姚 青,韓素芹,蔡子穎,張 敏 (天津市氣象科學(xué)研究所,天津 300074)

大氣水平能見度是指視力正常的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下所能看到目標(biāo)物的最大水平距離,可用以表征大氣清潔程度.影響大氣能見度的因素主要包括降水、霧、大風(fēng)、沙塵暴、揚(yáng)沙等天氣現(xiàn)象,以及大氣中廣泛存在的氣態(tài)污染物和氣溶膠等.大氣能見度的衰減主要來自于氣體和氣溶膠的大氣消光作用,在空氣潔凈地區(qū)大氣能見度的衰減很大程度上源于空氣的瑞利散射作用,而在城市地區(qū)氣溶膠的散射往往是大氣能見度衰減的首要貢獻(xiàn)者,此外部分高污染地區(qū),NO2[1]和黑碳?xì)馊苣z[2]的吸收作用對(duì)大氣消光的貢獻(xiàn)也不可忽視.國外對(duì)氣溶膠散射性質(zhì)的觀測(cè)研究起步較早,美國 1988年在建立 30個(gè)能見度和PM2.5觀測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)施了大型能見度觀測(cè)計(jì)劃 IMPROVE[3],澳大利亞[4]、英國[5]、韓國[6]等隨后開始重視大氣能見度的觀測(cè)研究.近年來國內(nèi)學(xué)者結(jié)合大氣能見度、顆粒物質(zhì)量濃度、黑碳?xì)馊苣z濃度、氣溶膠散射系數(shù)以及氣象因子等,研究大氣氣溶膠的光學(xué)特性[7-8],分析北京[9]、廣州[10-11]等城市大氣能見度下降原因,借鑒美國IMPROVE項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)方程式,擬合出滿足廣州[12]、深圳[13]等地實(shí)際的大氣消光系數(shù)與顆粒物組成關(guān)系式,并給出了氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)和水汽分子散射系數(shù)等對(duì)城市大氣消光系數(shù)的貢獻(xiàn)比例[12,14-15].

隨著環(huán)渤海區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和機(jī)動(dòng)車保有量迅速增長,天津城市大氣污染復(fù)合型特征顯著,突出體現(xiàn)在持續(xù)性的區(qū)域污染及低能見度天氣頻繁發(fā)生[16-17].統(tǒng)計(jì)分析近40a天津城區(qū)人工觀測(cè)獲得的大氣能見度,每日14:00觀測(cè)值的年均值由1970年的16 km下降至2008年的13km,低能見度(＜10km)天氣發(fā)生頻率也由1970年的16.4%升高至2008年的29.2%.天津地區(qū)近年來對(duì)于大氣能見度及其與大氣污染間關(guān)系的研究,主要集中在研究大氣能見度與空氣污染度濃度及氣象因素的統(tǒng)計(jì)關(guān)系上[17-18],研究結(jié)果表明,大氣能見度與PM2.5濃度存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且與相對(duì)濕度等氣象因素關(guān)系密切;對(duì)于氣溶膠消光作用的研究,往往側(cè)重于散射系數(shù)[19]或吸收系數(shù)[20]等單一方面,對(duì)各種因子對(duì)大氣能見度的綜合影響研究不多[21].本工作通過大氣消光系數(shù)建立能見度與大氣污染物之間的聯(lián)系,并通過對(duì)大氣消光系數(shù)進(jìn)行分解,分析各種消光作用,尤其是氣溶膠散射及吸收作用的貢獻(xiàn)比重,以期對(duì)影響大氣能見度變化的因素有更深入的認(rèn)識(shí).

