南京北郊气溶胶粒子的光学散射特征

丁峰，朱彬，王飞，邱玉珺

(南京信息工程大学1.中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室;2.大气物理学院，江苏南京210044)

南京北郊气溶胶粒子的光学散射特征

丁峰1，2，朱彬1，2，王飞1，2，邱玉珺1，2

(南京信息工程大学1.中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室;2.大气物理学院，江苏南京210044)

利用三波段积分浊度仪对南京北郊2009—2010年四季气溶胶散射系数进行观测和分析。结果表明:气溶胶散射系数具有明显的季节变化特征，春季最低，秋季最高，冬夏季差别不大;气溶胶散射系数变化范围为51.6～2 748.3 Mm－1，平均值为478.6 Mm－1。气溶胶散射系数的日变化特征为双峰型。空气相对湿度与气溶胶散射系数呈正相关关系;地面风向与气溶胶散射系数关系密切，偏东风时气溶胶散射系数最大，偏南风和偏西风时气溶胶散射系数较小。降水对气溶胶有明显的清除作用。能见度大于5 km时，能见度与散射系数呈负相关关系。四季大气中SO2和NO2与气溶胶散射系数存在一定相关性，其中秋季SO2与气溶胶散射系数的相关系数最大(0.68)，春季NO2与散射系数的相关系数最大(0.62)，均通过0.05信度的显著性检验。

积分浑浊度仪;气溶胶散射系数;人为排放

0 引言

大气气溶胶是指悬浮在大气中的直径小于10 μm的固体和液体微粒组成的多相体系，它是影响气候变化最不确定的因子之一(刘毅等，1999)。大气气溶胶的光学散射特性及直接和间接气候强迫效应一直受到科学界的高度重视。近年来，随着城市化进程加快和机动车数量的增加，由气溶胶粒子引起的大气能见度下降、灰霾天气增加等大气环境污染问题受到广泛关注。通过观测气溶胶的光学特性，直观反映出当前大气中大气颗粒物的污染程度，对治理大气环境污染有重要意义。

国外对气溶胶光学特性的研究起步较早。早在1987年，Fouquart et al.(1987)就对撒哈拉地区沙尘气溶胶的辐射特性进行了相关理论研究。Sokolik and Golisyn(1993)曾利用米理论计算了中亚地区一些类气溶胶的光学特性参数，发现不对称因子的值相对稳定，约为0.7，而单次散射反照率的变化较大。Kiehl and Briegleb(1993)的计算表明，粒子的尺度大小和化学中和特性的变化对气溶胶的光学散射性质有很大影响。国内，胡波等(2003)利用积分浊度仪观测资料，对冬季兰州市西固区大气气溶胶粒子散射特征及其与空气污染的关系进行了研究，认为气溶胶散射系数与PM10质量浓度有显著的相关性，相关系数超过0.8。柯宗建等(2004)分析了北京上甸子秋、冬季气溶胶散射系数及其与PM2.5的关系，指出阴天条件下的气溶胶散射系数明显高于晴天，散射系数与PM2.5浓度有较好的相关性;风场对气溶胶散射系数的影响显著，不同风向条件下，气溶胶散射系数的差别较大。孟昭阳等(2007)利用积分浊度仪对太原市区气溶胶散射特性进行了近一年的相关观测，结果表明，观测期间气溶胶散射系数平均值为(850.2±611.3)Mm－1，在200～300 Mm－1出现的频率最高;散射系数与PM2.5浓度的相关性较好(R2=0.82)，细粒子对散射系数有很大的贡献，同时气象条件也是影响气溶胶散射特性的重要因素之一。章秋英等(2008)分析了半干旱地区气溶胶散射系数的变化特征，结果表明:该地区1—9月散射系数总体呈先下降再升高的趋势，日变化呈明显的双峰型;散射系数能很好地反映沙尘天气的强度，它与PM10质量浓度的变化规律基本一致，两者具有很好的相关性;散射系数与能见度呈指数相关关系。Xu et al.(2002)的研究结果表明，1999年11月浙江临安大气本底站气溶胶散射系数值为(353±202)Mm－1，气溶胶PM2.5是大气消光的主要贡献者。陈宇等(2009)利用光声黑碳仪(PASS1)，对南京北郊10—12月不同天气条件下气溶胶吸收和散射系数进行了测量，结果表明:霾日气溶胶吸收和散射系数的日变化剧烈，非霾日次之，雾日较为稳定;非霾日气溶胶散射和吸收系数最小，降水使得大气气溶胶吸收和散射系数明显降低。

