南京北郊2011年春季气溶胶粒子的散射特征

于兴娜，袁帅，马佳，徐惟琦，谭成好，毛志远，康娜

(1.南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏南京210044;2.南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京210044;3.湖南省益阳市安化县气象局，湖南安化413500)

0 引言

大气气溶胶通过对太阳辐射的散射和吸收直接影响地气系统的辐射收支，又可作为云凝结核改变云微物理特性如影响云的反照率和生命周期以及降水间接影响地气能量平衡。由于气溶胶粒子的成分及粒径等复杂性以及时空分布变化很大，进而导致其辐射强迫的研究非常复杂并存在很大的不确定性(IPCC，2007)。气溶胶散射特性是研究气溶胶气候效应的重要参数之一，它反映了气溶胶对辐射传输的影响，气溶胶的粒径不同，其影响也有明显差异。国外针对气溶胶散射特征的观测研究开展较早。在20世纪80年代，NOAA在阿拉斯加(Barrow)、夏威夷莫纳罗亚山(Mauna Loa)、萨摩亚群岛(Samoa)以及南极开始气溶胶散射性质的观测(Bodhaine，1983，1995);Shendrikar and Steinmetz(2003)测量的散射系数与PM2.5质量浓度存在很好的相关性。Vaishya et al.(2011)和 Pereira et al.(2011)利用长期观测资料分析了气溶胶散射系数的季节变化。国内最早由中国气象局在沙尘暴监测站观测沙尘气溶胶的散射系数(柯宗建等，2004)，此后陆续在临安、北京、济南、上海及等塔克拉玛干沙漠地区开展(Xu et al.，2002;柯宗建和汤洁，2007;陆辉等，2010;许建明等，2010;徐政等，2011)。近年来也有学者研究了气溶胶散射系数亲水增长特性及散射系数对能见度的影响研究(宋宇等，2003;颜鹏等，2008;刘新罡和张远航，2009)。

南京地处经济发达的长三角地区，作为现代化工业城市，南京的污染日趋严重，研究表明近年来南京地区的霾日数和细粒子浓度均呈上升趋势(童尧青等，2007;钱凌等，2008)。因此，研究南京市气溶胶的散射特性，对进一步了解长三角地区气溶胶辐射强迫的不确定性具有重要意义。本研究对南京北郊春季气溶胶散射特征及其与PM2.5、能见度的关系进行了研究，并分析了霾天气时气溶胶散射系数的变化特征，为长三角地区气溶胶特性及其气候影响研究提供参考依据。

1 仪器与资料

1.1 观测时间和地点

观测时间为2011年3月7日—4月7日，观测地点设在南京信息工程大学气象楼，距地面高度约30 m，地处南京市北郊，偏东方向约3 km处为南京主要工业区，内有南钢、扬子石化和南化等大型工矿企业。

1.2 观测仪器与方法

TSI积分浊度仪3563型(TSI公司)具有蓝、绿和红光3个波段，波长分别为450、550和700 nm。观测原理基于Beer-Lambert定律，可同时观测3个波段的总散射(7～170°)和后向散射(90～170°)系数。对一般大气气溶胶细粒子而言，积分式浊度仪由于积分角度不理想带来的截断误差不大于10%。仪器自带加热系统能够降低空气中的相对湿度，本次观测期间积分腔中的相对湿度均低于60%(平均值约为32%)，因此本研究针对“干”气溶胶的散射特征进行分析。观测前利用干洁空气对仪器进行标定;观测中设定数据存储的时间分辨率为5 min。PM2.5选用美国热电公司生产的FH62C14系列β射线颗粒物连续监测仪获得，采集的数据为30 min平均值。采样期间的各种气象数据来自中国气象局大气探测基地(南京信息工程大学校内)CAWSD600型自动气象站，其中风速和风向数据均为10 min平均值。能见度数据采用CJY-1型能见度仪观测获得，其测量范围为10～30 000 m，时间分辨率为1 min。

1.3 后向轨迹分析

利用美国海洋与大气管理局空气资源实验室研制的轨迹模式HYSPLIT和1°×1°NCEP GDAS数据分析气团的传输轨迹。HYSPLIT(hybrid singleparticle lagrangian integrated trajectory)是具有处理多种气象输入场，多种物理过程和不同类型排放源的较完整的输送、扩散和沉降的综合模式系统(Draxler and Hess，1997)，通常用来跟踪气块所携带的粒子或气体移动方向。

2 结果与分析

2.1 气溶胶散射系数的变化特征

图1为南京北郊观测期间的风向频率分布。可见，春季南京北郊的风向在各个方位上均有出现，频率出现较高的风向主要为东东南风(ESE)、南风(S)、北东北风(NNE)、西风(W)、南东南风(SSE)和西西北风(WNW)，共占总风向频率的51%。风速小于或等于0.2 m/s时看作静风，观测期间静风出现的频率为1.43%。

