灰霾天气对大气气溶胶光学特征的影响

魏 超，朱昊辰，钱佳丽，李光明

(同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

1 引言

2002年8月，联合国环境署 (UNEP)正式启动了大气棕色云项目。2008年11月，UNEP正式发布《大气棕色云:亚洲区域评估报告》(Atmospheric BrownClouds-Regional Assessment Report with Focus on Asia)［1］。报告对亚太地区 Atmospheric BrownClouds(ABCs)的现状作了较为详细的评估。其中北京、上海、深圳被列为ABCs热点地区。大气环境污染已经成为我国当前最严峻的环境问题之一［2］。大气棕色云又称为“霾”，其内部含有大量的工业与生活污染造成的烟尘、微小金属颗粒等。由于存在散射和反射等作用，霾对大气光学特征影响明显，也使到达地表的阳光热量减少。近年来，城市灰霾天气发生频率日益增加，且影响范围不断扩大。据资料报道，天津、上海、广州、深圳等城市，灰霾天数占到了全年天数的30%～50%，我国大部分地区细颗粒物平均浓度，超出世界卫生组织规定的污染指标 8 倍 (接近 80 μg/m3)［3，4］。根据中国环境质量状况公报中的调查情况看出，2013年全国开展PM2.5环境监测的74座重点城市中，仅有三座城市PM2.5年均浓度达到国家二级标准，74座城市PM2.5平均浓度却高达国家二级标准的2.06倍［5］。现如今大气环境污染已受到国内民众的广泛关注。

灰霾天气不仅会导致能见度降低，而且严重影响正常的交通运输与工农业活动;更严重的是，灰霾天气将导致空气中的细颗粒物浓度急速增加，从而导致二次气溶胶的形成，使得气溶胶中携带的毒害成分对人体健康造成极大危害。国际癌症研究机构 (IARC)组织在2013年10月17日首次宣布将室外空气污染整体评定为一级致癌物［6］。

目前，国内对于灰霾期间气溶胶的研究仍处于初期阶段，主要研究方向主要集中在:粒径分布污染现状、时空分布等方面。对于灰霾期间气溶胶的光学特征，如消光系数，散射系数，单次反照率，气溶胶光学厚度等因素的研究较少。近几年的研究中，吴国平等［7］对我国兰州、重庆、武汉、广州等城市大气颗粒物污染的季节变化特征进行了研究，多数情况下均是冬春季污染最重，秋季次之，而夏季则最轻;吴兑等［8］研究表明，广州市灰霾天气主要出现在10月至次年4月，冬季灰霾发生频率较高;盛立芳等［9］观测到一次海雾过程中，气溶胶消光系数为1.21 km-1，其中消光作用的主要因素是大于0.5 μm 粒子;闵敏等［10］观测河北香河在灰霾暴发期间的气溶胶光学厚度，测得光学厚度增长4倍，Angstrom波长指数下降三分之一，焦艳［11］的结果显示出，散射系数与 PM2.5质量浓度有较好的相关性;吸收系数的季节变化较为明显，将夏秋季和冬春季的吸收系数分别与 PM2.5浓度作线性拟合，也能得到较高的相关系数。从上面的例子中发现，灰霾期间的气溶胶光学特征的变化十分显著，研究气溶胶的光学特征能更全面的了解污染物对于灰霾天气的影响，例如从气溶胶光学特征的谱分布来了解其中颗粒物的性质;从吸收、散射系数、Angstrom波长指数的变化了解灰霾的爆发与颗粒物粒径之间的关系。总体而言，灰霾是易于定量的，且是直观的视觉空气质量指标，进而也能为今后灰霾天气的预警打下基础。

2 灰霾期间气溶胶的光学特征变化

气溶胶一般是指大气中悬浮着的各种细小固体与液体粒子，粒径范围为0.001～100μm。虽然气溶胶在大气中的含量相对较少，但是对大气辐射、光学特性等物理性质起着重要的作用。气溶胶粒子一方面充当棕色云的凝结核，使云滴数密度增加，从而增强云层对太阳辐射的反射，削弱 (吸收和散射)太阳辐射，并且将少部分太阳辐射散射(反射)回宇宙，从而减少入射到地面上的能量，降低了低层大气的温度;另一方面气溶胶粒子本身也会吸收太阳辐射的能量使自身增温，通过大气运动传输提高大气温度。因此气溶胶颗粒物已成为大气污染中十分重要的因素之一，同时由于灰霾中气溶胶含有的细颗粒物对光的传播过程有一定阻碍作用，所以灰霾天气过程对气溶胶的光学厚度、单次散射反照率等光学特性都有一定程度的影响。

