郭　祺， 李　勇， 閻逢旗??， 賈　峰， 李思聰， 吳　東

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山 467000)

?

研究簡(jiǎn)報(bào)

黃渤海氣溶膠粒子數(shù)密度分布特征分析?

郭祺1， 李勇2， 閻逢旗1??， 賈峰1， 李思聰1， 吳東1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山 467000)

摘要：本文利用激光氣溶膠粒徑譜儀隨東方紅2號(hào)科考船現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的冬季黃渤海上空的氣溶膠粒子數(shù)密度和數(shù)密度譜，分析了2011年和2013年黃渤海氣溶膠粒子平均數(shù)密度譜、黃海氣溶膠數(shù)密度的經(jīng)向分布以及氣象條件等因素的影響。研究表明：渤海海域的直徑在0.30～0.34μm和2～8μm范圍內(nèi)的大氣氣溶膠粒子數(shù)密度明顯大于黃海；黃海海域氣溶膠粒子數(shù)密度的經(jīng)向分布有明顯規(guī)律，主要呈現(xiàn)低緯度到高緯度逐級(jí)升高；風(fēng)速是大氣氣溶膠的重要成因之一，風(fēng)速小于12m/s時(shí)，大氣氣溶膠粒子數(shù)密度隨風(fēng)速的增大而增大。

關(guān)鍵詞：氣溶膠；數(shù)密度譜；經(jīng)向分布

引用格式：郭祺，李勇，閻逢旗，等. 黃渤海氣溶膠粒子數(shù)密度分布特征分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(7):117-123.

Guo Qi, Li Yong, Yan Feng-Qi, et al. Analysis of aerosols number density distribution in yellow sea and bohai sea[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(7):117-123.

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和(或)液體微粒共同組成的多相體系[1]。大氣氣溶膠粒子(μm在10-3～ 102之間)是地球大氣成分中含量很少的組分，但對(duì)環(huán)境、氣候等的作用和對(duì)人體健康的影響卻是不容忽視的。不同尺度的氣溶膠粒子所起的作用不同，因此研究氣溶膠粒子數(shù)密度譜具有重要意義[2-8]。

海洋上空氣溶膠數(shù)據(jù)獲得難度較大，衛(wèi)星遙感覆蓋整個(gè)大氣層且時(shí)間分辨率較低[9]；地基遙感精確度高，但無(wú)法在海洋上空設(shè)立站點(diǎn)；船基走航方式耗資較高，AERONET的海上氣溶膠網(wǎng)(Maritime Aerosol Network，MAN)所觀測(cè)的走航數(shù)據(jù)不對(duì)外公開(kāi)，因此隨科考船現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是獲得海上數(shù)據(jù)的有效途徑。

1　數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的數(shù)據(jù)來(lái)自于2011年和2013年冬季利用激光氣溶膠粒徑譜儀(LAP321)在黃渤海海域的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。LAP321是根據(jù)球形粒子的米(Mie)散射理論，利用粒子的光散射特性來(lái)測(cè)量單分散氣溶膠粒子的數(shù)密度譜和數(shù)密度的。其光源是波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ne激光，測(cè)量粒徑范圍是0.3～20μm，測(cè)量數(shù)密度為105個(gè)/cm3。它直接抽取環(huán)境空氣，不破壞氣溶膠粒子的懸浮狀態(tài)，所以測(cè)量結(jié)果能真實(shí)反應(yīng)氣溶膠粒子的特征。

LAP321搭載在東方紅2號(hào)科考船上，在黃渤海海域?qū)Υ髿鈿馊苣z粒子的數(shù)密度譜和數(shù)密度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。并同步測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、空氣相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)。2航次測(cè)量均采用連續(xù)站和大面站測(cè)量2種方式進(jìn)行。連續(xù)站測(cè)量為科考船拋錨，在一個(gè)固定站點(diǎn)連續(xù)測(cè)量，測(cè)量時(shí)間根據(jù)天氣情況而定，一般為24h左右。大面站測(cè)量方式為到達(dá)規(guī)劃站點(diǎn)船停穩(wěn)后進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間約30min。2航次共進(jìn)行了132個(gè)大面站測(cè)量和2個(gè)連續(xù)站位測(cè)量，圖1給出了2011年和2013年黃渤海冬季航次觀測(cè)站位分布。