图1 南京北郊观测期间(2011年3月7日—4月7日)的风向频率分布Fig.1 Frequency distribution of wind direction in the north suburb of Nanjing from 7 March to 7 April 2011

图2 南京北郊春季气溶胶散射系数的逐日变化Fig.2 Daily variation of aerosol scattering coefficient in the north suburb of Nanjing in spring 2011

图2给出了南京北郊春季大气气溶胶散射系数的逐日变化。可见，散射系数在3个波段的变化趋势具有一致性，波长越小散射系数越大。整个观测期间，波长450、550和700 nm时气溶胶散射系数平均值和标准偏差分别为 421.8±223.4、311.5±173.3和205.5±117.5 Mm－1，低于广州2004年秋季的观测值(418 Mm－1，540 nm)(Andreaea et al.，2008)、河北香河(468 Mm－1，500 nm)(Li et al.，2007)及北京地区上甸子站雾、霾天的值(608.4 Mm－1，525 nm)(颜鹏等，2010)。但高于上海浦东的年平均散射系数(250.4 Mm－1，525 nm)(许建明等，2010)以及春季敦煌的散射系数(126.3 Mm－1，525 nm)(Yan，2007)，甚至比黄山顶的气溶胶散射系数高出约10倍(15 Mm－1，781 nm)(陈景华等，2011)。从逐日变化来看，观测期间气溶胶散射系数最大日平均值出现在3月13日，550 nm的散射系数日平均值达到700.5±341.4 Mm－1;最小日平均值出现在4月2日，其值为98.3±53.3 Mm－1。

图3给出了2011年3月7日—4月7日550 nm气溶胶散射系数的逐时变化。气溶胶散射系数的小时平均值在观测期间变化明显，3月9—13日散射系数小时平均值较高。最大小时平均值出现在3月11日06:00(北京时间，下同)，达到1 571.8 Mm－1;散射系数的第二个峰值出现在3月13日07:00，小时平均值达1 383.3 Mm－1，这与日变化特征具有一致性(图4)。小时平均值低于100 Mm－1的散射系数多出现在13:00—18:00(占73%)，其中最低小时平均值出现在4月2日的17:00(44.1 Mm－1)。3月14日至观测结束，散射系数小时平均值减小，主要在44～600 Mm－1范围内变化。

图3 南京北郊春季气溶胶散射系数的逐时变化Fig.3 Hourly means of aerosol scattering coefficient in the north suburb of Nanjing in spring 2011

图4所示为观测期间气溶胶散射系数和气象参数的日变化特征。南京北郊春季气溶胶散射系数具有明显的日变化，总体上呈双峰型变化特征，峰值分别出现在00:00和06:00左右。从06:00开始散射系数明显下降，到16:00前后散射系数下降到一天中的最低值;随后又开始逐渐上升，到00:00左右出现第二大峰值。散射系数在夜间到早晨出现峰值主要与人类生产和生活等污染排放增强以及稳定性的边界层特征有关;日出后近地面温度开始升高，风速增强，逆温层逐渐被破坏，到中午前后近地面温度达到最大值，此时湍流发展非常旺盛，散射系数明显降低(张礼春等，2009;陆春松等，2011)。

图5为观测期间气溶胶散射系数小时平均值的频率分布统计。可见，南京北郊在观测期间气溶胶散射系数呈单峰分布，小时平均值出现频率最高的区间为100～200 Mm－1，约占30%;其次为200～300 Mm－1，约占 20%;而低于 100 Mm－1和高于500 Mm－1的散射系数均低于7%。

图4 观测期间气溶胶散射系数(a)与气象参数(包括相对湿度、温度、风速;b)的日变化Fig.4 Diurnal variations of(a)aerosol scattering coefficient，and(b)metrological parameters(including relative humidity，temperature and wind speed)in spring 2011

图5 观测期间(2011年3月7日—4月7日)气溶胶散射系数小时平均值的相对频率分布Fig.5 Relative frequency distribution of hourly means of aerosol scattering coefficient from 7 March to 7 A-pril 2011

2.2 散射系数与PM2.5、能见度的关系

通常认为气溶胶质量浓度与气溶胶散射系数之间存在着一定的相关性。一般来说，气溶胶质量浓度越高，其散射系数相应较大。对于单位质量浓度的气溶胶，细粒子的散射作用明显大于粗粒子(Bergin et al.，2001)。由于仪器故障，仅有4月3—7日的PM2.5质量浓度数据。图6给出了气溶胶散射系数与PM2.5质量浓度、能见度的逐时分布。可见，气溶胶散射系数与PM2.5质量浓度小时平均值的变化趋势具有较好的一致性，两者的相关系数为0.69。但两者与能见度均表现出负相关关系，散射系数越大，能见度越低。如4月7日的散射系数小时平均值达到586.3 Mm－1时，能见度仅有1.5 km;其相关系数为－0.88。PM2.5质量浓度越高，能见度也越低，相关系数为－0.61。