2.1 灰霾期间气溶胶的时空分布

由于各地气候及地理环境的差异，灰霾产生的季节与时间分布也不相同，尤其我国冬季出现灰霾天气的情况较为普遍。北方冬季主要由于燃煤集中供暖产生了大量的颗粒物，为灰霾天气的产生提供了来源。Li等［12］研究发现，乌鲁木齐冬季大气污染比较严重;吴国平等［7］发现，兰州地区也是冬季大气污染最为严重。由于冬天天气干燥、气温低、空气湿度低、季风等因素，冬天也是我国南方地区灰霾高发时期。金均等［13］通过研究杭州市灰霾天气的基本特征，发现杭州市灰霾天数冬春季明显高于夏秋季;张立多等［14］在探讨灰霾天气对厦门市能见度影响的研究中发现，灰霾多发生在秋冬季，1月份最多，7月份最少;同时Tan等［15］对广州市冬夏两次灰霾事件的颗粒物进行分析，发现两次灰霾期间PM10对总悬浮颗粒物 (TSP)的贡献率不同，冬季PM10所占TSP比例也高于夏季。综上所述，我国冬季灰霾的发生频率较高，可能是冬季由于较低的相对湿度、较高的颗粒物质量浓度与其他气象因素等决定，秋季和冬季主要受大陆高压系统控制，大气层结稳定，逆温出现频率高，污染物扩散条件差。而夏季灰霾出现的几率较低，可能正好与夏季相对湿度偏高有关。在较高的相对湿度下，细粒子相互碰转化成粗粒子，最终沉降而使得灰霾发生的几率降低，同时夏季也是降雨的高发季节，雨水的冲刷对于空气的清洁也是有利的条件。

2.2 灰霾期间气溶胶对能见度的影响

大气能见度的变化可以间接反映大气污染状况，能见度越高说明空气越洁净。而大气能见度降低是气象因素和空气污染共同作用的结果，除部分气象因素外，能见度的降低主要是由于大气污染物的积累造成的，尤其是大气气溶胶颗粒对可见光吸收和散射所产生的消光作用所致。张新玲等［16］对比了1993年和2002年观测期间的南京大气环境质量，发现TSP的质量浓度无明显差异，但颗粒物总数显著增加，从而可以看出TSP中细颗粒物所占比例有所增加，会为能见度恶化及灰霾天气形成提供了有利条件;Kim等［17］观测了2004年韩国光州城区和远郊出现灰霾天气的污染特征，认为气溶胶颗粒物产生的二次污染物对消光的贡献最大，这与Shen等对西安市大气环境研究的结果有相似之处。Shen［18］在文中指出:能见度与 PM2.5质量浓度有好的相关性，灰霾中的二次污染物不仅是PM2.5的主要产生来源，也是气溶胶中细颗粒物浓度升高的主要因素。因此，大气能见度的变化与气溶胶细粒子 (如PM2.5等)污染有十分密切关系，能见度降低的主要原因是由于气溶胶颗粒物对光的散射，而其中细颗粒物与可见光的波长相近，对于光的散射有明显作用，从而对能见度也起抑制作用。同时能见度也是普通老百姓对空气质量的一个最直观的感受，因此能见度是当前大气测量的重要指标。

2.3 气溶胶质量谱分布的观测研究

气溶胶粒子谱分布是通过计算气溶胶粒子的辐射强迫和研究气溶胶的气候效应基本参数的输入，因此不同类型的气溶胶也具有不同的粒度分布特征，而大气气溶胶颗粒的数浓度以及质量浓度不仅影响着大气的能见度，达到一定程度后还会危害人类健康，因此气溶胶质量的谱分布是气溶胶重要的性质之一，质量谱分布描述了不同粒径下的数浓度分布特征。Zhang等［19］对1999年北京气溶胶谱分布进行了观测，发现峰值主要存在于0.5～0.7μm之间，同时得出当相对湿度大于75%时，气溶胶质量谱分布数浓度与相对湿度正向相关，而当相对湿度小于75%时，两者反向相关;胡敏等［20］选取了2004年7月中一次3种连续不同天气条件 (高温闷热晚、日间高温高湿和雨后清洁)，测量了颗粒物的质量浓度分布，结果表明细粒子质量浓度占到PM10的68%，50～100nm粒径处颗粒物的数浓度最高。Yang等［21］分析了南京市2007年发生的一次灰霾事件中细颗粒物的性质，发现灰霾中PM2.5的平均质量浓度是非灰霾天气的1.19倍，此次灰霾中PM2.5污染比非灰霾期间严重得多，而且所有PM2.5日平均浓度均超过 EPA(Environmental Protection Agency)的最低标准。由上述研究可以得出，气溶胶质量谱中偏重于细颗粒物，且细颗粒物占到总质量浓度中的绝大多数，灰霾期间细颗粒物所带来的污染严重，同时大气气溶胶颗粒物导致能见度降低的主要贡献来自于细颗粒物;然而细颗粒物不仅是诱发灰霾的原因之一，同时也是灰霾期间影响大气气溶胶光学特性的主要因素。