2　數(shù)據(jù)分析

2.1 平均大氣氣溶膠粒子數(shù)密度譜

大氣氣溶膠粒子數(shù)密度譜是指單位體積空氣中所含一定尺度范圍內(nèi)氣溶膠粒子的個(gè)數(shù)(個(gè)/cm3)[10]，一般用公式(1)或(2)表示：

(1)

(2)

其中：D、r分別為粒子的直徑和半徑；dN是單位體積中半徑在r+dlgr間的粒子數(shù)。

典型的海洋氣溶膠粒子數(shù)密度譜呈Junge分布[10-11]：

(3)

其中：c為描述氣溶膠粒子數(shù)密度的常數(shù)；指數(shù)υ一般為2～4之間。對(duì)于r在0.1～10μm范圍內(nèi)，υ一般取3，而對(duì)于r在0.02～0.1μm范圍內(nèi)，υ一般取4。

圖2(a)、(b)分別給出了2011、2013年黃海、渤海航次各站點(diǎn)的平均大氣氣溶膠粒子數(shù)密度譜。從圖2可以看出：這4個(gè)譜都不是一條直線，即黃渤海兩海域的平均數(shù)密度譜均不是單一的Junge譜。但它們分別可以用2個(gè)Junge譜較好地?cái)M合，如圖2(c) (d)所示。這與以往實(shí)測(cè)研究相符[12]，有別于典型海洋氣溶膠粒子數(shù)密度譜的Junge分布。這主要是由于黃渤海距離大陸較近，受陸源影響較大。渤海是半封閉內(nèi)海[13]，僅東面通過(guò)渤海海峽與黃海溝通相連，其余三面和東面的大部分皆被陸地所包圍，具有準(zhǔn)封閉的特性。

圖1　黃渤海冬季航次站位圖

圖2　黃渤海冬季氣溶膠粒子數(shù)密度譜

從圖2(a)可看出：粒子直徑小于0.32μm 的數(shù)密度渤海大于黃海，0.32～2.1μm范圍內(nèi)的數(shù)密度反而黃海大于渤海，大于2.1μm的氣溶膠數(shù)密度渤海大于黃海。由圖2(b)可看出：粒子直徑在小于0.4μm的范圍內(nèi)，渤海氣溶膠粒子數(shù)密度大于黃海，0.4μm以上的粒子數(shù)密度則黃海大于渤海。在2013年冬季航次中，渤海經(jīng)歷2次強(qiáng)降水，粗粒子數(shù)通過(guò)濕沉降作用而減少，使得直徑大于3μm的粒子幾乎不存在[14]。因此，與2013年冬季航次相比，2011年的數(shù)密度譜更為真實(shí)的反映黃渤海的氣溶膠數(shù)密度分布差異。

2.2 站點(diǎn)氣溶膠粒子數(shù)密度譜

大面站測(cè)量時(shí)在一個(gè)站位測(cè)量的時(shí)間較短(約30 min)，故同一站位的氣溶膠數(shù)密度譜及濃度變化不大。近陸站點(diǎn)選擇黃海海域氣象條件較為穩(wěn)定的B06、p2，同一緯度站點(diǎn)選擇遠(yuǎn)陸B(tài)09、p4，2013年的測(cè)量站點(diǎn)p、E1、H6、E5與之對(duì)應(yīng)。由表1可知，相應(yīng)遠(yuǎn)近陸站點(diǎn)的風(fēng)速等氣象條件幾乎相同，主要只考慮陸源影響。

近陸站點(diǎn)B06、p2、p、E1的氣溶膠粒子數(shù)密度整體大于黃海的平均數(shù)密度；且近陸地站點(diǎn)氣溶膠數(shù)密度在各個(gè)粒徑范圍內(nèi)都大于遠(yuǎn)海站點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。圖中E1站點(diǎn)的氣溶膠粒子數(shù)密度最大，E5的最小。其原因主要為天氣狀況的影響。研究表明氣溶膠粒子數(shù)密度在多云條件下比晴天大2～3倍[15]。E1為多云，E5為晴天，E1受陸源和多云天氣的綜合影響，數(shù)密度較大，因而這兩站點(diǎn)的數(shù)密度增幅較大。

可見(jiàn)，近陸地氣溶膠粒子數(shù)密度不論粒徑大小整體都較多，主要受陸源影響，通過(guò)大氣水平傳輸運(yùn)送到海洋上空。

G2和G6站點(diǎn)處于同一緯度，風(fēng)速分別為7.4m/s和12.5m/s，其他氣象條件相似，氣溶膠粒子數(shù)密度譜型相同，如圖4所示。G2更靠近陸地，受陸源影響理應(yīng)較大，但其氣溶膠粒子數(shù)密度卻明顯小于G6。說(shuō)明風(fēng)速是氣溶膠重要成因之一，風(fēng)速增大時(shí)生成的氣溶膠粒子數(shù)增多。因此這兩站點(diǎn)海洋性氣溶膠占主導(dǎo)地位。

