基于Revised IMPROVE方法和MIE方法计算北京地区气溶胶消光系数的对比分析

目的对比分析IMPROVE方程的改进算法(Revised IMPROVE)和MIE方法在北京地区计算消光系数的适用性。方法基于2012年6月3日至6月30日北京地区大气颗粒物成分的浓度观测数据,分别采用Revised IMPROVE和MIE方法计算颗粒物的消光系数,其中MIE方法的粒径分布采用总量双峰分布体积谱和化学组分体积谱两种方案进行循环试验获取最优拟合结果,使用散射积分浊度计和黑碳仪的实测数据对计算结果进行对比分析。结果 RevisedIMPROVE方程、总量双峰体积谱MIE方法和化学组分体积谱MIE方法都能较好地计算出了大气颗粒物消光系数,与观测结果回归方程的相关系数R分别达到0.952、0.9686和0.9734。体积谱分布参数的循环试验方法还同时可以获得气溶胶的体积谱分布参数,总量双峰体积谱和化学组分体积谱MIE方法得到的细颗粒和粗颗粒几何平均粒径分别为0.74、7.5μm和0.48、6.0μm。结论采用化学组分体积谱MIE方法计算的消光系数与观测结果最为接近,Revised IMPROVE方程也有较好的准确性,采用化学组分体积谱MIE方法得到的颗粒物体积谱峰值与实际观测结果也较为一致。     

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.     

免疫进化算法反演均匀混合气溶胶吸湿增长因子

通过对大气消光系数进行组分分解,并借助米散射理论,构建了以均匀混合气溶胶吸湿增长因子为唯一变量的目标函数.进一步利用免疫进化算法优化该目标函数,提出了一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法.基于成都市2017年10~12月浊度计,黑碳仪和GRIMM180环境颗粒物监测仪的地面逐时观测资料以及该时段同时次的环境气象监测数据（大气能见度,相对湿度RH和NO₂质量浓度）,评估了算法的性能及其适用性.结果表明：对所有测试样本而言,反演均匀混合气溶胶吸湿增长因子的免疫进化算法均能快速收敛到全局最优解.建立了成都地区秋冬季均匀混合气溶胶吸湿增长模型,该模型显著提升了环境条件下气溶胶散射系数的模拟精度,其模拟值与实测值之间的平均相对误差仅为12.7%.该反演算法的普适性可为气溶胶吸湿性及其辐射强迫效应的后续研究提供算法保障.     

气溶胶等效复折射率反演的免疫进化算法

通过Mie散射理论公式构建目标函数,利用免疫进化算法对气溶胶等效复折射率的实部和虚部进行协同优化,据此创新性地提出了气溶胶等效复折射率反演的新途径.基于成都市2017年9~12月逐时的气溶胶散射系数和吸收系数观测数据以及该时段同时次GRIMM180大气颗粒物监测仪的连续监测资料,研究结果表明,气溶胶等效复折射率反演的免疫进化算法不仅是普适的,而且还具有收敛速度快、计算稳定和求解精度高等特点.通过与其它气溶胶等效复折射率反演方法的对比分析,进一步论证了新方法的优势,这为气溶胶等效复折射率演变机理以及气溶胶吸湿性增长模型的后续研究提供了算法保障.     

成都市冬季大气消光系数及其组成的特征研究

由于气溶胶吸湿增长的复杂性和不确定性,大气消光的演化机理至今尚不十分清晰.为此,利用成都市2017年12月浊度仪和黑碳仪的逐时观测资料,结合同时次的环境气象监测数据,系统研究了该区域冬季对应550 nm大气消光系数及其组成的特征.结果表明:①观测期间大气消光系数为(1173.42±641.21) Mm~(-1),其中"干"气溶胶散射系数、"干"气溶胶吸收系数、干洁大气散射系数、气态污染物吸收系数和气溶胶吸湿性消光系数对其平均贡献率分别是53.02%、6.54%、1.50%、1.65%和37.29%.②大气消光系数、"干"气溶胶散射系数和气溶胶吸湿性消光系数的日变化为"单峰单谷型",而"干"气溶胶吸收系数和气态污染物吸收系数的日变化则分别表现为"单谷型"和"双峰双谷型".③明确了单位质量大气消光系数及其组成随相对湿度的变化特征,并就其各自成因进行了分析.     

