鄧琨蕾?李蛟?曾康時(shí)

摘 要：大氣氣溶膠的來(lái)源十分復(fù)雜，多數(shù)有著較強(qiáng)的污染性，因此引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)界的廣泛關(guān)注，但由于大氣氣溶膠在實(shí)踐和空間上的不確定性較強(qiáng)，觀測(cè)與研究難度較大，因此其物理光學(xué)性質(zhì)的觀測(cè)與研究還有很長(zhǎng)一段路要走。本文在對(duì)大氣氣溶膠概念和基本光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)對(duì)城市大氣氣溶膠的觀測(cè)與研究成果進(jìn)行了分析，期望為氣溶膠物理光學(xué)性質(zhì)的研究及其帶來(lái)的污染問(wèn)題的防治提供可行的參考。

關(guān)鍵詞：大氣氣溶膠;物理光學(xué)性質(zhì);觀測(cè)

對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行長(zhǎng)期有效的觀測(cè)，了解區(qū)域大氣復(fù)合污染下氣溶膠光學(xué)特征，為改善大氣能見(jiàn)度、制定有效的大氣污染協(xié)同防控策略以及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃提供部分科學(xué)的環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)評(píng)估該地區(qū)乃至東亞地區(qū)氣溶膠輻射強(qiáng)迫、了解區(qū)域氣候變化至關(guān)重要，同時(shí)，不斷創(chuàng)新大氣氣溶膠觀測(cè)技術(shù)和光學(xué)特性研究方法，對(duì)于推進(jìn)大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)研究至關(guān)重要。

一、大氣氣溶膠的定義

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，其直徑多在0.001-100μm之間。按照組分不同，主要分為六大類7種氣溶膠粒子：沙塵氣溶膠、碳?xì)馊苣z（黑碳和有機(jī)氣溶膠）、硫酸鹽氣溶膠、硝酸鹽氣溶膠、銨鹽氣溶膠和海鹽氣溶膠。氣溶膠的來(lái)源主要有自然源和人工源兩大類，自然源主要為自然現(xiàn)象所產(chǎn)生，如森林火災(zāi)、火山噴發(fā)、土壤風(fēng)化等;人工源主要指人類生產(chǎn)生活過(guò)程中產(chǎn)生的氣溶膠，如化石燃料燃燒，工業(yè)生產(chǎn)排放的粉塵等。

二、大氣氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)

在大氣氣溶膠觀測(cè)與研究過(guò)程中，經(jīng)常涉及的光學(xué)性質(zhì)主要有以下幾種：

1. 大氣氣溶膠的散射

太陽(yáng)輻射遇到大氣中的氣溶膠粒子會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。一部分入射光改變方向射向四面八方，使得原方向的輻射能減弱。雖然散射作用減弱了太陽(yáng)輻射，但卻使整個(gè)大氣層變得明亮。由于粒子的取向是隨機(jī)的，可以等效為球體群。通常情況下，大氣氣溶膠粒子滿足獨(dú)立散射的條件，只有當(dāng)氣溶膠介質(zhì)較濃時(shí)，產(chǎn)生的散射效應(yīng)會(huì)包括入射光引起的一次散射和散射光引起的多次散射。

2. 大氣氣溶膠的吸收

大氣氣溶膠的吸收系數(shù)與氣溶膠種類和光的波長(zhǎng)有關(guān)，含碳組分的顆粒對(duì)光的吸收最為強(qiáng)烈。楊書(shū)申等指出，氣溶膠對(duì)光的吸收效應(yīng)幾乎全部由黑碳（或稱元素碳）和含有黑碳的顆粒物造成。因此我們常常用黑碳?xì)馊苣z的濃度與吸收系數(shù)建立一定的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量黑碳?xì)馊苣z的濃度來(lái)計(jì)算大氣氣溶膠的吸收系數(shù)。

3. 大氣氣溶膠的消光系數(shù)

大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)之和稱為消光系數(shù)表示大氣氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱程度。有關(guān)研究表明，近地面消光系數(shù)與大氣能見(jiàn)度存在一定的相關(guān)關(guān)系，由 Koschmieder 公式給出：R=3.912/ke，單位是km。這里的消光系數(shù)是氣溶膠消光系數(shù)和大氣消光系數(shù)的總和。

三、大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)展

近年來(lái)大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的研究領(lǐng)域，主要在研究方法上取得了以下進(jìn)展：