本文针对长三角地区大气环境，利用积分浑浊度仪(TSI 3563 Integrating Nephelometer)对南京北郊地区春季(2010年4月22日—5月4日)、夏季(2010年7月1—30日)、秋季(2009年10月20日—11月10日)和冬季(2010年1月16—27日)气溶胶粒子的散射系数进行观测，并对观测结果进行分析，为该地气溶胶光学散射特性的研究提供重要依据。

1 观测地点及仪器

1.1 仪器介绍

采用美国TSI公司生产的高灵敏度三波段积分浑浊度仪(Three Wavelength Integrating Nephelometer)对气溶胶粒子散射系数进行测量(主要技术参数指标见表1)。该仪器可以直接测量气溶胶粒子的总散射系数和后向散射系数，在需要时可以很简便地利用已知散射特性的标定气体(如CO2、CCl2F2等)进行标定，也可以直接用干洁空气进行标定，干洁空气由仪器自带的过滤装置产生。该仪器分辨率为5×10－8m－1，通常设定每5 min出一个平均结果，其相关技术指标见表1。

表1 TSI 3563传感器配置参数Table 1 The transducer configuration parameters of TSI 3563

光散射系数是气溶胶的重要特性之一，但它很容易变化。积分式浊度仪原理依据朗伯—比尔定律，其计算公式为

式中:I0为光源光强;I为经过样品的光强;x为光程中的介质厚度;σ为总消光系数(散射系数+吸收系数)。消光作用由气体散射σsg、颗粒物散射σsp、气体吸收σag和颗粒物吸收σap四部分构成。由于吸收作用相比于散射作用小得多，可以忽略，所以近似认为总的消光系数是由气体和颗粒物的散射系数相加所得，其计算公式为散射系数σsp反映了大气中颗粒物污染的程度，σsp越高，大气中的颗粒物含量就越高。σsp的量纲是长度的倒数，单位为Mm－1(10－6m－1)。

仪器测量原理如图1所示，感应器能观测到立体角ω中的散射光，立体角中所有的散射体积都被漫射光源I照明。从图中可以看到，对每一段散射体积dv=(r－x)2ωdx，图中的几何关系有θ、x=ycotφ、dx=ycsc2φdφ、l=ycscφ、cosφ=sinθ，故有dv=(r－ycotφ)2ωy csc2φdφ。因为光源是漫射光，θ方向的光亮度满足余弦关系，故散射体积dv上的入射光强为E=I0sin3φ/y2。从而单位立体角中接受到得的光流为

式中，θ由仪器结构确定，积分浊度仪的y很小，同时水平光又足够长，这样积分浑浊度仪就可以直接计算得到散射系数2001;Patrick and John，2006)。

1.2 实验资料

南京信息工程大学观测点距离南京市区10 km，位于南京市北郊(118°42'E，32°12'N;海拔高度为62 m)宁六公路旁边，北临南京市浦口区盘城镇，南依龙王山，偏东方向约3 km为南京主要工业区，内有南京钢铁厂、扬子石化等大型企业。南京信息工程大学地处南京城乡结合部，近年来随着南京城市化的发展，其采样观测值基本能够反映南京地区城市、工业区和城郊混合型的大气污染状况(银燕等，2009;张敏等，2009)。本观测点的长期观测资料基本上体现了长江三角洲地区气溶胶污染排放的大尺度输送、扩散的特点，具有较好的区域代表性。观测时间分别为春季(2010年4月22日—5月4日)、夏季(2010年7月1—30日)、秋季(2009年10月20日—11月10日)和冬季(2010年1月16—27日)。

TSI 3563安装在南京信息工程大学东校区气象楼楼顶。实验前，利用干洁空气对仪器进行标定，得到三个波段的瑞利散射标定值。仪器采样频率(时间间隔)为每5 min一次，可同时获得大气温度、样气室温度、相对湿度和大气压等参数值。南京信息工程大学观测点的观测数据能够代表南京北郊气溶胶粒子的散射变化特征。污染物的气体浓度来自差分吸收光谱仪(Differential Optic Absorption Spectroscopy，DOAS)系统。另外，同步观测的常规气象资料(风、湿度、能见度)来源于南京信息工程大学大气物理观测试验场的自动气象站。