西安泾河夏季黑碳气溶胶及其吸收特性的观测研究

为研究西安泾河夏季黑碳气溶胶及其吸收特性,利用2011年夏季西安远郊泾河大气成分站观测的黑碳气溶胶浓度、颗粒物质量浓度、探空资料、地面气象资料,计算边界层顶高度、气溶胶吸收系数、大气消光系数,导出单次散射反照率,并对其进行分析讨论.结果表明:西安夏季黑碳气溶胶浓度为6.07μg/m3;黑碳气溶胶占颗粒物质量浓度PM1.0比值为21.9%,黑碳气溶胶与颗粒物质量浓度PM1.0、PM2.5、PM10相关系数分别为0.69、0.85、0.91;黑碳气溶胶浓度受城市边界层顶高度影响,风向、风速对泾河黑碳气溶胶的堆积输送有不同作用;气溶胶吸收系数和大气消光系数日变化显著,气溶胶吸收系数占大气消光系数比值范围在12%~30%;季单次散射反照率平均值为0.76,变化范围在0.70~0.84.     

北京地区大气消光特征及参数化研究

为了研究大气消光系数的特征及规律,从2013~2014年在北京地区对大气能见度、气溶胶质量浓度、气溶胶散射系数、黑碳质量浓度、反应性气体以及气象要素开展了系统加强观测,并对已发表的气溶胶光散射吸湿增长因子[f(RH)]拟合方案进行了对比,系统分析了大气消光特征和影响大气消光能力的关键因子,最终建立了大气消光系数参数化模型,探讨不同季节、不同污染条件下参数化方案的特征.结果表明,气溶胶散射作用占环境总消光作用的94%以上,在夏秋季,相对湿度可以使气溶胶的散射能力提升70%~80%.包含气溶胶质量浓度和相对湿度两个因子的参数化模型,可以较好地体现出气溶胶和相对湿度对大气消光系数的影响机制,以及消光能力的季节差异.     

北京地区大气温湿廓线对气溶胶垂直分布的影响

目的分析北京地区大气温湿廓线对气溶胶垂直分布的影响。方法利用北京地区2017年9月至2018年8月每日两次(08时和20时)的气象探空、地面PM_(2.5)浓度和气溶胶激光雷达消光系数资料,分析不同污染条件下大气温湿廓线与气溶胶消光系数廓线的关系。结果地面PM_(2.5)浓度和210m气溶胶消光系数的相关系数达到0.77。春季、秋季和冬季污染条件下的近地面消光系数约是清洁条件下的5倍,夏季污染条件下的近地面消光系数约是清洁条件下的3倍。相比清洁条件下,污染条件下各季节的大气温度垂直递减率偏小,并且低层大气相对湿度偏大。结论大气温度廓线代表大气层结稳定性,影响气溶胶的扩散高度,而相对湿度廓线与气溶胶吸湿增长密切相关,两者对气溶胶消光系数的垂直分布都有重要影响。     

城市灰霾数值预报模式的建立与应用

建立了城市灰霾的数值预报模式,可模拟PM2.5中主要成分硫酸盐、有机碳、黑碳、硝酸盐和土壤尘等气溶胶的浓度分布,根据气溶胶浓度分布计算城市大气能见度,从而预测城市灰霾天气. 利用城市灰霾的数值预报模式进行了冬、夏2个算例的模拟. 结果表明:在PM2.5中,夏季硫酸盐的贡献率(26.6%)略高于冬季(24.0%),夏季和冬季有机气溶胶(OM)贡献率分别为35.4%和33.3%, 黑碳贡献率分别为9.5%和7.1%;南京地区颗粒物的消光系数占总消光系数的95%以上,是能见度下降最主要的贡献者,其中,硫酸盐和有机物对能见度贡献最大,其次为黑碳、硝酸盐、粗粒子、土壤尘和NO2.      

泰州地区激光雷达大气气溶胶观测

对激光雷达产品的消光系数、退偏振比、边界层高度和气溶胶光学厚度进行统计分析,并与环境监测数据和地面气象观测数据进行对比,验证产品的可靠性。总的来说,大气消光系数垂直变化趋势是接近的,从近地面开始增大,在1km左右高度达到峰值,这就是边界层的所在。4月、11月和12月大气消光系数较高,大气气溶胶浓度较高,8月、9月和10月较低,气溶胶浓度较低,与环境监测数据相吻合。地面能见度和消光系数具有较好的指数相关;近地面处PM_(2.5)、PM_(10)的浓度和消光系数均具有较好的幂相关性;气溶胶光学厚度与PM_(2.5)、PM_(10)浓度有线性正相关;边界层高度与PM_(2.5)、PM_(10)存在显著的负相关,但是相比其他相关性不高;气溶胶光学厚度与能见度有负相关。     