1 資料與方法

中國氣象局天津大氣邊界層觀測(cè)站(北緯39°06′,東經(jīng) 117°10′,海拔高度 3.3m,臺(tái)站編號(hào):54517)位于天津市城區(qū)南部,其北距快速路約100m,東臨友誼路-友誼南路,西面和南面主要為住宅區(qū),交通源對(duì)它有一定的影響.采樣點(diǎn)設(shè)在觀測(cè)站院內(nèi)一座一層平房的樓頂,離地高約 3m,下墊面為草地,周圍為氣象觀測(cè)場(chǎng)和辦公區(qū),無明顯污染源,觀測(cè)點(diǎn)能夠代表典型城區(qū),觀測(cè)時(shí)間為2011年4月1日～5月10日.

PM10和PM2.5數(shù)據(jù)來自于美國Thermo公司生產(chǎn)的TEOM系列RP1400a環(huán)境顆粒物監(jiān)測(cè)儀,采樣流量16.7L/min,檢測(cè)限0.06μg/m3,測(cè)量范圍0～1500μg/m3,質(zhì)量分辨率為 0.01μg/m3,準(zhǔn)確度0.75%,精度1.5μg/m3(1h),0.5μg/m3(24h);NO2數(shù)據(jù)來源于美國Thermo公司生產(chǎn)的42i型化學(xué)發(fā)光法 NO-NO2-NOx分析儀,最低檢測(cè)限 0.4μL/m3,零漂＜0.4μL/m3,跨漂＜±1%F.S;采用澳大利亞ECOTECH公司生產(chǎn)的Aurona 1000型濁度計(jì)連續(xù)觀測(cè)氣溶膠散射系數(shù)(σsp),測(cè)量波長為 525nm,時(shí)間分辨率為 5min,濁度計(jì)配備有除濕裝置,以保證進(jìn)氣相對(duì)濕度在 60%以下,濁度計(jì)未加裝切割頭;采用美國Magee科技公司生產(chǎn)的AE-31黑碳儀測(cè)定黑碳?xì)馊苣z濃度,并加裝 PM2.5切割頭,該儀器有7個(gè)測(cè)量通道,波長分別為370,470,520, 590,660,880和 950nm,時(shí)間分辨率為 5min,其工作原理是建立在石英濾紙帶上收集的粒子對(duì)光的吸收造成的衰減上,屬于光學(xué)灰度測(cè)量法,儀器經(jīng)廠家標(biāo)定,本文采用波長為880nm的測(cè)量通道數(shù)據(jù);大氣能見度資料采用美國Belfort公司生產(chǎn)的MODLE6000型前向散射能見度儀測(cè)量,儀器測(cè)量上限為20km,下限為6m,精確度10%;氣溶膠數(shù)濃度資料由德國 Grimm公式生產(chǎn)的 Grimm 180顆粒物監(jiān)測(cè)儀觀測(cè),該儀器可提供＞0.25μm氣溶膠數(shù)濃度及質(zhì)量濃度,可劃分為30個(gè)粒徑段,為便于研究,合并其中的 PM1.0,PM1.0～2.5,PM2.5～10和 PM10～100,分析不同天氣條件下粒子數(shù)濃度.所有測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制后處理成小時(shí)均值,并按相關(guān)要求處理成日均值,同期的相對(duì)濕度、日降水量和天氣現(xiàn)象等氣象資料采用觀測(cè)站同一院內(nèi)的天津市城區(qū)國家氣象觀測(cè)站的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù).

大氣能見度的優(yōu)劣受大氣對(duì)太陽光散射和吸收的消光效應(yīng)制約,在可見光波段.對(duì)太陽輻射有衰減作用的物質(zhì)及其消光系數(shù)計(jì)算如下:

式中: σsp為氣溶膠散射系數(shù),由濁度計(jì)直接讀出;σap為氣溶膠吸收系數(shù),由黑碳儀測(cè)量黑碳?xì)馊苣z(BC)后經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式σap=8.28 [BC]+2.23[22]計(jì)算得到,該經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式由吳兌等[7]在2004年珠江三角洲觀測(cè)試驗(yàn)中獲得,可將880nm處獲得的BC濃度轉(zhuǎn)化為532nm處的吸收系數(shù),與濁度計(jì)采用的 525nm波長接近;σsg為干潔大氣的散射,一般取作13Mm-1[23];σag為氣態(tài)污染物的吸收,一般僅考慮NO2的吸收,可由σag＝0.33 [NO2]( σsg單位 Mm-1,[NO2]單位×10-9)計(jì)算所得[24].此外水汽也會(huì)影響大氣消光系數(shù),尤其是在某些高濕狀態(tài)下,氣溶膠粒子經(jīng)凝結(jié)、碰并和懸浮增長,可使氣溶膠散射系數(shù)成倍增加,而在用的濁度計(jì)多通過控制相對(duì)濕度以保證獲得“干”的氣溶膠,用以測(cè)定低相對(duì)濕度下氣溶膠的散射系數(shù),并不能完全真實(shí)反映環(huán)境氣溶膠的散射系數(shù)[14].大氣消光系數(shù)同時(shí)與大氣能見度還有如下關(guān)系[25]:

σext-vis單位 Mm-1,vis單位 km, 3.912代表Koschmeider常數(shù),取該值時(shí),有以下假設(shè)條件:目標(biāo)物為深色理想物體;閾對(duì)比度取 0.02;目標(biāo)物和觀察者之間大氣組成均一;地球曲率可忽略;目標(biāo)物、天空背景和觀察者等各處的光亮度相同.

2 結(jié)果

圖1為觀測(cè)期間空氣污染指數(shù)(API)、大氣能見度、相對(duì)濕度、降水量及沙塵天氣的逐日分布狀況.觀測(cè)期間API有11d超標(biāo),且首要污染物全部為可吸入顆粒物,最大API出現(xiàn)在5月1日,為299,達(dá)到中度重污染級(jí)別,系4月30日午后天津地區(qū)在內(nèi)的北方廣大地區(qū)發(fā)生沙塵天氣,其高PM10監(jiān)測(cè)結(jié)果被計(jì)入5月1日的API所致;大氣能見度最大日均值19.62km,發(fā)生在5月3日,最小日均值6.61km,發(fā)生在4月30日,低能見度天氣主要由沙塵和霾導(dǎo)致,按照氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》[29]規(guī)定觀測(cè)期內(nèi)霾日為6d,依次為4月5日、6日、9日、13日、29日和5月5日;觀測(cè)期內(nèi)天氣較為干燥,平均相對(duì)濕度為39%±22%,正點(diǎn)最大RH為91%,高RH(80%以上)時(shí)長僅占觀測(cè)期的5.8%,且主要集中在4月下旬和5月上旬,這一時(shí)段降水相對(duì)密集;降水較常年偏多,合計(jì)發(fā)生13次有效降水,降水總量94.1mm,其中中雨以上(≥10mm)3次,分別為 4月 21日(32.1mm),5月4日(12.4mm),5月9日(24.4mm),降水時(shí)段RH多在80%以上.

圖1 觀測(cè)期間空氣污染指數(shù)、大氣能見度與天氣現(xiàn)象Fig.1 Daily variations of API, visibility and weather phenomena

觀測(cè)期間對(duì)大氣消光系數(shù)影響較大的主要污染物(PM10,PM2.5,NO2)及大氣能見度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1,觀測(cè)期間 PM10質(zhì)量濃度平均值為(194.42±164.19)μg/m3,其日均值濃度按照國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)超標(biāo)率達(dá)到 59%,PM2.5質(zhì)量濃度平均值為(57.89±37.02)μg/m3,超標(biāo)率為20%,細(xì)粒子在可吸入顆粒物中的比重 PM2.5/ PM10為 0.35±0.20,低于以往在天津城區(qū)的觀測(cè)值[26].PM10質(zhì)量濃度最大小時(shí)值發(fā)生在5月1日0:00,達(dá)到 1474.47μg/m3,接近儀器測(cè)量上限,1日前后PM10質(zhì)量濃度持續(xù)6h超過1000μg/m3,持續(xù)15h超過500μg/m3,而同期PM2.5質(zhì)量濃度平均值為 159.08μg/m3,最大值為 281.01μg/m3, PM2.5/ PM10為 0.18±0.02,顯示了較明顯的沙塵天氣下的污染特征.