2 散射系数的变化特征

2.1 四季散射系数的逐时变化特征

图1 大气浑浊度仪TSI 3563的结构示意图(Charlson，1980;William and Derek，2001)Fig.1 The instrument structure of Integrating Nephelometer TSI 3563(Charlson，1980;William and Derek，2001)

根据南京气候特点，按照3—5月为春季、6—9月为夏季、10—11月为秋季、12月—次年2月为冬季来划分季节。图2为观测期间四季的气溶胶散射系数的逐时变化。总体看来，σsp介于51.6～2 748.3 Mm－1之间，平均为478.6 Mm－1，标准差为355.6 Mm－1。秋季气溶胶散射系数最高，春季最低，冬、夏季相差不大。春季气溶胶散射系数变化幅度最小，为152.7～897.1 Mm－1;夏季气溶胶散射系数变化幅度较大，为81.3～1 482.7 Mm－1(平均值为484.7 Mm－1，标准差为310.1 Mm－1)。南京夏季空气湿度大，气溶胶粒子易凝结增长，使得气溶胶散射系数较高;夏季降水较多，对大气气溶胶有湿清除作用，所以降雨后气溶胶散射系数明显很低。秋季气溶胶散射系数为150.6～2 650.3 Mm－1(平均值为646.5 Mm－1，标准差为420.7 Mm－1);观测过程中，秋季气溶胶散射系数出现了一年之中的最大值(2 970.6 Mm－1);观测期间降雨很少，相对湿度低，气溶胶散射系数的平均值为全年最大。据中国环境监测中心火点监测数据表明，观测期间南京周边并无较大秸秆焚烧事件发生，说明观测期间秋季气溶胶散射系数受周边工矿企业、交通污染源影响较大。冬季气溶胶散射系数为140.7～1 700 Mm－1(平均值为512.7 Mm－1，标准差为360 Mm－1);冬季降水少，湿清除效应不明显，而且冬季光化学反应弱，吸收性二次气溶胶(如硫酸盐气溶胶)生成量少，因此冬季气溶胶散射系数普遍不高;观测期间，因时有强冷空气南下，所以气溶胶散射系数的变化幅度较大。

图3 观测期间气溶胶散射系数的频数分布a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.3 The frequency distribution of the scattering coefficient in(a)spring，(b)summer，(c)autumn，and(d)winter

图2 观测期间气溶胶散射系的逐时变化Fig.2 Variation of aerosol scattering coefficient during the observation period

2.2 四季气溶胶散射系数频数的分布特征

图3是以550 nm测得的气溶胶散射系数为例绘制的σsp频率分布。春季有效样本为2 395个，气溶胶散射系数的高频数区间为100～400 Mm－1，占总样本数的85%。夏季有效样本数为3 221个，气溶胶散射系数的高频数区间为100～400 Mm－1，占总样本数的53%;与春季不同的是，夏季气溶胶散射系数在600～1 000 Mm－1区间的频数也较高，占总样本数的21%。秋季有效样本数为1 827个，气溶胶散射系数的高频数区间为300～500 Mm－1，占样本总数的65%。秋季出现四季观测中散射系数的最大值2 970.6 Mm－1(图2)。冬季有效样本数为2 176个，气溶胶散射系数的高频数区间为200～800 Mm－1，占样本总数的61%。

表2给出了南京北郊与其他地区气溶胶散射系数的比较。由于缺少其他地区春季的气溶胶散射系数，而冬季的观测资料较多，所以表2仅比较了冬季情况。由表2可见，南京北郊的气溶胶散射系数比浙江临安本底站、张北站、台北高雄均高，但低于太原。这说明，南京颗粒物气溶胶污染较严重。与冬季相比，春季的气溶胶散射系数低，但仍处于较高水平。

表2 南京北郊与其他地区冬季气溶胶散射系数的比较Table 2 Comparison of aerosol scattering coefficient between northern suburbs of Nanjing and other areas in winter

2.3 四季气溶胶散射系数的日变化特征

图4给出了四季气溶胶散射系数的日变化。气溶胶散射系数主要表现为双峰型，第一个峰值出现在08:00前后，这主要是因为08:00前后近地面存在逆温层，不利于污染物扩散，同时为早晨上班高峰期，人为排放气溶胶在近地面聚集，容易形成散射系数峰值。日出后，随着辐射增强，气温升高，近地层对流活动增强，污染物的垂直输送也增强，气溶胶散射系数逐渐下降。14:00前后，混合层高度达到最高，地面气溶胶浓度达到最低;此外，中午和午后相对湿度减小，不利于吸湿性气溶胶吸湿增长。之后，随着太阳辐射减弱，混合层停止发展并迅速降低，再次逐渐形成新的逆温层，地面气溶胶浓度增加，相对湿度增加，21:00前后出现次峰值。上述分析表明，白天散射系数变化非常明显，夜间基本稳定维持高值。此外，秋、冬季节气溶胶散射系数的日变化均值高于春、夏两季;而秋季气溶胶散射系数的变化幅度较大，春、夏季气溶胶散射系数的变化幅度相对较小。

