徐州冬季雾-霾天颗粒物粒径及气溶胶光学特性变化特征

为研究徐州冬季雾-霾天气形成过程中颗粒物粒径及气溶胶光学特性的变化特征,分析了2014年12月1日～2015年2月28日徐州大气颗粒物质量浓度（PM₁₀、PM_2.5、PM₁）、数浓度（0～1μm、1～2.5μm、2.5～10μm）和气溶胶光学特性等数据.结果表明：0～1μm粒径范围细颗粒物的大量增多是引发徐州冬季雾-霾天气的主要因素,徐州冬季地面风速小（静风或轻风天气）,较高的大气相对湿度对雾-霾的形成和维持起着重要影响作用.持续时间较长的雾霾天气,因颗粒物吸湿增长和水汽附着,1～10μm粒径范围大气颗粒物在雾霾时段易发生沉降而减少,后随相对湿度降低雾霾转为短时间的霾天气,1～10μm颗粒物数浓度大幅上升.徐州冬季500nm波段AOD_total和AOD_{fine mode}具有相同的变化趋势,雾-霾日AOD_total和AOD_{fine mode}显著高于非霾日.AOD_{fine mode}与AOD_{coarse mode}的比值雾-霾日亦明显高于非霾日,而且在雾-霾日Angstrom波长指数主要集中在1～1.6,表明徐州冬季雾-霾时段大气中细颗粒物为主控粒子.     

基于气溶胶光学特性垂直分布的一次浮尘过程分析

为了进一步认识上海地区浮尘污染的垂直分布特征,利用地面微脉冲激光雷达(MPL)和CALIPSO星载激光雷达对2009年10月19日远程输送到上海的一次典型浮尘过程的气溶胶光学特性进行分析.结果表明,此次浮尘过程气溶胶层主要存在于2km以下低空中,气溶胶后向散射系数范围0~0.015 km-1·sr-1,MPL消光系数范围0~0.32 km-1.浮尘过程中消光系数先增加后降低,气溶胶层不断抬升.浮尘天气2km以下大气中存在大量小粒径气溶胶颗粒,而0~0.5 km近地面则以颗粒较大的气溶胶为主;2~10 km大气中仅存在少量不规则气溶胶,其中4~6 km高度范围的大气由不规则气溶胶和规则气溶胶混合组成,球型和非球型粒子均存在.CALIPSO星载激光雷达532 nm总后向散射系数和MPL归一化相对后向散射系数的垂直分布特征基本一致.CALIPSO和MPL获得的消光系数垂直分布均随着高度增加而减少,但消光系数值存在较大差异.两者结合起来可以较全面客观地对上海地区浮尘天气进行观测.     

北京雾霾天气期间气溶胶光学特性

为了解北京地区雾霾天气条件下大气气溶胶的光学特性,利用2002～2008年AERONET资料分析了雾霾天气期间气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、粒子尺度谱分布和单次散射反照率等气溶胶光学特性参数.结果表明,北京地区雾霾天气期间气溶胶光学厚度表现出较高值,且随波长增大而减小,440 nm时平均气溶胶光学厚度达到1.34.Angstrom波长指数在雾霾天气时也表现出较高值,平均值达到1.11;其中高于0.9的波长指数出现频率达到94%,说明北京雾霾天气期间气溶胶粒子主要以细粒子为主.气溶胶体积尺度谱分布表现出双峰型结构,细模态的平均峰值半径随光学厚度增大而增大,而粗模态的平均峰值半径却随光学厚度增大表现出减小趋势;气溶胶粒子尺度谱中的主模态峰与光学厚度有关.雾霾天气期间平均单次散射反照率达到0.89,且随光学厚度增大表现出依次增大趋势,但对波长变化表现不敏感.     

