別是非霾的1.68和2.73倍。發(fā)生中、重度霾時，散射系數(shù)一般都比較大，是非霾的4.0和4.3倍，最大值為635.4 mm-1，是非霾是平均數(shù)的6.6倍。所以，霾期間氣溶膠散射系數(shù)的上升是造成能見度下降的重要原因。

4 結(jié) 語

1)散射系數(shù)與PM1.0、PM2.5、PM10均存在顯著正相關(guān)關(guān)系。在空氣相對濕度超過60%時，氣溶膠的散射特性會明顯增強。

2)散射系數(shù)的日變化呈現(xiàn)明顯的雙峰單谷型。早晨8:00左右出現(xiàn)第一個峰值，下午14:00左右出現(xiàn)谷值，下午20:00左右出現(xiàn)次峰。白天受天氣和機動車排放影響，波動幅度較大。夜間則小范圍震蕩變化，相對穩(wěn)定。

3)2017年全年臨安本底站年平均散射系數(shù)為145.8 mm-1(±97.9 mm-1)。冬季較高且波動范圍大，夏季較低且波動范圍小。這是逆溫現(xiàn)象、氣候條件、人為大氣污染物排放的共同結(jié)果。

4)能見度與散射系數(shù)具有顯著冪函數(shù)關(guān)系，隨著散射系數(shù)增大，能見度不斷降低。通過擬合，臨安本底站到達(dá)霾的臨界點(VIS<10 km)的散射系數(shù)為106.9 mm-1，擬合函數(shù)為V=176093.038*σscat-0.614。霾期間氣溶膠散射系數(shù)的上升是造成能見度下降的重要原因。