圖3　遠(yuǎn)近陸站點(diǎn)大氣氣溶膠粒子的數(shù)密度譜

圖4　同一緯度站點(diǎn)不同風(fēng)速時(shí)的氣溶膠粒子數(shù)密度譜

站位名Station風(fēng)速/m·s-1Windspeed溫度/℃Temperature相對(duì)濕度/%Relativehumidity天氣情況WeatherB062.110.848.7晴B093.511.054.4晴p29.411.667.7多云p46.811.461.6多云E110.012.461.4多云E59.413.957.7晴p9.316.054.8晴H69.216.158.8晴

G6、h1、A5、E2站點(diǎn)的風(fēng)速依次減小，對(duì)應(yīng)的氣溶膠粒子數(shù)密度也相應(yīng)的依次減小(見(jiàn)圖5)。有研究表明：在0～12m/s范圍內(nèi)，光學(xué)厚度隨風(fēng)速增大而增大[16-17]?？梢?jiàn)風(fēng)速小于12m/s時(shí)，大氣氣溶膠粒子數(shù)密度隨風(fēng)速的增大而增大。

圖5　不同風(fēng)速時(shí)的氣溶膠粒子數(shù)密度譜

2.3 氣溶膠粒子數(shù)密度的經(jīng)向分布

M. Hermann[18]等分析了德國(guó)與印度連線方向(70°E, 7°N～73°E,49°N)的氣溶膠超細(xì)粒子的經(jīng)向分布，其數(shù)據(jù)來(lái)自飛機(jī)搭載的凝聚核粒子計(jì)數(shù)器(CPCs)，測(cè)量高度大約為海拔8.5km以?xún)?nèi)，觀測(cè)時(shí)間為2000年11月。其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在北緯22°以南的阿拉伯海氣溶膠粒子數(shù)含量較高；在中東副熱帶地區(qū)(25°N～38°N)氣溶膠粒子數(shù)含量較低；較高緯度地區(qū)，粒子數(shù)濃度再次增加，并達(dá)到頂峰。

本文主要以2011和2013年經(jīng)度為121.5°E～123°E范圍內(nèi)氣溶膠粒子數(shù)密度由高緯度到低緯度縱向變化的趨勢(shì)為例分析氣溶膠粒子數(shù)密度的經(jīng)向分布。本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集高度大約為海拔16m左右，與M. Hermann實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，同屬于對(duì)流層。據(jù)相關(guān)資料考證，大氣氣溶膠的粒子數(shù)密度隨高度增加而減小。在0～4km高度范圍內(nèi)，數(shù)密度與能見(jiàn)度有關(guān)，在4～10km范圍內(nèi)，數(shù)密度與季節(jié)有關(guān)[19]。如圖6所示，對(duì)于某一經(jīng)度來(lái)說(shuō)，各通道氣溶膠粒子數(shù)含量不同。粒徑范圍為1.0～2.0μm的粗粒子數(shù)在總體中含量最少，粒子直徑越小粒子數(shù)量反而呈增加趨勢(shì)，0.3～0.4μm、0.4～1.0μm、1.0～2.0μm 3個(gè)通道的粒子數(shù)有數(shù)量級(jí)上的差別；且各通道氣溶膠粒子數(shù)隨緯度的變化曲線與其總粒子數(shù)變化曲線相一致。

黃海(34.0°N, 121.5°E～36.0°N, 122.5°E)海域氣溶膠粒子數(shù)密度的經(jīng)向分布規(guī)律相對(duì)明顯，這主要與大氣的水平和垂直傳輸有關(guān)：在亞洲東部地區(qū)冬季盛行北風(fēng)和西北風(fēng)，緯度較高的地區(qū)為下風(fēng)區(qū)，氣溶膠粒子聚集。另外一個(gè)原因主要考慮黃海屬于半封閉內(nèi)海，且緯度越高封閉性越強(qiáng)，因此高緯度地區(qū)受陸地影響較大，氣溶膠粒子數(shù)也較多。如圖6(b),(d),(e),(f)所示，各個(gè)通道的粒子數(shù)密度由低緯度向高緯度逐漸增大，但增加的幅度大不相同。121.5°E處增幅最小，122.5°E處增幅最大。這個(gè)結(jié)論與M. Hermann等的研究基本一致，但又因觀測(cè)高度不同，本文的數(shù)密度值與其相比較高。由于實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)量較少，圖(b)和(c)在該緯度范圍內(nèi)只有一部分?jǐn)?shù)據(jù)。但其變化趨勢(shì)符合整體大氣氣溶膠數(shù)密度隨緯度的變化趨勢(shì)。