南京2007年12月持续雾霾过程的大气消光特性

2007年南京冬季雾外场综合试验期间,雾、霾交替持续的最长时间达100 h以上。利用大气气溶胶粒子和雾滴数浓度尺度谱分布、能见度、相对湿度等同步观测资料,从Mie散射理论出发,研究了雾、霾不同阶段大气消光特征,重点分析了大气气溶胶粒子和雾滴在雾、霾持续和转化过程中的消光作用。结果表明,雾、霾过程不同阶段平均能见度的大小关系为：雾<湿霾<霾~轻雾。平均而言,雾阶段雾滴和气溶胶粒子的消光作用相当,其中,雾滴消光波动幅度大于气溶胶粒子消光,能见度的变化趋势主要由雾滴的消光决定。湿霾、霾和轻雾阶段的消光主要由气溶胶粒子造成。湿霾阶段的低能见度是由于大量积聚模态的气溶胶粒子在较高相对湿度环境中吸湿增长所致。霾阶段气溶胶粒子数浓度达到最大,核模态粒子占总数浓度的80%左右,是导致该阶段能见度较低的主要原因。轻雾阶段气溶胶粒子的消光系数最小,但雾滴可提供10%~15%的消光贡献,导致能见度与霾阶段相当。     

上海霾与非霾期间大气颗粒物光学特性垂直分布特征和质量浓度对比研究

采用美国国家航空航天局的云-气溶胶激光雷达红外开拓者卫星搭载的正交极化云-气溶胶激光雷达数据产品,包括消光系数、光学厚度、总后向散射系数、体积退偏比和色比,结合地面监测的颗粒物质量浓度,分析上海大气相对湿度小于80%霾发生期间气溶胶光学属性的垂直分布特征和颗粒物质量浓度变化,并与非霾期间进行比较.结果表明:霾期间532 nm和1064 nm消光系数在垂直高度上(海拔:0~10 km)均大于非霾期间,且大多数霾期间颗粒物在整层大气的光学厚度大于非霾期间.在近地面,霾期间大气颗粒物散射能力大于非霾期间.各垂直高度层,霾与非霾期间小粒径和规则气溶胶占主导地位.霾期间近地面大粒径颗粒物在霾期间所占比例大于非霾期间;2.0~4.0 km高度层,霾和非霾期间细颗粒所占比例接近;4.0~10.0 km高度层,霾期间细颗粒气溶胶所占比例大于非霾期间.PM1、PM2.5和PM10质量浓度在霾期间均大于非霾期间,且霾期间细颗粒物所占比例明显增加.颗粒物质量浓度和比值PM1/PM2.5和PM2.5/PM10分别随霾污染程度的加重而升高.冬季颗粒物质量浓度最高,主要来自细颗粒物的贡献;而春季PM10质量浓度高于其它季节.     

环上海地区干霾气溶胶垂直分布的季节变化特征

采用2007年1月～2010年11月美国国家航空航天局(NASA)的CALIPSO星载激光雷达L1产品,通过532 nm总后向散射系数、体积退偏比和色比,分析了环上海地区干霾期间气溶胶光学和微物理属性的垂直分布特征.结果表明,干霾时各高度层中,0～2.0 km高度层的大气散射能力最强,且主要是规则气溶胶;2.0～8.0 km范围内各高度层大气散射强度、气溶胶规则性较接近;8.0～10.0 km高度层的大气散射能力最弱,且不规则气溶胶所占比例在各高度层中最大;细粒子气溶胶在各高度层均占主导地位,其中2.0～8.0 km范围内各高度层的细粒子气溶胶所占比例较大.春季大颗粒、不规则气溶胶所占比例大;夏季细粒子、规则气溶胶所占比例大.分析2007年5月7日个例发现,气溶胶粒子主要聚集在0～1.5 km范围内,在4.0～5.5 km范围内局部聚集;通过HYSPLIT轨迹模式分析表明,除本地排放的气溶胶粒子外,源于蒙古、中国西北和北部远程输送的沙尘也对霾产生了影响.     

南京冬季晴天及雾-霾天气纳米气溶胶粒子谱日变化比较

利用2017年12月南京气溶胶数浓度与气象参数资料,比较研究晴天及雾-霾天中10~1000nm纳米气溶胶粒子谱日变化规律及差异特征.结果表明,单峰谱型出现与污染加重有明显关系,分别出现在晴天午后、霾严重污染阶段和污染消散阶段、浓雾过程,峰值粒径分别为晴天（20~100nm）、霾天（27~144nm）和雾天（34~122nm）.3种天气条件下,晴天较强的太阳辐射和较低的湿度适合小粒子生成,核模态占比在晴天最高;霾天气象场适合爱根态粒子大量稳定存在,爱根态占比在霾天最高;雾天大量气溶胶吸湿增长,导致积聚态占比在雾天最高.在霾天污染物累积阶段,大量积聚态粒子对核模态、爱根态粒子的碰并增长作用抑制核模态、爱根态粒子生成,核模态和爱根态粒子浓度变化率为-91.0%和-62.5%,而积聚态为89.7%.浓雾过程对爱根态粒子清除作用最明显.     

