5期 韦莲芳等:大气气溶胶消光性质的研究进展 707 式中,N是i粒径段颗粒物的数浓度(个m-3),由粒径谱测量得到;r1是i粒径段颗粒物的对数中位径 Qm和Q分别是颗粒物的散射效率和消光效率,二者是,和颗粒物折射率的函数光学复折射系数(m) 包括实部和虚部两部分,分别反映光散射与吸收的归一化比率. 气溶胶的消光系数还可通过能见度推算得到.气溶胶对可见光的削弱作用直接体现在大气能见度 的变化上因此大气的消光系数与能见度之间存在一定的经验关系公式.根据“朗伯-比尔”定律,得到 计算能见度的经典公式( Koschmieder公式)为 L=-hn0.02/b=3.912/b (4) 式中,L为能见度,3.912为 Koschmieder常数 基于对气溶胶光学特性的描述以及测量方法的介绍,简单对其测量方法进行优缺点的对比,见表1 表1气溶胶光学特性测量方法的对比 Table 1 Comparison of measurement methods of aerosol optical properties 缺点 外场观测 可获得高精度、高分辨率的连续在线气溶胶散射及吸收系数.运作成本大,观测仪器的校准工作较麻烦. 理想实验环境下可进行参数控制研究(如纯化学物种的吸湿增 实验室模拟 长因子、密度以及折射指数)是深入研究气溶胶的光学特性、实验结果与实际大气光学特性的分析结果 辐射强迫以及气候效应的关键手段. 有一定的偏差 仅针对球形且成分均匀 群;对输入参 Mie数值模型模拟需颗粒物数浓度和化学成分粒径谱及各化学组分的复折数的假设依赖性很强模 与实测值有 定的偏差,需进行不确定性评估和结果 2大气气溶胶消光性质的影响因素 近几年,国内外对大气消光性质开展了大量的实验室分析、外场观测和数值模型计算研究.结果表 明,气溶胶消光性质不仅与颗粒物浓度和粒径大小相关,也依赖化学组分和混合状态.虽然相对湿度本 身并不引起能见度降低,但影响颗粒粒径谱分布、形态及复折射率等凹.以下将从气溶胶质量浓度、粒 径分布、相对湿度、化学组成和混合状态等方面进行讨论 2.1气溶胶质量浓度的影响 上世纪60年代国外开展了大气能见度变化趋势研究,发现能见度与细粒子质量浓度有较好负相关 性.进入21世纪后,我国不少地区能见度出现了大幅度下降.国内学者通过对京津冀和珠三角等城 市群能见度进行统计分析,指出细粒子是导致能见度下降的主要原因01,20. Carrico以及程雅芳 等发现气溶胶散射系数与在线PM2相关性(R2)达到0.80. Koloutsou- akakis等研究结果表明散射 系数与PM1的线性相关性达到0.83.在2001年大型观测实验计划“亚洲气溶胶特性观测实验(ACE Asia)”中,Xu等分别对沙尘以及污染天气溶胶的光散射系数与其质量浓度进行相关性分析,也得出很 好的线性关系.因此尽管气溶胶化学组分存在时空尺度的变化,但其散射系数与细粒子(PM1或者 PM2s),甚至是PM0之间都具有很好的线性相关性 颗粒物消光能力可以用质量消光、散射和吸收效率(单位质量浓度的颗粒物消光、散射和吸收系 数,单位m2g)来表征.已开展的气溶胶光学特性的观测中,质量消光、散射和吸收效率呈现不同的时 空变化.Chow等总结了不同地区PM2s质量散射效率,美国 Bakersfield冬季为3.4m2g-,1997年 Mexico City冬季为5.4m2g-1,其他地区为2-3m2g1. Waggoner和weis总结PM2s质量散射效率 为294-3.2m2g-1.与 bergin等在北京的研究结果23-3.6m2g-较为相近.古金霞等对天津 市PM2s干散射效率的季节变化特征进行研究,其中冬季干散射效率最大,达到5.18m2·g-,高于其他 研究结果;由于春季多风沙,其散射效率仅为1.6mg-1.与Ⅻu等ACE-sia观测结果相似,榆林沙 尘期间为1.0m2g-1,以局地源贡献为主的污染天为3.0m2g-1圆.临安PM2s干散射和吸收效率分别 为4.0m2g和8.6m2g国.Bond和 Bergstrom对气溶胶吸收效率进行了系统总结,发现其变化范围 为5-13m2g,近源处(如柴油机发动机以及隧道中)质量吸收效率为6-9m2g-.而普遍使用的黑 21994-2014ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net5 期 韦莲芳等: 大气气溶胶消光性质的研究进展 707 式中，Ni是 i 粒径段颗粒物的数浓度( 个·m － 3 ) ，由粒径谱测量得到; ri是 i 粒径段颗粒物的对数中位径; Qext和 Qsp分别是颗粒物的散射效率和消光效率，二者是 ri和颗粒物折射率的函数． 