由表 1 可見, σsp對(duì)大氣消光貢獻(xiàn)最大,為86.7%,σap貢獻(xiàn)為8.5%,低于同一地點(diǎn)2010年夏季觀測(cè)值[21],氣體消光所占的比例很小,其加和不足 5%.單次散射反照率為 0.91,高于北京[27]、珠江三角洲[7]等地的觀測(cè)值.

表1 空氣污染物與大氣消光系數(shù)小時(shí)值的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Average data of pollutant concentrations and aerosol extinction characteristic

圖2 氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)、氣體吸收系數(shù)和總消光系數(shù)系數(shù)的逐時(shí)分布狀況Fig.2 Hourly variations of σsp, σap, σag and σext

圖 2為觀測(cè)期間氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)、氣體吸收系數(shù)和總消光系數(shù)系數(shù)的逐時(shí)分布狀況.觀測(cè)期間的幾次主要σap和σsp高值都出現(xiàn)在 4月上中旬,這段時(shí)間天津地區(qū) API較高,8d輕微污染,1d輕度污染,其中4月13～18日連續(xù)6d輕微污染,首要污染物均為 PM10,氣溶膠的高質(zhì)量濃度是造成σap和σsp高值的重要原因,σap和σsp散點(diǎn)圖(圖略)顯示兩者線性相關(guān)系數(shù)為 0.51 (N=932),其變化趨勢(shì)表現(xiàn)出一定的一致性.

3 分析與討論

3.1 氣溶膠消光系數(shù)的日變化特征

圖2為氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)和單次散射反照率的日變化狀況.σsp自夜間逐漸積累,伴隨著交通早高峰和一天內(nèi)日?；顒?dòng)的開始,9:00達(dá)到峰值,隨后伴隨著太陽輻射不斷增強(qiáng),大氣湍流趨于活躍,污染物易于擴(kuò)散,σsp逐漸下降,至17:00降至最低,日落后隨著交通晚高峰的來臨,呈現(xiàn)增加趨勢(shì),22:00形成一個(gè)較小的峰值.σap的日變化特征與σsp相似,主要的不同點(diǎn)在于兩個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間均早于散射系數(shù)2h,且早晚峰值大小無明顯差別.這可能系由于黑碳?xì)馊苣z作為典型的一次源排放物,其濃度變化僅取決于源排放和干濕沉降的清除過程,以及風(fēng)速、混合層高度等氣象條件對(duì)黑碳?xì)馊苣z的擴(kuò)散作用,大氣化學(xué)活性較低,缺乏城市氣溶膠常見的氣粒轉(zhuǎn)化、吸濕性增長等二次過程,因而 σap能夠很快反映出黑碳?xì)馊苣z濃度的變化.SSA的日變化特征與 σap反相關(guān),σap的峰值對(duì)應(yīng)于 SSA的谷值,中午前后SSA較高,這主要是因?yàn)棣襰p雖然在降低,但σap降低的更快,SSA的這種日分布特征主要是由于σap和σsp變化的不同步造成的.

圖3 氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)和單次散射反照率的日變化狀況Fig.3 Diurnal variations of σsp, σap and SSA