基于CALIPSO卫星监测的重庆地区霾微物理特性研究

采用美国国家航空航天局(NASA)的CALIPSO星载激光雷达L1监测数据,通过分析532 nm总后向系数、体积退偏比和色比,对重庆地区对流层中低空霾的气溶胶散射强度、粒子规则性和相对大小的垂直分布及其季节变化进行了研究。结果表明:对于4 km以下的对流层中低空霾,大气气溶胶的散射能力大致随着高度增加而减弱,其中1~2 km的气溶胶散射能力最强,0~2 km规则、大颗粒气溶胶所占比例最大,3~4 km不规则、细颗粒气溶胶所占比例最大。春季重庆地区的不规则、大颗粒气溶胶所占比例大,夏季以规则气溶胶为主,气溶胶散射能力较弱,秋季的规则、细粒子气溶胶相对较多,冬季则以细颗粒气溶胶为主,气溶胶散射能力较强。分析2008年4月8日个例发现,气溶胶粒子大量聚集在1.6~3.4 km范围内,2~3 km的大气气溶胶散射能力最强,0~2 km以规则、大颗粒气溶胶占主导,2~4km的不规则、细颗粒气溶胶所占比例最大。     

石家庄春季大气气溶胶的散射特征

利用2010年5月积分浊度仪、PCASP-X2和能见度仪的观测资料,分析了石家庄大气气溶胶的散射特征及其与气溶胶粒子浓度、能见度、气象条件的关系.结果表明,观测期间,450,550,700nm 3个波段的气溶胶散射系数平均值±标准差分别为(257±293),(199±237)和(143±173)Mm-1,散射系数的变化很大,但气溶胶微物理特征相对比较稳定.散射系数日变化呈3峰分布,峰值出现在8:00、13:00和0:00.以550nm波长为例,气溶胶散射系数的变化范围为144~308Mm-1,夜间散射系数大于白天,非晴天散射系数平均值(524.9Mm-1)是晴天散射系数(112.3Mm-1)的4.7倍.气溶胶3个波段后向散射比均大于0.15,说明石家庄细粒子污染比较严重.散射系数和体积浓度成正比,但由于局地气象条件和污染源的影响,有气溶胶体积浓度变大,散射系数变化不大的情况出现.气溶胶散射系数和能见度呈负相关;根据Koschmieder公式计算得到的能见度,能较好反映实际观测情况.当大气相对湿度较高时,气溶胶散射系数随湿度增大呈现两种不同的变化趋势,即一部分气溶胶的散射系数有明显的增大,而另一部分则随着相对湿度的增加并未增大,反而比干气溶胶散射系数要小.局地风场也会影响气溶胶散射特性.     

济南秋季霾与非霾天气下气溶胶光学性质的观测

应用黑碳仪和积分浊度计于2009年10月11日至11月18日针对济南市大气气溶胶的光学特性进行了观测.结果显示,观测期间霾天气的散射系数和吸收系数及非霾天气的散射系数和吸收系数平均值分别为(582.5±311)Mm-1、(680.2±47.2)Mm-1和(205.7±134.8)Mm-1、(31.0±25.8)Mm-1.霾天气的气溶胶散射系数和吸收系数分别为非霾天气的2.6倍和2.8倍,单词散射反照率(SSA)也高于非霾天气.霾天气中二次气溶胶生成及黑碳气溶胶聚集是改变吸收系数、散射系数和SSA的日变化趋势的重要原因.此外,估算了观测期间及霾和非霾天气中气溶胶的光学厚度(AOD)分别为0.78,1.14和0.47.后向气流轨迹分析显示,非霾天气的气流主要来自于济南的西北至东北方向,运动速度快;而霾天气的所有的气流均来自于济南西南至东南方向,运动速度慢,当气流经过山东南部的火点时加剧了济南市的霾,并严重影响到该地区大气气溶胶的光学性质.     