2.4 气溶胶光学厚度与Angstrom波长指数的变化

气溶胶光学厚度 (aerosol optical depth，AOD)是衡量气溶胶粒子对太阳辐射衰减强弱能力的重要参数，而Angstrom波长指数 (α)是一个用来衡量气溶胶粒子大小的重要光学参数，两个参数都是在不同的波长条件下测量出来的结果，都是和粒径大小有关的光学参数。气溶胶光学厚度 (AOD)和Angstrom波长指数 (α)是气溶胶光学特征2个基本的光学参数，也是研究气候变化的关键因素。AOD不仅能反映整层大气柱的气溶胶含量，而且成为评价大气污染的一个关键性指标。一般来说，AOD值越小，大气越清洁;反之，大气越浑浊。而Angstrom波长指数其值越大，说明粒子越小，反之亦然。对于分子而言，α最大可达到4。而粗粒子的α可以低至零或负值。

气溶胶光学厚度的测量取决于温度，湿度，风速等因素，因此季节、气候等因素对于气溶胶光学厚度与Angstrom波长指数的测量显得尤其重要。Xia［22］等分析了2001年3月至5月和2002年4月至2004年10月北京的气溶胶光学特征，其中包括气溶胶光学厚度等光学特性。观测结果表明北京的光学厚度从1月至6月逐渐增加，夏季的光学厚度分别是秋季的2倍，冬季的3倍和春季的4倍;Yu等［23］统计了2002年至2007年AERONET北京站点观测的气溶胶光学性质的变化，总结了四季光学性质的差异，其中光学厚度在春季 (3月～5月)和夏季 (6月～8月)出现高值，Angstrom指数在夏季最高，春季最低。研究认为，春季沙尘和人类排放污染的影响是春夏的AOD与α值增加的主要原因。

灰霾天气发生时稳定的天气形势十分有利于颗粒物的积累，同时对太阳辐射衰减加剧，从而影响气溶胶光学厚度与Angstrom波长指数。于兴娜等［24］利用2002年～2008年AERONET资料分析了北京灰霾天气期间气溶胶光学厚度，Angstrom波长指数等气溶胶光学特性参数，发现北京灰霾天气时平均Angstrom波长指数是沙尘源区的2倍多，发现气溶胶中细污染粒子是能见度降低的主要原因;同时发现灰霾天气条件下气溶胶光学厚度随波长的增大而减小，说明灰霾期间气溶胶粒子对太阳光的衰减具有波长选择性。

2.5 散射、吸收系数与单次散射反照率的变化

气溶胶粒子的单次散射反照率 (single scattering albedo，SSA，ω)是反映气溶胶粒子散射所占总消光比例的重要光学参数之一，同时也是评估气溶胶气候效应的关键变量之一。对于气溶胶单次散射反照率有多种获取方法，而其中最为直接的方法就是通过测量气溶胶散射系数与吸收系数或消光系数进行。散射系数与消光系数的比值就是实时的单次散射反照率，因此散射、吸收系数是单次散射率的直接表现。

2.5.1 季节变化对于单次散射反照率的影响

单次散射反照率决定了气溶胶对辐射强迫的正、负效应，其微小变化会对辐射强迫计算产生较大影响。Li等［25］2004年9月～2005年9月在北京的香河县对单次散射反照率的观测进行了分析，其结果显示出香河区域经常被一层厚厚的霾所覆盖，观测期间的单次散射反照率年平均值较高，虽然季节对于单次散射反照率的变化不太明显，但是日与日之间的变化非常显著。Xia等［26］通过反演了2005年9月～2006年8月太湖市的单次散射反照率，结果同样显示出，单次散射反照率的年平均值较高，虽然季节规律性变化不够明显 (冬季出现的较小值与夏季出现的较大的值差距不明显)，但是单次散射反照率日与日之间的变化非常显著。综上所述，虽然单次散射反照率的季节变化不够明显，但是日间的变化显著，可能由于较大的光学厚度和光强吸收，产生了较大的地面辐射效应和相对较小的大气层顶的辐射效应;同时影响单次散射反照率的因素有很多，在多种因素相互作用下说反应出来的季节变化不够明显，而连续几天的观测中，变化与影响因素较少，因此日间变化明显。