此外，圖6(c)在從最低緯度到最高緯度的過(guò)渡中，粒子數(shù)密度變化趨勢(shì)與其余四幅圖不盡相同，呈先減小后增大的趨勢(shì)，且其細(xì)粒子與粗粒子變化幅度不同。站點(diǎn)H33(33.0°N，123.0°E)、h24(35.0°N，123.0°E)均為陰天，粒子數(shù)密度較大；站點(diǎn)B02(36.5°N，123.0°E)測(cè)站前有降雨，粒徑大于1μm的氣溶膠粒子沖刷沉降，粒子數(shù)大幅度減少，而降雨對(duì)粒徑小于1μm細(xì)粒子的影響并不大；站點(diǎn)B06(37.0°N，123.0°E)有陸地影響，數(shù)密度增大。因此黃渤海海域大氣氣溶膠粒子數(shù)密度經(jīng)向分布有比較明顯的規(guī)律，同時(shí)還受其他氣象條件及地理因素的影響。

圖6　大氣氣溶膠粒子數(shù)密度隨緯度變化

3　結(jié)語(yǔ)

渤海氣溶膠粒子數(shù)密度大于黃海，且直徑在0.30～0.34μm和2～8μm范圍內(nèi)的大氣氣溶膠粒子數(shù)密度明顯大于黃海；2013冬季航次在渤海范圍內(nèi)遇到2次強(qiáng)降水，使得渤海海域直徑大于0.4μm的粒子數(shù)小于黃海。由此可得降水對(duì)氣溶膠粗粒子的沉降起重要作用。

在中國(guó)黃海海域，同一經(jīng)度由低緯度走向高緯度時(shí)，氣溶膠粒子數(shù)密度逐漸增加，原因主要考慮大氣的水平垂直傳輸和陸源影響。

近岸受陸源影響較大，氣溶膠粒子數(shù)密度較遠(yuǎn)海站點(diǎn)大。風(fēng)速是大氣氣溶膠的重要成因之一，風(fēng)速小于12m/s時(shí)，大氣氣溶膠粒子數(shù)密度隨風(fēng)速的增大而增大。

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責(zé)任編輯陳呈超

基金項(xiàng)目：? 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41376180)資助

收稿日期：2014-08-11；

修訂日期：2015-07-12

作者簡(jiǎn)介：郭祺(1990-)，女，碩士生，海洋信息探測(cè)與處理專(zhuān)業(yè)。E-mail: 525669518@qq.com ??通訊作者： E-mail: fqyan@ouc.edu.cn

中圖法分類(lèi)號(hào)：P402

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)07-117-07

DOI:10.16441/j.cnki.hdxb.20140245

Analysis of Aerosols Number Density Distributions in Yellow Sea and Bohai Sea

GUO Qi1, LI Yong2, YAN Feng-Qi1, JIA Feng1, LI Si-Cong1, WU Dong1

(1. College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Henan Quality Polytechnic, Pingdingshan 467000, China)

Abstract:Aerosols size distribution and number densities are measured by Laser Aerosol Particle Size Spectrometer (LAP321) carried on Dongfanghong-2 over Yellow Sea and Bohai Sea in winters of 2011 and 2013. Both the average size distributions of the aerosols and meridional distributions in Yellow Sea are analyzed. And effects of meteorological conditions are discussed, too. The following conclusions can be drown from the data collected: (1) Aerosols number densities in two diameter ranges, namely, from 0.30μm to 0.34μm and from 2μm to 8μm, over Bohai Sea are obviously greater than those of Yellow Sea; (2) Generally speaking, there is an obvious regularity of meridional distribution of aerosols number densities over Yellow Sea, that is to say, the aerosols number densities of Yellow Sea become bigger from low latitude to high latitude; (3) Wind speed is one of the important causes of aerosols, and aerosols number densities increase with wind speed when it is less than 12m/s.

Key words:aerosol; number density distribution; meridional distribution

Supported by the National Natural Science Foundation of China (41376180)