本研究氣溶膠散射系數(shù)、吸收系數(shù)和單次散射反照率的日變化分布特征與以往研究近似,但氣溶膠消光特性易受到太陽輻射、降水以及氣溶膠遠(yuǎn)距離輸送等因素影響,不同天氣類型下σap和 σsp日分布特征存在很大差異,選取觀測(cè)期內(nèi)典型天氣現(xiàn)象,如霾日(4月5日)、晴日(4月18日)、降水日(4月21日)和沙塵日(4月30日),統(tǒng)計(jì)典型天氣條件下氣溶膠質(zhì)量濃度、大氣能見度及氣溶膠消光系數(shù)(見表 2),并分析 σsp(圖4A)和σap(圖4B)的日變化特征.PM10質(zhì)量濃度沙塵日最高,降水日最低,4種天氣下 PM2.5質(zhì)量濃度差別不大,但細(xì)粒子在可吸入顆粒物中的比值(PM2.5/PM10)則有顯著差異,降水日細(xì)粒子比重最高,這是因?yàn)榇至Ｗ右妆粷袂宄耐瑫r(shí),降水可減輕地面起塵,沙塵日最低,遠(yuǎn)距離輸送及地面揚(yáng)塵造成的高濃度粗粒子是可吸入顆粒物的主要組成部分;晴日空氣最為清潔,σsp和σap最低,因而大氣能見度最優(yōu),接近儀器測(cè)量上限,霾日σsp和σap最高,但能見度并非最低,表明降水和沙塵對(duì)能見度的影響也很大.分析4種典型天氣條件下σsp和σap的分布規(guī)律,霾日σsp最高,9:00最高值超過1200Mm-1,沙塵日次之,σsp最高值可達(dá)900Mm-1以上,降水日全天 σsp分布較為平均,大體在400～600Mm-1之間,而晴日σsp最低,全天幾乎都在 200Mm-1以下.從日分布的峰型來看,霾日 σsp呈典型的早晚雙峰結(jié)構(gòu),9:00左右的峰值高于22:00時(shí)的晚峰值,降水日和沙塵日早峰值提前至 8:00,晚峰值消失,晴日則幾乎沒有明顯的峰值分布.四種典型天氣 σap的日分布特征與σsp相似,主要的差別在于早峰值均有不同程度的提前,與BC氣溶膠不經(jīng)過二次轉(zhuǎn)化過程有關(guān),如果假設(shè)城市氣溶膠排放時(shí)間、類型和排放量不變,則σap和σsp峰值出現(xiàn)時(shí)間相差的2～3h可以作為二次氣溶膠的生成時(shí)間,且這一時(shí)間還與天氣類型有關(guān).

表2 典型天氣下氣溶膠消光系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Average data of pollutant concentrations and aerosol extinction characteristic under typical weather

不同天氣類型 σap和 σsp水平的差異主要在于不同粒徑的氣溶膠輸送、積累和清除能力,對(duì)大氣消光具有較高貢獻(xiàn)率的細(xì)粒子,在邊界層出現(xiàn)逆溫、靜風(fēng)等天氣條件下易積累而形成灰霾天氣,4月5日Grimm180分析得到的日均粒子總數(shù)濃度高達(dá)1.39×103個(gè)/cm3,其中PM1.0數(shù)濃度占比接近 99.8%,遠(yuǎn)高于晴日(4月 18日,1.54×102個(gè)/cm3),也顯著高于降水日(4月21日,7.45×102個(gè)/cm3)和沙塵日(4月30日,4.32×102個(gè)/cm3),超高濃度的細(xì)粒子是造成高水平 σap和 σsp的重要原因;遠(yuǎn)距離輸送的沙塵在帶來大量粗粒子的同時(shí),也因本地大風(fēng)揚(yáng)塵不可避免攜帶相當(dāng)數(shù)量的細(xì)粒子,沙塵日粒子總數(shù)濃度為4.45×102個(gè)/cm3,其中粗粒子(PM10～100)數(shù)濃度為 3.3個(gè)/cm3,約為霾日、晴日和降水日粗粒子數(shù)濃度的6倍、4倍和39倍,細(xì)粒子濃度也顯著高于晴日,較高濃度的粗細(xì)粒子對(duì)氣溶膠消光系數(shù)的增大均有不可忽視的貢獻(xiàn);降水對(duì)粗細(xì)粒子有明顯的清除作用,胡敏等[30]在北京的研究表明,降水后大粒子對(duì)應(yīng)的粗模態(tài)消失,本研究中也有粗粒子數(shù)濃度較其他天氣明顯降低,相對(duì)濕度的增加對(duì)于氣溶膠消光作用的增強(qiáng)也是造成降水日 σap和 σsp較高的重要原因之一;晴日多大風(fēng)天氣,且大氣邊界層較高,利于粒子擴(kuò)散,因而晴日σap和σsp最低.