灰霾天气一部分来源于人为排放的气溶胶颗粒物，另外一部分来自于大气化学反应后产生的二次气溶胶颗粒。灰霾天气爆发时二次气溶胶含量增加，对单次反照率有直接影响。颜鹏等［27］通过在2004年秋冬季 (9～12月)北京上甸子大气本底监测站的4次灰霾天气过程，观测了大气气溶胶的散射和吸收系数。发现灰霾天气对该地区的气溶胶光学特性影响很大，4次灰霾天气影响的时段中，单次散射反照率均高于灰霾过后的清洁时段值，从中可以发现灰霾天气对气溶胶累积和生成起重要作用，因此在灰霾天气时，二次气溶胶的产生对消光的贡献大大增加，从而间接影响了单次散射反照率的数值。由此可见灰霾天气期间ω增大主要与灰霾天气影响下气溶胶中散射性气溶胶及二次气溶胶含量增加有关。

2.5.2 雾霾天气对散射、吸收系数与单次反照率的影响

大气气溶胶的气候效应十分复杂，气溶胶粒子会削弱 (吸收和散射)太阳辐射，因此细粒子的吸收与散射作用是气溶胶光学性质的重要参数之一，它反映了气溶胶对辐射传输的影响与气溶胶对消光效应的一个直观反映。气溶胶粒子的成分、粒径大小、浓度等因素直接影响着总消光数，从而间接影响到单次散射反照率的大小。Bergin等［28］在1999年6月10日～16日在北京奥林匹克中心观测站进行了短期观测，在相对湿度小于40%的情况下，散射系数的高值与PM2.5质量浓度具有很好的一致性;在这段观测期间内，散射系数和单次散射反照率早晨高，夜间低;颜鹏等［27］发现，由于灰霾天气的影响，北京上甸子大气本底污染监测站测量到了较高的气溶胶散射系数和吸收系数，此时的单次散射反照率也要明显大于非灰霾时期;He等［29］在北京大学物理楼于2005年1月～2006年12月相对湿度小于60%时的单次散射反照率进行了2年的长期观测，研究表明吸收系数呈现明显的日变化，其中最小值出现在午后的14:00～15:00，最大值出现在午夜;散射系数高峰出现在上午10时左右，低值出现在夜晚;Garland等［30］在2006年8月1日～9月16日期间，观测了北京南部的榆堡镇散射和吸收系数，观测表明在17时至20时之间，吸收系数有很大增强，单次散射反照率可达最低，这可能和交通排放有关;于兴娜［24］等研究表明，在任一光学厚度情况下，灰霾天气期间单次散射反照率与波长呈现出先增大后减小的趋势;在波长675nm时的单次散射反照率达到最大，而在波长440nm时平均 ω为0.89，近似于 MexicoCity［31］、Kanpur［32］的研究值，但低于北京上甸子灰霾期间的平均 ω［9］;徐政等［33］观测济南秋季灰霾天气时，发现散射系数与吸收系数均比非霾天气高出近3倍，单次散射反照率也高于非灰霾天，气溶胶光学厚度高于非灰霾天气2倍以上;柯宗建等［34］研究表明，散射系数与PM2.5质量浓度存在着一定的相关性，一般气溶胶质量浓度大，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。综上所述，大气气溶胶散射系数在一天内呈现白天高，夜间低的变化趋势，而吸收系数则刚好相反;同时气溶胶散射、吸收系数均与细颗粒物 (如PM2.5)质量浓度有较好的相关性，与细颗粒物质量浓度的小时平均值的变化趋势也非常相似，基本上会表现出相同的变化趋势。

3 结论

由于经济规模迅速扩大和城市化进程加快，大气气溶胶污染日趋严重，灰霾是以细颗粒物 (主要是PM1和PM2.5)为载体，因气象要素和污染因素共同作用而产生的一种危害性天气现象。灰霾的频繁发生不仅会对交通安全造成严重影响，而且还会对人的身心健康产生危害。通过国内外相关研究的综述，可以得到以下结论:

(1)由于较高PM2.5质量浓度和低相对湿度是引起灰霾天气的原因之一，灰霾天气多发生在冬季，夏季灰霾出现的几率较低。

(2)大气气溶胶颗粒物能降低能见度主要贡献来自于细颗粒物，能见度降低的主要原因是由于气溶胶对光的散射，而其中细颗粒物与可见光的波长类似，对于光的散射有明显作用，从而对能见度也起抑制作用。

(3)灰霾天气发生时稳定的天气形势十分有利于颗粒物积累，灰霾天气条件下气溶胶光学厚度随波长增大而减大，说明污染事件期间气溶胶粒子对太阳光的衰减具有一定的波长选择性。

(4)在灰霾天气时，二次气溶胶的产生对消光的贡献大大增加，ω增大主要与灰霾天气影响下气溶胶中散射性气溶胶及二次气溶胶含量增加有关;同时大气气溶胶散射系数和吸收系数均与PM2.5质量浓度均较好的相关性;气溶胶散射系数与PM2.5质量浓度小时平均值的变化趋势也非常相似，基本上表现出同位相变化。

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