南京北郊冬春季大气能见度影响因子贡献研究

为研究南京北郊气象要素以及气溶胶对大气能见度的影响,利用2014年1~5月的能见度、相对湿度、温度、颗粒物浓度及其化学成分等观测数据,探讨了气溶胶不同化学组分对消光系数的贡献,提出了该地区能见度基于不同参数的拟合方案.结果表明,观测期间平均能见度为(5.78±3.64)km,能见度与相对湿度、PM_(2.5)存在明显的负相关,相关系数分别为-0.66、-0.48.冬季平均消光系数为(398.72±219.88)Mm~(-1),Organic、NH_4NO_3、(NH_4)_2SO_4和EC对消光的贡献率分别为38.81%、27.81%、23.95%和7.15%;春季平均消光系数为(248.36±78.42)Mm~(-1),Orgamic、NH_4NO_3、(NH_4)_2SO_4和EC对消光的贡献率分别为31.59%、24.36%、32.63%和8.64%.对比不同的能见度拟合方案时,基于颗粒物成分的能见度拟合方案优于基于散射系数的.不同相对湿度区间内PM_(2.5)对能见度的影响程度不同,基于PM_(2.5)、相对湿度和温度的能见度拟合方案说明:低相对湿度的条件下,PM_(2.5)对能见度的影响较大;随相对湿度增大,相对湿度成为更为重要的影响因子.     

Source apportionment of PM2.5 light extinction in an urban atmosphere in China

Haze in China is primarily caused by high pollution of atmospheric fine particulates (PM_2.5). However, the detailed source structures of PM_2.5 light extinction have not been well established, especially for the roles of various organic aerosols, which makes haze management lack specified targets. This study obtained the mass concentrations of the chemical compositions and the light extinction coefficients of fine particles in the winter in Dongguan, Guangdong Province, using high time resolution aerosol observation instruments. We combined the positive matrix factor (PMF) analysis model of organic aerosols and the multiple linear regression method to establish a quantitative relationship model between the main chemical components, in particular the different sources of organic aerosols and the extinction coefficients of fine particles with a high goodness of fit (R² = 0.953). The results show that the contribution rates of ammonium sulphate, ammonium nitrate, biomass burning organic aerosol (BBOA), secondary organic aerosol (SOA) and black carbon (BC) were 48.1%, 20.7%, 15.0%, 10.6%, and 5.6%, respectively. It can be seen that the contribution of the secondary aerosols is much higher than that of the primary aerosols (79.4% versus 20.6%) and are a major factor in the visibility decline. BBOA is found to have a high visibility destroying potential, with a high mass extinction coefficient, and was the largest contributor during some high pollution periods. A more detailed analysis indicates that the contribution of the enhanced absorption caused by BC mixing state was approximately 37.7% of the total particle absorption and should not be neglected.     

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.      

浙江省气溶胶垂直分布及区域传输分析

利用6个激光雷达站点数据从年际和季节变化尺度对浙江省2017~2018年气溶胶垂直分布特征进行研究,并结合污染物浓度数据分析了浙江省主要颗粒物类型的季节差异.结果表明,大部分站点2018年气溶胶消光系数整体小于2017年;边界层内消光系数空间上呈中部高东西低的分布形态;消光系数季节变化表现为冬季最高,秋季其次,而春夏较低;气溶胶在春、夏季集中在地面上方1~2km以内,冬季主要分布在1km以下,秋季受高空气溶胶影响,6个站点呈现出不同的垂直分布模式.进一步,选取发生在2018年4月和7月两次气溶胶跨区域传输过程,综合CALIPSO和MODIS卫星数据、以及后向轨迹、PSCF与CWT模式对污染物来源与传输机制进行探索,发现来自AOD高值区的气团显著加重本地污染.     

2018年中国长江三角洲地区气溶胶的垂直分布特征

利用主动式遥感卫星云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测(CALIPSO)提供的激光雷达资料,重点分析了2017-12～2018-11中国长江三角洲地区对流层大气中532 nm气溶胶消光系数,气溶胶退偏比,气溶胶色比以及各类型气溶胶的时空变化特征.对气溶胶的光学参数随高度变化的研究表明,与对流层高空相比,一般在对流层低空中气溶胶消光能力更强,气溶胶粒子更规则,气溶胶粒径更小.对气溶胶的光学参数随季节变化的研究表明,与冬春季相比,一般夏秋季在对流层高空中气溶胶消光能力更强,在2 km以下气溶胶粒子更规则,在对流层高空中气溶胶粒径的范围更大.长江三角洲地区全年中污染沙尘气溶胶出现的频率最高,为37. 481 6%,夏秋季烟尘、污染大陆与洁净海洋气溶胶出现的频率比冬春季高,而夏秋季沙漠沙尘气溶胶出现的频率相对较低.     

