孙俊英等:大气气溶胶散射吸湿增长特性研究进展 过观测,且测量结果多为总散射系数的吸湿增长,很洁,应用更广泛 少涉及后向散射或者后向散射比的吸湿增长。 4.3.2以化学组分为自变量的拟合 4.3气溶胶散射吸湿增长参数化拟合 Quinn等(2005)通过总结 INDOEX、 ACE-Asia 4.3.1以相对湿度为自变量的拟合 Fu ICARTT(International Consortium for Atmos 气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)有多种参数 pheric Research on Transport and Transformation) 化拟合方式,最为经典的是 Kasten(1969)年提出的3次大型气溶胶观测实验发现,气溶胶的散射吸湿 γ模型 增长因子可以近似简化为有机物-硫酸盐(POM- f(RH= c(1-RH)Y (4)SO-)混合气溶胶的散射吸湿增长因子。文中将 式中,为经验参数,与气溶胶的化学成分及数谱分f(RH)参数化为f(RH)=((100-RHd)/(100 布有关,c为比例系数( Hanel,1976)。该模型对无RH)),化学成分F表示为POM/(POM+SO 潮解现象的气溶胶吸湿增长曲线描述较好(Gass,其中POM和Sz分别为有机物和硫酸盐的质量 tal,2000; Carrico,etal,2003; Zieger,etal,浓度,研究发现γ与F。呈较强线性相关,这说明仅 2011,2010),且公式形式简洁(Heg,etal,仅根据有机物和硫酸盐的质量浓度便可以对散射吸 1993),被广泛应用于卫星遥感、辐射传输模型及全湿增长因子进行较好预测。 球气候模式中( Fraser,etal,1984; Kiehl,etal, Zhang等(2015)在长江三角洲背景区域研究发 1993;Gass,etal,2000)。但是该公式对有机物现,将气溶胶简化为有机物硝酸盐混合气溶胶可较 含量较高,吸湿增长能力较弱的颗粒物(如生物质燃好地预测该地气溶胶的散射吸湿增长因子,而有机 烧型气溶胶)的散射吸湿增长曲线描述不好,为此,物硫酸盐混合气溶胶并不能用来代表当地气溶胶 Kotchenruther等(1998)提出了另一种双参数拟合这说明临安地区的大气气溶胶中硝酸盐对气溶胶吸 模型 湿增长影响更为显著。 f(RH)=1+aRH° (5)4.4散射吸湿增长因子闭合研究 式中,a、b为经验参数,a决定了相对湿度为100% 将观测得到的散射吸湿增长因子和计算得到的 时气溶胶散射吸湿增长因子所能达到的最大值,b散射吸湿增长因子进行比较,开展散射吸湿增长因 决定了吸湿增长曲线的曲率( Zhan,etal,2015)。子的闭合研究,具体流程见图6。通常利用Me模 该模型对生物质燃烧型气溶胶( Kotchenruther,et 型( Bohren,etal,2008)对气溶胶散射吸湿增长因 al,1999)、沙尘气溶胶( Carrico,etal,2003;Magi 子进行模拟,假设粒子球形且均匀内混,将干状态和 etal,2003)、人为源排放气溶胶和城市气溶胶(Car-湿状态下气溶胶的数谱(dN(Dan)/ d glary rio,etal,2003;Pan,etal,2009; Zhan,etal,dN(D-)/dlgD)和复折射指数(my、mm)分别 2015)拟合效果较好。