北京霧霾天氣期間氣溶膠光學(xué)特性

北京霧霾天氣期間氣溶膠光學(xué)特性

霧是由存在于附近空氣中的微蒸餾水或冰晶組成的水晶性氣體組成的。在霧中，空氣中的蒸汽達(dá)到（或接近）飽和（通常相對濕度為90%）。藍(lán)色是指漂浮在空氣中的大量微砂、煙灰缸和鹽粒的集合，使空氣渾濁，并將水平能見度降低到10km以下的天氣現(xiàn)象。一般來說，相對濕度為80%。霧和霧天氣不僅會降低能見度，還會嚴(yán)重影響正常的工農(nóng)業(yè)活動和交通。許多學(xué)者對城市霧、霾的氣候特征、微物理特征及其理化特性等方面進(jìn)行了較多研究1觀測站點(diǎn)和數(shù)據(jù)資料北京位于華北平原的西北邊緣,背靠太行山余脈和燕山山脈.氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,其主要特點(diǎn)是四季分明.春季多風(fēng),夏季炎熱多雨,秋季晴朗溫和,冬季寒冷干燥,春季受到塔克拉瑪干沙漠以及渾善達(dá)克和毛烏素等沙地的影響,偶爾會出現(xiàn)沙塵天氣.本研究中的觀測點(diǎn)設(shè)于中國科學(xué)院大氣物理研究所樓頂(39.977°N,116.38°E),海拔約92m,周圍主要以交通污染為主.本研究中的數(shù)據(jù)來自AerosolRoboticNetwork(AERONET)觀測網(wǎng)站.AERONET是美國國家航空宇航局(NASA)組建的全球地基觀測氣溶膠、自動化程度較高的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).觀測所用儀器是法國CIMEL公司制造的CE318型太陽-天空掃描光譜輻射計(jì),該儀器在氣溶膠光學(xué)特性的觀測中應(yīng)用非常廣泛,并取得了許多成果2結(jié)果與分析2.1光學(xué)性能分析氣溶膠光學(xué)厚度(aerosolopticaldepth,AOD)是衡量氣溶膠粒子對太陽輻射衰減強(qiáng)弱能力的一個(gè)重要參數(shù),能夠反映整個(gè)大氣柱的氣溶膠含量,是評價(jià)大氣污染的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo).一般來講,AOD值越小,大氣越清潔;反之,AOD越大,大氣越渾濁.圖1為北京霧霾天氣期間氣溶膠光學(xué)厚度隨波長的變化情況.從中可以看出,霧霾天氣條件下氣溶膠光學(xué)厚度隨波長增大而減小,說明污染事件期間氣溶膠粒子對太陽光的衰減具有波長選擇性.在波長440nm時(shí)平均氣溶膠光學(xué)厚度達(dá)到1.34,高于2002~2007年北京夏季最大季節(jié)平均AOD(0.98)Angstrom波長指數(shù)(α)是衡量氣溶膠粒子大小的一個(gè)重要光學(xué)參數(shù),其值越大,說明粒子越小,反之亦然.對于分子而言,α最大可達(dá)到4;而粗粒子或超粗粒子的α可以低至零甚至為負(fù)值.圖2給出了北京地區(qū)霧霾天氣下Angstrom波長指數(shù)(440~870nm)與氣溶膠光學(xué)厚度(440nm)之間的關(guān)系.AOD>1.6的高氣溶膠光學(xué)厚度出現(xiàn)頻率約為從中可知,北京霧霾天氣下Angstrom波長指數(shù)通常表現(xiàn)出較高值,波動范圍在0.43~1.46之間.