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北京城市大气气溶胶光学特性观测研究

张勇  
【摘要】:大气气溶胶在全球和区域气候变化中扮演着重要角色,它不仅对地-气系统辐射收支和降水的形成与分布产生重要影响,而且作为城镇地区重要的大气污染物,有其显著的环境效应。随着经济的发展和城市化进程的日益加快,以北京为中心的环渤海地区区域大气复合污染问题日趋严重,严重影响人类生存环境。对该地区大气气溶胶进行长期有效的观测,了解区域大气复合污染下气溶胶光学特征,为改善大气能见度、制定有效的大气污染协同防控策略以及经济可持续发展计划提供部分科学的环境基础数据,对评估该地区乃至东亚地区气溶胶辐射强迫、了解区域气候变化至关重要。 本研究选取北京城区为研究对象,于2010年10-12月对北京大气气溶胶散射系数(σs)、吸收系数(σs)、光学厚度(AOD)等光学特性以及气溶胶谱分布进行了连续观测。本文对大气气溶胶散射系数、吸收系数、单次散射反照率(SSA)以及AOD等光学参数的逐日变化、日变化进行了讨论,重点研究了不同主控风向下气溶胶光学参数之间的关系、不同控制条件下Angstrom指数(α)和AOD关系以及气溶胶类型对气溶胶光学特征的影响,以揭示影响北京气溶胶SSA主控因子以及北京污染天气气溶胶光学特征。主要结论归纳如下: 观测期间,北京气溶胶光学参数波动很大,σs和σa平均值分别为438.2±507.3和128.6±124.1Mm-1,SSA平均值为0.72±0.08。AOD、Angstrom指数、浑浊度系数的平均值分别为0.5±0.69、0.95±0.33、0.24±0.31。σs的日变化特征不是很明显,夜间散射系数高于白天;σa最小值出现在下午15:00左右,而峰值出现在21:00-22:00左右。后向散射比(Ratio)呈双峰分布,夜间低于白天;SSA峰值的出现在15:00。对于大气柱气溶胶的光学特征,非污染天,AOD变化较小,峰值出现在15:00,但大气中细粒子含量相对较高;污染天,AOD波动很大,没有明显的日变化,颗粒物以细粒子为主。 观测期间,σs和σa具有类似的变化趋势,除此之外其他气溶胶光学参数之间没有发现简单的相互关联,也不存在任何主导的控制因子,特别是在西南风(SW)控制下;散射系数Angstrom指数(αn)随着σs的增大而减小,Ratio与αn的变化是一致的;在EEN和NW主控风向下,散射系数增大的幅度要大于吸收系数增大幅度;在高污染天气,散射性气溶胶的增加占主要地位;而在SW为主导风向,SSA随吸收系数的变化情况与EEN和NW稍有差异。 非污染天,当a0.5,α与AOD呈反相关,a1.0,两者呈现正相关;污染天,两者无明显关系,但当AOD1.0,a随AOD的增大而变小。当Vmax1m/s和1m/sVmax4m/s时,α随AOD呈现相似的变化,表明观测点周围不存在强的源或汇;当Vmax4m/s时,AOD和α均出现小值,α与AOD呈负相关。风向也是影响α和AOD变化的重要因素,尤其当ENE为主导风向时,α与AOD呈明显正相关。尽管局地扬尘或沙尘气溶胶呈非亲水性,但当a0.5,AOD随相对湿度(RH)的增大有一定程度的增大。 σs和σa与风速风向的关系基本一致,污染物浓度高值均出现在风速较小的情况下,而且各个风向均有贡献;在SW扇区,大风对污染物起到强的扩散稀释作用;无论为何种主导风向,Ratio基本在0.12以上,北京城市细粒子污染占重要地位;小风区存在大量SSA低值,本地源存在大量吸收性气溶胶。较大风速时,AOD较小,SW扇区α较小;AOD大值区出现在小风NE扇区。 SSA随消光系数增大成增大的趋势;在高污染天气状况下,散射性气溶胶的增加是主要的;背景气溶胶中吸收性气溶胶含量较大。煤燃烧源气溶胶SSA较低;城市型气溶胶SSA随着消光系数的增大而增大,散射性气溶胶是主要的大气污染物;对于沙尘气溶胶,SSA随消光系数的变化并不明显;混合型气溶胶占主导地位时,SSA处于高值,以散射性气溶胶为主,但在消光系数处于极高值时,SSA反而降低。SSA随αN增大有减小的趋势,吸收性粒子主要为细粒子。燃煤产生的粒子SSA小于0.8,并且αN均在1.0以上;沙尘气溶胶SSA较高,并且αN也大于1.0,此次沙尘过程对近地面SSA的影响较小。对于沙尘气溶胶而言,吸收系数Angstrom指数(αP)最大值为1.4,αN变化较大;燃煤产生的气溶胶粒子,具有更高的αP,这种粒子的吸收性质和黑碳有较大差异,αN基本大于1.0,粒子较小。 沙尘气溶胶散射系数和AOD随波段的变化呈现不同的两种趋势;生物质燃烧气溶胶AOD随波长变化曲线很陡峭,气溶胶多为细粒子。混合型气溶胶、燃煤产生的气溶胶和沙尘气溶胶在短波波段均有很强的吸收,而城市型气溶胶吸收系数随波段变化较小。沙尘类气溶胶SSA随着波长的变长而增大;混合型气溶胶和燃煤产生的气溶胶SSA随波长的增长递减,但趋势并不明显。


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