图4 观测期间气溶胶散射系数的日变化Fig.4 Diurnal variation of aerosol scattering coefficient during the observation period

3 气象条件与气溶胶散射系数的关系

3.1 降水对气溶胶散射系数的影响

图5给出了观测期间春季(2010年4月23日—5月4日)气溶胶散射系数的逐时变化。其中，4月25日傍晚至26日凌晨有较明显的降水过程，部分数据缺失是由于受降水影响而暂时关闭了仪器。由图5可见，降水前气溶胶散射系数最大可达900 Mm－1，而降水后则基本不足300 Mm－1，降水后(4月27—28日)气溶胶散射系数的平均值明显低于降水前(4月23—25日)散射系数值的平均值，表明降水对气溶胶的湿清除作用明显。

3.2 能见度与气溶胶散射系数的关系

能见度是指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出目标物(黑色，大小适度)的最大水平距离。在大气水平均一的条件下，可以导出能见度R和大气消光系数δe的关系为

式中:δ为视角对比阈值，是观测者开始不能把目标物从背景中区分出来的亮度对比值。作为近似处理，暂不考虑大气气溶胶的吸收作用，上式中的δe可用δscat代替，即

图5 降水前后气溶胶散射系数的逐时变化Fig.5 Hourly variation of aerosol scattering coefficient before and after precipitation

由图6可见，当气溶胶散射系数小于320 Mm－1、能见度大于5 km时，能见度与散射系数呈显著负相关关系(负指数)，相关系数为－0.63。当气溶胶散射系数大于320 Mm－1、能见度小于5 km时，散射系数和能见度的相关性不大。上述分析表明，在能见度较高时，可通过气溶胶散射系数值计算得到能见度值;而在严重灰霾污染时，气溶胶散射系数的变化不能反映能见度的变化。

图6 春季气溶胶散射系数与能见度值的相关性Fig.6 Correlation of the scattering coefficient and the visibility in spring

3.3 地面风对气溶胶散射系数的影响

图7给出了春季观测期间南京北郊的风向玫瑰图以及不同风向下气溶胶散射系数的分布(将风速小于0.2 m/s作为静风处理)。可见，春季观测期间偏东风(ENE—E—ESE扇区)、偏西风(WSW—W—WNW扇区)、偏南风(SSE—S—SSW扇区)和偏北风(NNW—N—NNE扇区)的风向频数分别为33.95%、14.12%、14.49%、9.15%。偏东风为主导风向，其频数远高于其他扇区。气溶胶散射系数在不同风向区间的分布差异也非常明显，偏东风时，散射系数的平均值最高(372 Mm－1)，其次分别是偏北风(242 Mm－1)、偏南风(213 Mm－1)和偏西风(234 Mm－1)。风对地面气溶胶的作用主要是输送和扩散。本观测点偏东方向是高速公路、化工区和南京市区，计算表明，本观测点偏东风时的气溶胶散射系数明显高于其他风向，说明周边环境对气溶胶散射系数具有明显影响。

图7 春季地面风向频率(%)和不同风向区间气溶胶散射系数(Mm－1)的分布(内层线为地面风向频率，外层线为不同风向区间气溶胶散射系数)Fig.7 Distribution of wind direction frequency(%)and scattering coefficient(Mm－1)with different wind direction in spring(inside line represents wind direction frequency and outside line represents scattering coefficient)

3.4 四季相对湿度与气溶胶散射系数的关系

图8为四季气溶胶散射系数与相对湿度的散点分布。可见，在相对湿度约低于60%(春)和80%(冬、夏、秋)时，气溶胶散射系数一般随相对湿度增大而增大。因为气溶胶粒子吸附水汽凝结增长，使得气溶胶粒子尺度增大，从而对可见光波段的散射作用增强。但当相对湿度过高，如相对湿度大于80%时，气溶胶散射系数随相对湿度增加的变化并不明显。