但是以上两种参数化模型均输入Mie模型,得到干状态和湿状态下气溶胶的散 不能很好地模拟颗粒物的潮解点和风化点,为此 射系数(asy、owm),再根据式(1)可得气溶胶散射吸 Kotchenruther等(1998)提出了更为准确的多参数湿增长因子(f(RH)a)。若计算所得散射吸湿增长 拟合模型 因子(∫(RH)。)与观测得到散射吸湿增长因子 f(RH)=(1+aRH)· (f(RH)s)吻合,则闭合成立;反之,闭合不成立 干状态下气溶胶数谱多由仪器测量(如 [1-1(x+tan1(1×102(RH-d))]+ TDMPS)得到,复折射指数一般由 Zdanoyskii- Stokes- Robinson(ZSR)方法计算得到。模拟的重 c(1-RH)[(x+tan-1(1×102(RH-d))] 点是对一定相对湿度下气溶胶散射系数的计算,而 (6)这一计算的重点是粒径吸湿增长因子g(RH)的确 该模型由函数将以上两个模型(式(4)、(5))结合得定。如果有g(RH)观测数据(如 HTDMA观测得 到,式中d代表潮解点(或风化点)所对应的相对湿到),其测量值一般只针对某几个粒径段,多采用插 度。虽然模型(6)对气溶胶散射吸湿增长的模拟更值和假设大粒径g(RH)恒定等方法将其 为准确、拟合效果更好,但模型(4)、(5)形式更为简分散到全粒径段。对于没有g(RH)观测资料的情过观测，且测量结果多为总散射系数的吸湿增长，很 少涉及后向散射或者后向散射比的吸湿增长。 ４．３ 气溶胶散射吸湿增长参数化拟合 ４．３．１ 以相对湿度为自变量的拟合 气溶胶散射吸湿增长因子犳（ＲＨ）有多种参数 化拟合方式，最为经典的是 Ｋａｓｔｅｎ（１９６９）年提出的 γ模型 犳（ＲＨ）＝犮（１－ＲＨ）－γ （４） 式中，γ为经验参数，与气溶胶的化学成分及数谱分 布有关，犮为比例系数（Ｈｎｅｌ，１９７６）。该模型对无 潮解现象的气溶胶吸湿增长曲线描述较好（Ｇａｓｓó， ｅｔａｌ，２０００；Ｃａｒｒｉｃｏ，ｅｔａｌ，２００３；Ｚｉｅｇｅｒ，ｅｔａｌ， ２０１１，２０１０），且 公 式 形 式 简 洁 （Ｈｅｇｇ，ｅｔａｌ， １９９３），被广泛应用于卫星遥感、辐射传输模型及全 球气候模式中（Ｆｒａｓｅｒ，ｅｔａｌ，１９８４；Ｋｉｅｈｌ，ｅｔａｌ， １９９３；Ｇａｓｓó，ｅｔａｌ，２０００）。但是该公式对有机物 含量较高，吸湿增长能力较弱的颗粒物（如生物质燃 烧型气溶胶）的散射吸湿增长曲线描述不好，为此， Ｋｏｔｃｈｅｎｒｕｔｈｅｒ等（１９９８）提出了另一种双参数拟合 模型 犳（ＲＨ）＝１＋犪ＲＨ犫 （５） 式中，犪、犫为经验参数，犪 决定了相对湿度为１００％ 时气溶胶散射吸湿增长因子所能达到的最大值，犫 决定了吸湿增长曲线的曲率（Ｚｈａｎｇ，ｅｔａｌ，２０１５）。 该模型对生物质燃烧型气溶胶（Ｋｏｔｃｈｅｎｒｕｔｈｅｒ，ｅｔ ａｌ，１９９９）、沙尘气溶胶（Ｃａｒｒｉｃｏ，ｅｔａｌ，２００３；Ｍａｇｉ， ｅｔａｌ，２００３）、人为源排放气溶胶和城市气溶胶（Ｃａｒ ｒｉｃｏ，ｅｔａｌ，２００３；Ｐａｎ，ｅｔａｌ，２００９；Ｚｈａｎｇ，ｅｔａｌ， ２０１５）拟合效果较好。但是以上两种参数化模型均 不能很好地模拟颗粒物的潮解点和风化点，为此， Ｋｏｔｃｈｅｎｒｕｔｈｅｒ等（１９９８）提出了更为准确的多参数 拟合模型 犳（ＲＨ）＝ （１＋犪ＲＨ犫）· ［１－ １ π（π ２ ＋ｔａｎ－１（１×１０２４（ＲＨ－犱）））］＋ 犮（１－ＲＨ）γ［１ π（π ２ ＋ｔａｎ－１（１×１０２４（ＲＨ－犱）））］ （６） 该模型由函数将以上两个模型（式（４）、（５））结合得 到，式中犱代表潮解点（或风化点）所对应的相对湿 度。