江浙沪春节燃放烟花爆竹对垂直大气的影响

基于美国宇航局(NASA)的CALIPSO星载激光雷达L1卫星监测数据,通过分析532 nm总后向散射系数、体积退偏比和色比,对江浙沪地区2009—2014年春节期间大气气溶胶光学与微物理特性进行研究,揭示了江浙沪地区春节期间大气气溶胶散射强度、颗粒规则性与颗粒大小的垂直分布特征.结果表明,燃放烟花爆竹产生的颗粒物主要聚集于对流层中低空,使低层大气散射能力增强、颗粒物尺度增大,使对流层中层大气颗粒物不规则性增强;气溶胶散射能力随高度增大单调减弱,不规则气溶胶在6~8 km高度内占比最大,颗粒随高度增大单调减小;对比各年情况发现,散射能力逐年增强.     

天津冬季雾霾天气下颗粒物质量浓度分布与光学特性

年1—2月连续在线观测天津ρ(PM_2.5)、ρ(PM₁₀)、大气能见度、σ_sp(气溶胶散射系数)、σ_ap(气溶胶吸收系数)和AOD(大气光学厚度),结合气象资料,分析天津城区雾霾天气下的颗粒物质量浓度分布与光学特性. 结果表明:在为期52d的观测期间,发生雾日8d、轻雾日1d、霾日29d,雾霾日占观测时长的73%;霾日ρ(PM_2.5)/ρ(PM₁₀)为0.65,SSA(单次散射反照率)为0.95,MSE(气溶胶质量散射系数)为3.30m2/g,均高于非雾霾日,表明雾霾日下细粒子的散射作用是大气消光的主要贡献者;雾霾日的σ_sp和σ_ap均高于非雾霾日,随着霾等级增强,σ_sp和σ_ap逐渐增大,重度霾天气的σ_sp和σ_ap与中度霾天气相当,分析高RH可能是造成能见度进一步降低的主要因素;雾霾天气下AOD_500nm和波长指数均显著高于非雾霾天气,表明雾霾天气下气溶胶浓度远高于非雾霾天气,并且细粒子占主导地位.      

北京2013年1月连续强霾过程的污染特征及成因分析

以北京市2013年1月份连续灰霾天气中10~16日的强霾污染过程为例,利用MPL-4B型IDS系列微脉冲激光雷达观测资料由Fernald算法反演得到此次污染过程中气溶胶垂直分布特性,结合地面气象条件和天气形势分析污染原因,并讨论与气溶胶地面监测数据的符合性.结果表明:此次连续强霾过程污染严重,观测时段内89.4%的时间出现霾,39.8%的污染时段达到重度霾级别,其中大气地表消光系数与PM2.5浓度变化呈显著线性相关关系,相关系数达0.95.研究过程内,大气边界层在91%的时段低于500m,平均仅为293m,低边界层抑制了污染物的有效扩散;近地面垂向各高度的消光系数持续达到1.5km-1以上,对比气溶胶退偏比发现城市上空的大气强消光为气溶胶颗粒物和大气水分共同导致;气溶胶光学厚度(AOD,532nm)较大,有83.6%的时段超过1,且受相对湿度影响较大,相对湿度偏小时段的AOD值主要为气溶胶颗粒贡献,相对湿度较大时段,细颗粒物吸湿增长导致AOD受大气水分干扰显著.连续静稳的天气形势和区域污染是导致此次强霾发生和持续的主要原因,高湿天气则加剧了灰霾状况.     