图6 2011年4月3—7日气溶胶散射系数、PM2.5质量浓度和能见度的逐时变化Fig.6 Hourly changes of aerosol scattering coefficient，PM2.5mass concentration and visibility during 3—7 April 2011

2.3 一次霾事件散射系数及其后向轨迹分析

根据中国气象局颁布的气象标准中，排除降水、沙尘暴、浮尘、扬沙、烟幕、吹雪、雪暴等天气外造成的视程障碍，将相对湿度小于80%且水平能见度小于10.0 km的天气现象判定为霾。相对湿度在80%～95%时，则按照大气成分指标进一步判定(全国气象防灾减灾标准化技术委员会，2010)。结合同期地面观测，以3月13日发生的一次典型霾过程为例，分析此次污染事件过程中气溶胶散射特性的变化及污染传输过程。根据空气质量日报来看，13日南京的空气污染指数达到114，首要污染物为可吸入颗粒物，达到轻微污染的级别。从出现的风向来看，造成此次霾事件的风向主要为南风和东南风(图7)。

图7 霾事件的风向频率分布Fig.7 Frequency distribution of wind direction during a haze event

图8给出了霾天气时(2011年3月13日)气溶胶散射系数和主要气象参数的日变化。13日的散射系数处于高值状态，日平均值达到700.5±341.4 Mm－1。从日变化特征来看，从00:00时散射系数(770 Mm－1)开始上升，20 min后增加到 1 200 Mm－1，随后开始下降，约维持在 900 Mm－1。到01:35散射系数开始迅速升高，在凌晨01:50左右散射系数达到最大值(约1 900 Mm－1)，此时风速较低(3.0 m/s)，空气中相对湿度约为57%，能见度约3 km。到早晨06:30散射系数在760～1 100 Mm－1上下浮动。07:50左右，风速下降到最低值(2.2 m/s)，散射系数上升至第二个峰值(约1 650 Mm－1)，此时相对湿度上升到65%，能见度降到2.0 km以下。08:00以后，风速开始加大，加上气温升高，混合层高度升高，使得湍流加强，污染物开始逐渐扩散，气溶胶散射系数明显下降，至10:15降低到480 Mm－1左右，同时能见度增加到4 km以上。从上午10:00一直到观测结束(21:30)，气溶胶散射系数维持在300～500 Mm－1，能见度在4.5～7.5 km。随后，南京地区开始出现降水，整个霾天气过程结束。

应用轨迹模式HYSPLIT4.8对南京2011年3月13日出现的污染进行72 h后向轨迹模拟(图9)。轨迹起始点距地面高度分别为100、500和1 000 m，模拟发现南京2011年3月13日污染物主要来自观测地点的南部和东南方向。同时，结合NCEP 2.5°×2.5°逐日再分析资料作出的1 000 hPa水平流场(图10)和地面实测资料(图7)均可以看出其结论与后向轨迹的结论一致。气团从东海途经台州地区，然后沿西北方向依次经过金华、衢州，又转东北方向经过杭州和湖州，最后气块沿西北方向北上到达南京。

图8 一次霾事件中气溶胶散射系数(a)、相对湿度(b)、风速(c)和能见度(d)的日变化Fig.8 Diurnal variations of(a)aerosol scattering coefficient，(b)relative humidity，(c)wind speed，and(d)visibility during a haze event

图9 霾期间(2011年3月13日)气块的72 h后向轨迹模拟Fig.9 Simulated 72 h back trajectories of air parcel in the haze day(13 March 2011)

3 结论

1)2011年3 月7日至4月7日，南京北郊在波长450、550和700 nm时气溶胶散射系数平均值分别为 421.8 ±223.4 Mm－1，311.5 ±173.3 Mm－1和205.5±117.5 Mm－1;最大和最小日平均值分别为700.5 ±341.4 Mm－1和98.3 ±53.3 Mm－1。

2)气溶胶散射系数具有双峰型的日变化特征，总体表现为夜间到清晨时段较高，中午及午后降至最低值;散射系数小时平均值出现频率最高的区间为100～200 Mm－1，其中低于 100 Mm－1的散射系数多出现在13:00—18:00，约占73%。

3)气溶胶散射系数与PM2.5质量浓度的逐时变化趋势具有较好的一致性，其相关系数为0.69;与能见度表现出明显的负相关，其相关系数为－0.88。

4)灰霾过程中气溶胶散射系数处于高值状态，日平均值达到700.5±341.4 Mm－1，最高值出现在01:50(1 900 Mm－1);整个过程风速和能见度较低，表明观测期间气象条件对气溶胶光学性质有较大的影响。结合地面观测资料、NCEP逐日再分析资料和后向轨迹模式分析显示，霾事件期间气块主要来自南京南部和东南方向。

图10 2011年3月12日1 000 hPa水平流场Fig.10 Horizontal streamline field at 1 000 hPa on 12 March 2011

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