颗粒物分界层Mie散射激光雷达识别的sigmoid算法

基于成都市2013年6月~2015年5月期间由Mie散射激光雷达探测的大气消光系数廓线资料,发现混合层以上在颗粒物消光和分子消光之间一致存在一个S型的过渡区,利用sigmoid函数对此分布形态进行模拟,通过计算该函数上下曲率最大点所在的高度,据此提出了颗粒物分界层Mie散射激光雷达识别的sigmoid算法.针对该算法模拟效果的分析表明,颗粒物分界层过渡区附近大气消光系数理论廓线和实测廓线保持了高度的相关性,二者在春夏秋冬四季的相关系数（R）分别为0.9971±0.0052、0.9935±0.0167、0.9979±0.0038和0.9990±0.0021（均通过α=0.05的显著性检验）.基于sigmoid算法计算的颗粒物分界层过渡区与成都市温江站探空资料得到的逆温层之间存在很好的对应关系.     

一起反应失控爆炸事故的超压后果分析

沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)是反应失控常见的后果之一,针对常用的TNT法计算BLEVE爆炸超压效应可能导致错误的情况,采用TNT法与Baker-Tang爆炸曲线法分别对反应失控导致的BLEVE爆炸超压效应进行计算,并与现场证据相比较,考察不同模型计算的准确性。结果表明,TNT当量法计算的理论超压过高估计了实际超压。当估计碎片所占能量在32%~50%之间时,Baker-Tang爆炸曲线法计算的超压与实际爆炸超压吻合较好。因此,Baker-Tang爆炸曲线法是BLEVE爆炸超压预测的有效工具。     

实验室发生纳米气溶胶吸湿性表征

气溶胶吸湿特性对于灰霾的形成、气溶胶对气候变化的影响及人体健康效应具有重要意义. 采用加湿迁移差分分析(HTDMA)法,对实验室发生的8种纳米级无机和有机气溶胶进行吸湿特性定量表征,从而判定影响气溶胶吸湿特性的主要因素. 结果表明,NaCl和(NH₄)₂SO₄气溶胶的潮解点为相对湿度(RH)75%±2%,与理论计算结果相接近,说明测试系统具有一定的可靠性. 对以往研究较少的NaNO₃,CaCl₂,CaSO₄,合成海盐,乙二酸和己二酸气溶胶的测试表明,NaNO₃,CaCl₂以及合成海盐气溶胶随RH的升高粒径逐渐增大;合成海盐气溶胶在RH为86%时吸湿性生长因子(Gf)达到1.80;CaSO₄,乙二酸和己二酸气溶胶随着RH增大未见明显吸湿增长. 通过扫描电镜分析了8种化合物气溶液在不同RH下的形态特征,为掌握各种化学组分对气溶胶吸湿特性的影响提供了微观形态分析的依据.      

Aerosol structure and vertical distribution in a multi-source dust region

The vertical distribution of aerosols was directly observed under various atmospheric conditions in the free troposphere using surface micro-pulse lidar (MPL4) at the Zhangye Station (39.08°N, 100.27°E) in western China in the spring of 2008. The study shows that the aerosol distribution over Zhangye can be vertically classified into upper, middle and lower layers with altitudes of 4.5 to 9 km, 2.5 to 4.5 km, and less than 2.5 km, respectively. The aerosol in the upper layer originated from the external sources at higher altitude regions, from far desert regions upwind of Zhangye or transported from higher atmospheric layers by free convection, and the altitude of this aerosol layer decreased with time; the aerosols in the middle and lower layers originated from both external and local sources. The aerosol extinction coefficients in the upper and lower layers decreased with altitude, whereas the coefficient in the middle layer changed only slightly, which suggests that aerosol mixing occurs in the middle layer. The distribution of aerosols with altitude has three features: a single peak that forms under stable atmospheric conditions, an exponential decrease with altitude that occurs under unstable atmospheric conditions, and slight change in the mixed layer. Due to the impact of the top of the atmospheric boundary layer, the diurnal variation in the aerosol extinction coefficient has a single peak, which is higher in the afternoon and lower in the morning.