利用微脉冲激光雷达分析上海地区一次灰霾过程

通过分析2008年6月至2009年5月期间浦东新区灰霾天气出现的特征,并以2008年12月19日至2008年12月21日一次典型的灰霾天气过程为例,利用激光雷达(Light laser detection and ranging,简称Lidar)数据资料反演得到气溶胶消光系数及其强度图和廓线图,结合地面气象数据和气溶胶观测资料,分析了此次灰霾天气形成的原因.一年的观测资料表明,上海地区冬季和春季易产生灰霾天气,冬季出现重度霾最多,秋季和夏季灰霾天气较少.较弱的太阳辐射以及静风、小风是导致灰霾天气发生的重要原因,且高湿度的霾天气对能见度影响更大.大气边界层(以下简称边界层)高度变化决定着灰霾天气发生的强度,当边界层高度在1km左右时,易发生轻微霾天气,当边界层高度降至600m左右时,易发生中度、重度霾天气,而太阳辐射强度变化决定着边界层高度的变化.轻微霾天气下,大气气溶胶垂直分布最强消光值约为0.15km-1,而重霾天气下可达0.30km-1以上.本次霾过程还受地面颗粒物排放的影响,主要是PM1和PM2.5,且在消光作用中散射性气溶胶的贡献大于吸收性气溶胶.轻微霾天气下PM2.5浓度为50μg·m-3,黑碳浓度为5000ng·m-3,浊度为200Mm-1,而重度霾时则分别达到200μg·m-3、24000ng·m-3和1400Mm-1.随着此次霾的出现,整层大气气溶胶光学厚度(AOD,550nm)不断增加,在重度霾时达到0.6左右,Angstrom指数在重度霾时显著降低,表明有大颗粒物导入,说明此次重度霾天气的发生还与气溶胶的输送有关.     

基于太阳光度计的天津城区气溶胶光学特性

利用2013~2014年天津大气边界层观测站的CE318太阳光度计观测资料,分析天津气溶胶光学厚度(AOD)和波长指数(α)的分布特征.结果表明,天津地区AOD_(440nm)和AOD_(500nm)均值分别为0.99±0.34和0.87±0.30,波长500nm下AOD月均最高值为1.41±0.79,出现在2013年6月,最低值为0.49±0.92,出现在2013年11月.AOD的季节变化特征为春季受沙尘天气影响,α最低(0.85±0.32),夏季受高温天气条件影响,新生小粒子占比较多,α最高(1.16±0.29),根据α分布特点,影响天津地区的主要气溶胶类型为城市—工业气溶胶.造成春季AOD高值(AOD≥2)情况出现是受粗、细模态气溶胶粒子共同影响,夏季AOD高值出现主要是受细模态粒子影响,同时细粒子吸湿增长特性对AOD增长有较大影响.冬季AOD高值出现同样主要受细模态气溶胶粒子影响,其气溶胶粒子粒径高于夏季.对比沙尘、霾及非污染天气条件下AOD和α的差别,发现霾天气下AOD和α最高,分别为1.41±0.68和1.17±0.29,沙尘天气下AOD为0.99±0.62,α最低,为0.55±0.22.非污染天气下AOD最低,为0.53±0.46.不同天气条件下,随AOD增长α均有先升高后降低的特征.     

南京冬季气溶胶消光特性及霾天气低能见度特征

利用2015年1月气溶胶散射和吸收系数、PM_2.5质量浓度、大气能见度以及常规气象观测数据,分析了南京冬季大气气溶胶散射系数与吸收系数的变化特征,给出了散射系数与吸收系数对大气消光的贡献,以及能见度与PM_2.5质量浓度和相对湿度的关系.结果表明,观测期间南京大气气溶胶的散射系数和吸收系数分别为(423.4±265.3) Mm^-1和(24.5±14.3) Mm^-1,对大气消光的贡献分别为89.2%和5.2%,表明大气消光主要贡献来自于气溶胶的散射.散射系数与PM_2.5相关性较好(R²=0.91),能见度随PM_2.5质量浓度呈指数下降,也与相对湿度保持一定负相关性.能见度均值为4.3km,且连续出现能见度不足2km的低能见度天气,霾天气下消光系数和PM_2.5质量浓度大幅超过非霾天气,最高值分别达到1471.2Mm^-1和358 μg/m³,霾天气下能见度的降低来自颗粒物与相对湿度的共同影响.     