图8 观测期气溶胶散射系数与相对湿度的相关性a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.8 Correlation of the scattering coefficient and the humidity in(a)spring，(b)summer，(c)autumn，and(d)winter

4 主要污染物(NO2与SO2)与气溶胶散射系数的关系

PM2.5质量浓度与σsp密切相关(胡波等，2003;柯宗建等，2004)，由于南京北郊地区SO2－4、NO－3等水溶性离子所占比例较大，是PM2.5的重要组分(银燕等，2009)。因此，研究NO2和SO2等污染物与气溶胶散射系数的关系，显得尤为重要。

图9 四季NO2、SO2与气溶胶散射系数的时间变化a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.9 Temporal variations of the scattering coefficient and NO2，SO2in(a)spring，(b)summer，(c)autumn，and(d)winter

图9给出了四季SO2、NO2与σsp的时间变化。计算表明，SO2和σsp的相关系数在秋季达到最大，为0.68，通过了0.05信度的显著性检验;NO2和σsp的相关系数在春季达到最大，为0.62，通过0.05信度的显著性检验。受降水影响，夏季SO2、NO2与气溶胶散射系数的相关不明显;夏季降水较多，SO2和NO2湿沉降清除明显。

5 结论

1)南京气溶胶散射系数σsp介于51.6～2 748.3 Mm－1之间，平均值为478.6 Mm－1。季节变化明显，春季平均值最低，秋季最高，冬春季差别不大。秋季受周边人为排放源影响较大，在稳定性天气条件下会产生较严重的污染。气溶胶散射系数日变化呈双峰分布，峰值出现时间随着季节变化有所不同。

2)气象条件对气溶胶散射系数的影响较大，降水对气溶胶有明显的清除作用，降水前后可差600 Mm－1。能见度大于5 km时，它与散射系数呈负相关关系。地面风速风向对观测点散射系数也有很大影响，偏东风时散射系数最大，偏南风和偏西风时较小。相对湿度较低时，气溶胶散射系数与相对湿度呈正相关关系。

3)不同季节SO2和NO2与散射系数有一定的相关性。秋季SO2与散射系数的相关系数最大，达0.68;春季NO2与散射系数的相关系数最大，达0.62;夏季受降水影响，SO2和NO2与散射系数之间并无大的关联性。

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Optical scattering characteristics of aerosol particles over the northern suburbs of Nanjing

DING Feng1，2，ZHU Bin1，2，WANG Fei1，2，QIU Yu-jun1，2

(1.Key Laboratory for Atmospheric Physics and Environment of China Meteorological Administration;2.School of Atmospheric Physics，NUIST，Nanjing 210044，China)

Measurements of atmospheric aerosol scattering coefficient(ASC)over the northern suburbs of Nanjin from 2009 to 2010 are carried out by the Integrating Nephelometer.Analysis results show that ASC has obvious seasonal variations with the lowest in spring，the highest in fall，and little difference between summer and winter.The ASC ranges from 51.6 Mm－1to 2 748.3 Mm－1with the average of 478.6 Mm－1in different seasons.The diurnal variation of ASC shows a bimodal distribution.The ASC has a positive correlation with air relative humidity.It also has a close correlation with surface wind direction，and it is the highest when the wind is blowing easterly，followed by the southerly and westerly wind.Aerosol can be significantly removed by precipitation.There is a negative correlation between the visibility and ASC when the visibility higher than 5 km.The ASC shows the biggest positive correlation with SO2(0.68)in autumn and NO2(0.62)in spring which is significant at the 95%confidence level.

Integrating Nephelometer;aerosol scattering coefficient;anthropogenic emission

P402

A

1674-7097(2012)06-0689-08

2011-06-27;改回日期:2012-06-26

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206021);国家自然科学基金资助项目(41030962);教育部博士点基金项目(20093228110003);江苏省“333高层次人才培养工程”专项;江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

丁峰(1983—)，男，江苏淮安人，硕士，研究方向为大气环境，df19831020@gmail.com;朱彬(通信作者)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为大气化学和大气环境，binzhu@nuist.edu.cn.

丁峰，朱彬，王飞，等.2012.南京北郊气溶胶粒子的光学散射特征［J］.大气科学学报，35(6):689-696.

Ding Feng，Zhu Bin，Wang Fei，et al.2012.Optical scattering characteristics of aerosol particles over the northern suburbs of Nanjing［J］.Trans Atmos Sci，35(6):689-696.(in Chinese)

(责任编辑:倪东鸿)