圖4 典型天氣下氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)的日分布特征Fig.4 The diurnal variation of σsp and σap

3.2 氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)與 PM2.5質(zhì)量濃度的關(guān)系

對(duì)氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的關(guān)系作圖(圖略),σsp與 PM2.5質(zhì)量濃度呈線性相關(guān).,相關(guān)系數(shù)0.65,σap與PM2.5質(zhì)量濃度的線性相關(guān)系數(shù)較低(0.51),這可能與觀測(cè)期間天津發(fā)生沙塵天氣,氣溶膠來源復(fù)雜,既有局地污染,也有遠(yuǎn)距離輸送有關(guān).σap系通過BC質(zhì)量濃度計(jì)算而來,觀測(cè)期內(nèi)BC平均濃度為4.12μg/m3,約占PM2.5質(zhì)量濃度的7.1%,低于本站2010年秋冬季的觀測(cè)值[20].

定義氣溶膠質(zhì)量散射效率α =σsp/ PM10

α反映氣溶膠的輻射特征,即單位質(zhì)量的氣溶膠顆粒的光學(xué)散射輻射特性,該參數(shù)是計(jì)算氣溶膠輻射強(qiáng)迫的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),α越大表明氣溶膠散射輻射能力越強(qiáng)[31].觀測(cè)期間 α均值為2.95m2/g,與張北(年均值,2.4m2/g)[31]、蘭州(冬季,2.68m2/g)[32]、北京(秋季,2.73m2/g)[33]等北方地區(qū)觀測(cè)值接近,低于臨安(秋季,3.5m2/g)[34]等地,遠(yuǎn)高于沙塵天氣嚴(yán)重的甘肅民勤站(年均值,1.1m2/g)[31.計(jì)算上述典型霾日、晴日、降水日和沙塵日的 α日均值,顯示降水日 α最高,,達(dá)到6.27m2/g,霾日和沙塵日次之,分別為3.91m2/g和2.81m2/g,晴日最低,僅為 1.04m2/g,這可能與不同天氣過程中粒子的粒徑分布特征及 RH變化有關(guān),較高的細(xì)粒子數(shù)濃度及高 RH都利于粒子散射消光,因而高RH下α較高,霾日氣溶膠粒子以細(xì)模態(tài)為主,其α也高于以模態(tài)為主的沙塵日,晴日里細(xì)粒子濃度及 RH都是幾種典型天氣中最低的,因而其氣溶膠質(zhì)量散射效率最低.

3.3 氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)與大氣能見度的關(guān)系

圖5 氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)與大氣能見度的關(guān)系Fig.5 The relationship between σsp, σap and visibility

氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)是大氣消光系數(shù)的主要組成部分,而大氣消光系數(shù)與能見度又存在確定關(guān)系,因此分析氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)與能見度的關(guān)系,有助于分析不同能見度下氣溶膠消光系數(shù)的分布規(guī)律,考慮到能見度儀測(cè)量上限設(shè)定為 20km,因此本文將能見度≥20km的數(shù)據(jù)刪除,以減少計(jì)算誤差.如圖5所示,氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)與能見度呈負(fù)的冪函數(shù)關(guān)系,即隨著能見度增大,σsp和σap逐漸減小,能見度增大到儀器測(cè)量上限的20km附近時(shí),σsp降低到200Mm-1左右,σap降低到20Mm-1左右,均接近觀測(cè)期內(nèi)的最低值,兩者相關(guān)系數(shù) R2不高(0.42和0.25),且同一能見度下氣溶膠散射系數(shù)離散性較大,說明觀測(cè)期內(nèi)影響能見度的因素較多,RH[30]、降水[35]、沙塵[36]等氣象因子可能改變氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)從而影響大氣能見度分布.