當(dāng)AOD>0.5時(shí),α通常高于0.9并保持在0.9~1.4左右.AOD和α的關(guān)系在霧霾天氣與沙塵天氣時(shí)不同圖3給出了北京地區(qū)霧霾天氣期間的氣溶膠光學(xué)厚度(440nm)和Angstrom波長指數(shù)(440~870nm)的頻率分布.從中發(fā)現(xiàn),霧霾天氣期間的氣溶膠光學(xué)厚度有較寬分布,約有93%的AOD分布在0.4~2.6之間;而70%的AOD集中在0.4~1.6之間;30%.Angstrom波長指數(shù)的頻率分布在0.4~1.5之間,說明有不同類型的氣溶膠存在.約有86%的α集中在0.95~1.3之間,α>0.9的出現(xiàn)頻率達(dá)到了94%,說明北京地區(qū)霧霾天氣期間氣溶膠粒子主要以細(xì)粒子為主.2.2氣溶膠粒度分布?xì)馊苣z粒子譜分布是計(jì)算氣溶膠粒子輻射強(qiáng)迫和研究氣溶膠氣候效應(yīng)的基本輸入?yún)?shù),不同類型的氣溶膠具有不同的粒度分布特征.圖4給出了半徑為0.05μm≤r≤15μm范圍內(nèi)的22個(gè)粒子尺度的氣溶膠體積譜分布,從中可發(fā)現(xiàn)霧霾天氣下氣溶膠體積譜表現(xiàn)出明顯的雙峰分布,對每一個(gè)模態(tài)可由以下對數(shù)正態(tài)分布描述:式中,dV/dlnr為體積尺度譜分布;C2.3單次散射反照率氣溶膠粒子的單次散射反照率(singlescatteringalbedo,ω)是反映氣溶膠粒子總消光中散射所占比例的一個(gè)重要光學(xué)參數(shù),是評估氣溶膠氣候效應(yīng)的關(guān)鍵變量之一.單次散射反照率的大小主要取決于氣溶膠粒子的成分、形狀、面積譜和濃度等因素.圖5為北京霧霾天氣期間不同氣溶膠光學(xué)厚度情況下平均單次散射反照率隨波長的變化情況.在任一光學(xué)厚度情況下,霧霾天氣期間單次散射反照率隨波長增大表現(xiàn)出先增大后減小趨勢,在波長675nm時(shí)的單次散射反照率達(dá)到最大,平均值為0.91,表明霧霾天氣時(shí)氣溶膠粒子在這一波長下參與了更強(qiáng)烈的散射.在波長440nm時(shí)平均ω為0.89,相似于MexicoCity3氣溶膠特性分析(1)北京地區(qū)霧霾天氣期間氣溶膠光學(xué)厚度表現(xiàn)出較高值,這主要是由于霧霾天氣發(fā)生時(shí)穩(wěn)定的天氣形勢非常有利于顆粒物積累,從而造成的高濃度氣溶膠污染事件所致.霧霾天氣下Angstrom波長指數(shù)也表現(xiàn)出較高值,其主要范圍分布在0.43~1.46之間;當(dāng)AOD>0.5時(shí),波長指數(shù)通常>0.9.AOD和Angstrom波長指數(shù)之間的關(guān)系很可能為識別和估計(jì)不同源區(qū)氣溶膠特性提供一種方法.(2)北京地區(qū)霧霾天氣條件下,約有93%的AOD分布在0.4~2.6之間;其中70%的AOD集中在0.4~1.6之間;約有86%的Angstrom波長指數(shù)集中在0.95~1.3之間,說明北京霧霾天氣期間氣溶膠粒子主要以細(xì)粒子為主.(3)氣溶膠體積譜分布表現(xiàn)出明顯的雙峰型結(jié)構(gòu),細(xì)模態(tài)的平均峰值半徑隨AOD增大而增大,而粗模態(tài)的平均峰值半徑隨AOD增大而減小.AOD的大小使得氣溶膠粒子尺度譜中的主模態(tài)峰不同.細(xì)模態(tài)的體積濃度也隨AOD增大而增高,如AOD為2.53時(shí)的體積濃度是0.52時(shí)的5