首先是大氣氣溶膠光學(xué)遙感技術(shù)。當(dāng)進(jìn)行大范圍的氣溶膠特性研究時(shí)，普通直接測(cè)量方法很難滿足要求，為此發(fā)展了遙感測(cè)量技術(shù)，氣溶膠粒子對(duì)入射輻射的散射和吸收作用可以使入射輻射的性質(zhì)和強(qiáng)度發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量入射輻射的變化可以反演氣溶膠粒子特性， 這是遙感氣溶膠的基本原理。利用遙感方法可以直接得到氣溶膠輻射特性，并用于氣候研究過(guò)程. 氣溶膠物理光學(xué)特性 的遙感方法可以分為兩類：主動(dòng)探測(cè)（主動(dòng)遙感）和被動(dòng)探測(cè)（被動(dòng)遙感）。激光雷達(dá)（包括車(chē)載和地 基激光雷達(dá)探測(cè)）屬于主動(dòng)探測(cè);運(yùn)用衛(wèi)星遙感、太陽(yáng)輻射計(jì)等被動(dòng)探測(cè)手段也可以獲得氣溶膠粒子的光學(xué)特性。

其次是利用太陽(yáng)直接輻射遙感氣溶膠光學(xué)厚度。近30年來(lái)，太陽(yáng)分光光度計(jì)作為一種簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟(jì)的技術(shù)來(lái)遙感氣溶膠的光學(xué)特性和水汽含量，它是氣溶膠光度學(xué)觀測(cè)的一種常用方法。實(shí)際應(yīng)用中，光度計(jì)的波段選擇、半波寬度、儀器定標(biāo)、吸收氣體的影響以及觀測(cè)條件等方面的因素都可能帶來(lái)誤差，許多學(xué)者對(duì)此作過(guò)分析。此外，利用窄波段光度計(jì)測(cè)量氣溶膠光學(xué)厚度是一個(gè)比較準(zhǔn)確有效的方法， 但目前還不具備 在全國(guó)范圍內(nèi)布點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)遙感的條件，而國(guó)內(nèi)有幾十個(gè)日射站全年進(jìn)行全波段太陽(yáng)直射輻射的測(cè) 量， 充分利用這些輻射資料研究大氣氣溶膠物理和 光學(xué)特性是有意義的。

再次是利用衛(wèi)星遙感技術(shù)研究氣溶膠光學(xué)特性。地面遙感氣溶膠可以得到較為準(zhǔn)確的氣溶膠信息，但是目前這種方法只能在有限的區(qū)域進(jìn)行，不能用來(lái)遙感大范圍氣溶膠光學(xué)特性。利用衛(wèi)星遙感或者機(jī)載航空遙感系統(tǒng)可以彌補(bǔ)這個(gè)不足，特別是在環(huán)境惡劣的邊遠(yuǎn)地區(qū)和廣闊的海洋地區(qū)， 衛(wèi) 星遙感方法更能顯出它的優(yōu)勢(shì)。國(guó)際上開(kāi)展衛(wèi)星遙感氣溶膠的工作始于20世紀(jì)70年代中期。中國(guó)科學(xué)家從80年代中期開(kāi)始也進(jìn)行了這方面的研究。1986年趙柏林等利用NOAA AVHRR資料，進(jìn)行了遙感海上大氣氣溶膠的研究。周明煜等利用NOAA AVHRR資料分析了1993年4月北京、天津上空沙塵暴特性發(fā)現(xiàn)，在沙塵暴發(fā)生時(shí)， AVHRR 可見(jiàn)光通道1和可見(jiàn)光通道2的反射率都有增加，沙塵暴強(qiáng)度越大，反射率增加越大。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于近年來(lái)空氣污染現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，大氣氣溶膠的光學(xué)效應(yīng)、氣候效應(yīng)等問(wèn)題深受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)界的關(guān)注，但由于大氣氣溶膠存在極強(qiáng)的不穩(wěn)定性，在觀測(cè)與研究過(guò)程中難度較大，對(duì)此，國(guó)內(nèi)學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)應(yīng)強(qiáng)化對(duì)全國(guó)各地大氣氣溶膠的連續(xù)觀測(cè)，對(duì)其光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究，以摸清其光學(xué)變化規(guī)律，對(duì)其大氣污染的控制與預(yù)防提供可行的物理光學(xué)參考。

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