大气气溶胶吸湿性质观测、模型研究——以北京、珠江三角洲地区为例

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研究气溶胶吸湿性质在整个大气气溶胶科学研究中处于基础地位,对此问题的深入了解必将对研究探索大气气溶胶的环境、气候、人体健康效应打下坚实的基础。众多研究者从实验室分析、外场实验、数值模拟三个方面来研究颗粒物的吸湿性质。与众多的国外研究颗粒物吸湿性相比较,国内在此方面的研究,整体上看数量偏少;在研究方法上也比较单一,仅仅涉及光学仪器的观测及基于观测的数值模拟。 本文提出了一种大气气溶胶散射吸湿增长因子的综合计算方法:实际测量的环境相对湿度下的大气消光系数减去气溶胶的吸收系数、污染气体NO2的光吸收系数、干洁大气瑞利(Rayleigh)散射系数得到环境湿度下气溶胶的散射系数,并与相应的干燥状态下气溶胶的散射系数相比较,得到气溶胶散射吸湿增长因子。基于反向轨迹模型HYSPLIT,对广州市区2006年7月气团的源地进行分析,并参考气溶胶散射吸湿增长因子特征,将到达广州市区观测站的气溶胶分为海洋型、海洋及大陆混和型、城市型3个类型。2006年PRD加强观测期间,海洋型、海洋及城市混和型、城市型气溶胶的散射吸湿增长因子F(RH=80%)的平均值、方差分别为2.68±0.59、2.29±0.28、2.04±0.28。2006年CareBeijing加强观测期间,北京市区f(RH=80%)的值为1.63±0.19,明显小于广州观测值,这个差别是由两地颗粒物化学构成决定的。 经验公式f(RH)=1+α(RH/100)b能够较好的拟和广州市区3种类型的气溶胶散射吸湿增长因子,分析了气溶胶散射吸湿增长因子与化学组分质量分数的关系进行了统计分析。结果表明气溶胶散射吸湿增长与可溶性组分质量分数(WSF)、海盐质量分数(SSF)成正相关,而与总碳质量分数(TCF)成反相关。 大气气溶胶散射吸湿增长因子模型研究方面,首先对各离子组分的可能存在形态进行判断、重建并计算相对应的化学组分质量浓度,综合MOUDI、PILS的外场观测数据,得到高时间分辨率各化学物种粒径数谱浓度;利用Mie模型及各化学物种的密度、折射率、吸湿粒径增长因子等物理、经验参数计算得到外混、内混的粒子群在干燥状态、不同相对湿度下的散射系数,最终计算得到不同化学组分外混、内混两种状态下的散射吸湿增长因子;把基于观测结果的外混、内混模型模拟的气溶胶散射吸湿增长因子与实际观测得到的该因子进行对比分析,结果发现不论是广州还是北京,不论是外混模型还是内混模型,模拟值均与观测值能够时间分布趋势一致、相关性较好,从而达到气溶胶散射吸湿增长因子观测值与气溶胶外混、内混模型模拟值的“局地闭合”。 在闭合实验的基础上,对气溶胶散射吸湿增长因子在大气辐射传输过程中的作用及影响从大气水平能见度、大气辐射强迫2个方面进行了阐述。加强观测期间,在广州、北京市区,大气气溶胶的散射、吸收占了干燥大气总消光的~87%;显然,大气气溶胶是影响广州、北京市区水平能见度的首要污染物。与干状态下水平能见度相比,广州、北京夏季环境湿度下的平均水平能见度均降低了大概一倍。因此,控制大气气溶胶污染是改善广州、北京市区水平能见度的有效途径。另外,大气中的吸水性化学组分在充沛水汽条件下会使能见度成倍的恶化,因此控制易溶于水的颗粒物(如硫酸盐、铵盐、硝酸盐)及其前体物的排放是改善广州、北京市区水平能见度的重要途径。 在广州、北京市区,随着环境相对湿度的增大,城市型、城市/海洋混和型、海洋型大气气溶胶辐射强迫吸湿增长因子均在单调增长,而且城市型气溶胶由于相对于混和型、海洋型气溶胶较小的散射吸湿增长因子,其辐射强迫吸湿增长因子在三类气溶胶中也是最小的。在80%的环境相对湿度下,广州市区大气气溶胶辐射强迫吸湿增长因子(1.92)较北京市区相应值(1.54)高24.7%。这是因为广州市区大气中有相对丰富的海盐型气溶胶存在,其气溶胶辐射强迫吸湿增长因子较北京市区为大。
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