光学复折射系数( n) 包括实部和虚部两部分，分别反映光散射与吸收的归一化比率． 气溶胶的消光系数还可通过能见度推算得到． 气溶胶对可见光的削弱作用直接体现在大气能见度 的变化上． 因此大气的消光系数与能见度之间存在一定的经验关系公式． 根据“朗伯 － 比尔”定律，得到 计算能见度的经典公式( Koschmieder 公式) 为［13］: LV = － ln0． 02 / bext = 3． 912 / bext ( 4) 式中，LV为能见度，3． 912 为 Koschmieder 常数． 基于对气溶胶光学特性的描述以及测量方法的介绍，简单对其测量方法进行优缺点的对比，见表 1． 表 1 气溶胶光学特性测量方法的对比 Table 1 Comparison of measurement methods of aerosol optical properties 方法 优点 缺点 外场观测 可获得高精度、高分辨率的连续在线气溶胶散射及吸收系数． 运作成本大，观测仪器的校准工作较麻烦． 实验室模拟 理想实验环境下可进行参数控制研究( 如纯化学物种的吸湿增 长因子、密度以及折射指数) ． 是深入研究气溶胶的光学特性、 辐射强迫以及气候效应的关键手段． 实验结果与实际大气光学特性的分析结果 有一定的偏差． Mie 数值模型模拟 只需颗粒物数浓度和化学成分粒径谱及各化学组分的复折 射率． 仅针对球形且成分均匀的颗粒群; 对输入参 数的假设依赖性很强． 模拟结果与实测值有 一定的偏差，需进行不确定性评估和结果 修正． 2 大气气溶胶消光性质的影响因素 近几年，国内外对大气消光性质开展了大量的实验室分析、外场观测和数值模型计算研究． 结果表 明，气溶胶消光性质不仅与颗粒物浓度和粒径大小相关，也依赖化学组分和混合状态． 虽然相对湿度本 身并不引起能见度降低，但影响颗粒粒径谱分布、形态及复折射率等［21］． 以下将从气溶胶质量浓度、粒 径分布、相对湿度、化学组成和混合状态等方面进行讨论． 2． 1 气溶胶质量浓度的影响 上世纪 60 年代国外开展了大气能见度变化趋势研究，发现能见度与细粒子质量浓度有较好负相关 性［22-23］． 进入 21 世纪后，我国不少地区能见度出现了大幅度下降． 国内学者通过对京津冀和珠三角等城 市群能见度进行统计分析，指出细粒子是导致能见度下降的主要原因［10-12，24］． Carrico ［25］以及程雅芳 等［26］发现气溶胶散射系数与在线 PM2． 5相关性( Ｒ2 ) 达到 0． 80． Koloutsou-Vakakis 等研究结果表明散射 系数与 PM1的线性相关性达到 0． 83 ［27］． 在 2001 年大型观测实验计划“亚洲气溶胶特性观测实验( ACE￾Asia) ”中，Xu 等分别对沙尘以及污染天气溶胶的光散射系数与其质量浓度进行相关性分析，也得出很 好的线性关系［28］． 因此尽管气溶胶化学组分存在时空尺度的变化，但其散射系数与细粒子( PM1或者 PM2． 5 ) ，甚至是 PM10之间都具有很好的线性相关性． 颗粒物消光能力可以用质量消光、散射和吸收效率( 单位质量浓度的颗粒物消光、散射和吸收系 数，单位 m·2 g － 1 ) 来表征． 已开展的气溶胶光学特性的观测中，质量消光、散射和吸收效率呈现不同的时 空变化． Chow 等总结了不同地区 PM2． 5 质量散射效率，美国 Bakersfield 冬季为 3． 4 m·2 g － 1 ，1997 年 Mexico City 冬季为 5． 4 m·2 g － 1 ，其他地区为 2—3 m·2 g － 1［29］． Waggoner 和 Weiss 总结 PM2． 5质量散射效率 为 2． 94—3． 2 m·2 g － 1［30］． 与 Bergin 等在北京的研究结果 2． 3—3． 6 m·2 g － 1 较为相近［31］． 古金霞等对天津 市 PM2． 5干散射效率的季节变化特征进行研究，其中冬季干散射效率最大，达到 5． 18 m·2 g － 1 ，高于其他 研究结果; 由于春季多风沙，其散射效率仅为 1． 6 m·2 g － 1［32］． 与 Xu 等 ACE-Asia 观测结果相似，榆林沙 尘期间为1． 0 m·2 g － 1 ，以局地源贡献为主的污染天为 3． 0 m·2 g － 1［28］． 临安 PM2． 5干散射和吸收效率分别 为 4． 0 m·2 g － 1 和 8． 6 m·2 g － 1［33］． Bond 和 Bergstrom 对气溶胶吸收效率进行了系统总结，发现其变化范围 为 5—13 m·2 g － 1 ，近源处( 如柴油机发动机以及隧道中) 质量吸收效率为 6—9 m·2 g － 1 ． 而普遍使用的黑