3.4 大氣消光系數(shù)計(jì)算方法的比較

本文采用兩種方式獲得大氣消光系數(shù):

圖6為兩種大氣消光系數(shù)的逐時(shí)數(shù)據(jù),從圖6可以發(fā)現(xiàn),觀測(cè)期內(nèi) σext均值為 426.58Mm-1, σext-vis均值為396.89Mm-1,相對(duì)偏差在7%左右,除個(gè)別時(shí)段(圖中實(shí)線橢圓標(biāo)出者)外,兩者一致性較好.消光系數(shù)與 RH存在密切關(guān)系,高RH下豐沛的水汽可對(duì)太陽輻射直接散射消光,也可通過氣溶膠粒子的凝結(jié)、碰并和懸浮增長,改變粒子折射率來增大氣溶膠消光系數(shù).對(duì)觀測(cè)期內(nèi)σext-vis與RH作散點(diǎn)圖(圖略),兩者滿足指數(shù)關(guān)系:σext-vis=151.6exp(0.021RH), R2=0.41, N= 960,即σext-vis隨RH增加而快速增大,特別是在RH≥80%以后,σext-vis迅速增大到800Mm-1以上.

將RH分段對(duì)σext-vis和σext逐時(shí)資料作線性相關(guān)分析.RH≤80%時(shí)兩者線性相關(guān)系數(shù)較好.為 0.75(N=867,P＜0.0001),而 RH＞80%時(shí)線性相關(guān)系數(shù)僅為0.36(N=54,P＝0.007),造成高RH下2種計(jì)算方法差異的主要原因在于能見度儀的測(cè)試對(duì)象為自然狀態(tài)下的一小塊空氣,其 RH變化范圍覆蓋了各種濕度,而濁度計(jì)使用了除濕系統(tǒng),采集的是“干”氣溶膠(樣品RH在60%以下),忽略了水汽對(duì)消光系數(shù)的影響,儀器測(cè)量方法的差異造成高RH下σext-vis遠(yuǎn)高于σext,如圖6中橢圓實(shí)線標(biāo)注,高RH下多對(duì)應(yīng)降水天氣,σext-vis顯著增高,而σext卻未見明顯變化,,也從側(cè)面證明了降水日大氣能見度的降低主要與高 RH有關(guān),氣溶膠對(duì)大氣消光作用不顯著,甚至于因濕清除而使σext有所降低.

圖6 不同方法計(jì)算獲得的大氣消光系數(shù)的比較Fig.6 Daily variations of ambient light extinction coefficients

4 結(jié)論

4.1 2011年春季天津城區(qū)氣溶膠散射系數(shù)為369.93Mm-1,對(duì)大氣消光貢獻(xiàn)為 86.7%,氣溶膠吸收系數(shù)為36.32Mm-1,對(duì)大氣消光貢獻(xiàn)為8.5%,單次散射反照率為0.91.

4.2 氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)具有顯著的日變化特征,呈雙峰結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)于早晚交通高峰,但不同天氣類型下其日分布特征存在較大差異,霾日σsp和σap最高,沙塵日和降水日次之,晴日最低.

4.3 氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù)與 PM2.5質(zhì)量濃度呈線性正相關(guān),與大氣能見度呈指數(shù)負(fù)相關(guān),觀測(cè)期間氣溶膠質(zhì)量散射效率均值為2.95m2/g1,降水日最高,霾日和沙塵日次之,晴日最低,與典型天氣過程中粒子的粒徑分布特征及 RH變化有關(guān).

4.4 采用 Koschmieder’s公式反算能見度獲得的大氣消光系數(shù),與通過測(cè)量氣溶膠散射系數(shù)、氣溶膠吸收系數(shù)、氣體散射系數(shù)和氣體吸收系數(shù)等分量加和獲得的消光系數(shù)進(jìn)行比較,兩者一致性較好,高 RH天氣造成能見度反算值高于各系數(shù)加和值.

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