虽然模型（６）对气溶胶散射吸湿增长的模拟更 为准确、拟合效果更好，但模型（４）、（５）形式更为简 洁，应用更广泛。 ４．３．２ 以化学组分为自变量的拟合 Ｑｕｉｎｎ等（２００５）通过总结ＩＮＤＯＥＸ、ＡＣＥＡｓｉａ 和ＩＣＡＲＴＴ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｓｏｒｔｉｕｍｆｏｒＡｔｍｏｓ ｐｈｅｒｉｃＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴｒａｎｓｐｏｒｔａｎｄＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ） ３次大型气溶胶观测实验发现，气溶胶的散射吸湿 增长因 子 可 以 近 似 简 化 为 有 机 物硫 酸 盐 （ＰＯＭ ＳＯ２－ ４ ）混合气溶胶的散射吸湿 增 长 因 子。文 中 将 犳（ＲＨ）参数化为犳（ＲＨ）＝（（１００－ＲＨｒｅｆ）／（１００－ ＲＨ））γ ，化学成分犉０ 表示为ＰＯＭ／（ＰＯＭ＋ＳＯ２－ ４ ）， 其中 ＰＯＭ 和ＳＯ２－ ４ 分别为有机物和硫酸盐的质量 浓度，研究发现γ与犉０ 呈较强线性相关，这说明仅 仅根据有机物和硫酸盐的质量浓度便可以对散射吸 湿增长因子进行较好预测。 Ｚｈａｎｇ等（２０１５）在长江三角洲背景区域研究发 现，将气溶胶简化为有机物硝酸盐混合气溶胶可较 好地预测该地气溶胶的散射吸湿增长因子，而有机 物硫酸盐混合气溶胶并不能用来代表当地气溶胶， 这说明临安地区的大气气溶胶中硝酸盐对气溶胶吸 湿增长影响更为显著。 ４．４ 散射吸湿增长因子闭合研究 将观测得到的散射吸湿增长因子和计算得到的 散射吸湿增长因子进行比较，开展散射吸湿增长因 子的闭合研究，具体流程见图６。通常利用 Ｍｉｅ模 型（Ｂｏｈｒｅｎ，ｅｔａｌ，２００８）对气溶胶散射吸湿增长因 子进行模拟，假设粒子球形且均匀内混，将干状态和 湿状 态 下 气 溶 胶 的 数 谱 （ｄ 犖珦 （犇ｄｒｙ ）／ｄｌｇ犇ｄｒｙ、 ｄ犖珦（犇ｗｅｔ）／ｄｌｇ犇ｗｅｔ）和复折射指数（犿ｄｒｙ、犿ｗｅｔ）分别 输入 Ｍｉｅ模型，得到干状态和湿状态下气溶胶的散 射系数（σｄｒｙ、σｗｅｔ），再根据式（１）可得气溶胶散射吸 湿增长因子（犳（ＲＨ）ｃａｌ）。若计算所得散射吸湿增长 因子 （犳（ＲＨ）ｃａｌ）与 观 测 得 到 散 射 吸 湿 增 长 因 子 （犳（ＲＨ）ｍｅａ）吻合，则闭合成立；反之，闭合不成立。 干 状 态 下 气 溶 胶 数 谱 多 由 仪 器 测 量 （如 ＴＤＭＰＳ）得 到，复 折 射 指 数 一 般 由 Ｚｄａｎｏｖｓｋｉｉ ＳｔｏｋｅｓＲｏｂｉｎｓｏｎ（ＺＳＲ）方法计算得到。模拟的重 点是对一定相对湿度下气溶胶散射系数的计算，而 这一计算的重点是粒径吸湿增长因子犵（ＲＨ）的确 定。如果有犵（ＲＨ）观测数据（如 ＨＴＤＭＡ 观测得 到），其测量值一般只针对某几个粒径段，多采用插 值 和 假 设 大 粒 径 犵 （ＲＨ）恒 定 等 方 法 将 其 分散到全粒径段。对于没有犵（ＲＨ）观测资料的情 孙俊英等：大气气溶胶散射吸湿增长特性研究进展 ６７９