天津城区春季大气气溶胶消光特性研究

利用天津大气边界层观测站2011年4月1日~5月10日气溶胶散射系数、吸收系数、PM2.5质量浓度、大气能见度和常规气象观测数据,分析了气溶胶散射系数和吸收系数的变化特征,以及气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度和大气能见度的关系,并对两种方法计算的消光系数进行了比较.结果表明,观测期间天津城区气溶胶散射系数为369.93 Mm-1,对大气消光贡献为86.7%,气溶胶吸收系数为36.32 Mm-1,对大气消光贡献为8.5%,单次散射反照率为0.91;气溶胶散射系数和吸收系数的日变化特征具有明显的双峰结构,对应于早晚交通高峰;不同天气类型下其日分布特征存在较大差异,霾日散射系数和吸收系数最高,沙尘日和降水日次之,晴日最低;气溶胶散射系数和吸收系数与PM2.5质量浓度呈线性正相关,与大气能见度呈指数负相关,观测期间气溶胶质量散射效率均值为2.95m2/g;采用Koschmieder’s公式反算能见度获得的大气消光系数,与通过测量气溶胶散射系数、气溶胶吸收系数、气体散射系数和气体吸收系数等分量加和获得的消光系数相比一致性较好,高相对湿度天气下能见度反算值高于各系数加和值.     

基于CALIOP探测的合肥气溶胶垂直分布特征

利用2012~2013年CALIOP卫星产品及合肥地面常规观测资料,筛选统计卫星过境的晴日、霾日过程,通过532nm消光系数、532nm后项散射系数、体积退偏比及色比对合肥霾日及晴日的气溶胶垂直分布特征进行了对比分析.结果表明:霾日夜间,合肥污染物聚集层在500m以下,最大消光系数约为0.55.霾日白天,受湍流作用影响这一高度被抬升到300~700m,最大消光系数为0.67.霾日与晴日气溶胶消光系数差异最为明显的是在1km以内高度内,霾日消光系数为非霾日的3倍,说明霾时的气溶胶聚集在低层大气0~1km内.合肥霾发生时,不规则的、色比在0.2~0.6、后项散射系数在0.001~0.0050km-1?sr-1之间的一般陆地性气溶胶增加.     

2006~2015年中国华北地区气溶胶的垂直分布特征

为研究高污染地区气溶胶形成机理提供理论依据,利用CALIPSO卫星提供的Level 2Profile和Level 2VFM产品,分析了华北地区2006～2015年532nm总后向散射系数,退偏振比,色比及不同类型气溶胶的时空变化特征,并结合地基观测资料,探讨了不同能见度下华北地区气溶胶垂直分布特征.结果表明：华北地区气溶胶粒子532nm总后向散射系数,退偏振比和色比范围依次为0.5×10^-3～8.0×10^-3km^-1sr^-1,0.14～0.3和0.6～2.0,且具有显著的季节和高度变化特征;能见度<5km时粒子散射能力最强,非球形最弱,粒径最小,对应的最大532nm总后向散射系数,最小退偏振比和最小色比依次为0.012km^-1sr^-1,0.092和0.856,能见度>10km时相反;污染沙尘,沙漠沙尘,污染大陆气溶胶和洁净海洋气溶胶集中在0～2km,出现的频率依次为13.81%,8.48%,5.45%和1.22%.     

天津城区大气气溶胶复折射指数的反演及消光贡献分析

气溶胶的复折射指数是直接影响其散射特性和吸收特性的基本物理量之一.为深入研究城市大气气溶胶的复折射指数特征,引入一种具有高时间分辨率优点的反演方法来反演气溶胶复折射指数.依据辐射传输理论,将天津大气边界层观测站观测到的高精度散射系数、吸收系数和数浓度谱分布数据利用查表法代入Mie理论气溶胶粒子群消光计算公式,对大气气溶胶复折射指数进行反演.结果表明:①天津城区2011年4月观测地点0.55 μm波长处的气溶胶复折射指数实部平均值为1.64,虚部平均值为0.015.②气溶胶复折射指数实部和虚部均有明显日变化规律,实部和虚部均与相对湿度呈正相关,与风速呈负相关.③利用反演得到的复折射指数对不同粒径大气气溶胶的消光特性进行计算发现,对散射特性而言,>0.25~1.00 μm粒子对散射系数的贡献率达86%;对吸收特性而言,>0.25~2.50 μm粒子对吸收系数的贡献率为53%,>2.50~32.00 μm粒子对吸收系数的贡献率为47%.研究显示,>0.25~1.00和>1.00~32.00 μm的粒子对吸收系数的贡献率均较高,但对散射系数而言,>0.25~1.00 μm的粒子贡献率较高,因此综合考虑气溶胶散射系数、吸收系数和消光系数,控制>0.25~1.00 μm的气溶胶粒子数浓度可有效改善大气能见度.