王 朔,趙衛(wèi)雄,徐學(xué)哲,張啟磊,錢曉東,方 波,王 靜,張為俊,3

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北京一次嚴(yán)重霧霾過(guò)程氣溶膠光學(xué)特性與氣象條件

王 朔1,2,趙衛(wèi)雄1,徐學(xué)哲1,2,張啟磊1,2,錢曉東1,2,方 波1,王 靜4,張為俊1,3*

(1.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院,安徽合肥 230026；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230031；4.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044)

對(duì)北京地區(qū)2013年10月2~7日一次嚴(yán)重霧霾過(guò)程中的氣溶膠光學(xué)特性開展研究,分析了氣象條件對(duì)霧霾過(guò)程的影響,并結(jié)合HYSPLIT模型分析污染物的來(lái)源.結(jié)果表明,在污染天氣中氣溶膠光學(xué)厚度、?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)、細(xì)模態(tài)體積尺度譜峰值濃度遠(yuǎn)高于清潔天.10月5日霧霾最為嚴(yán)重,440nm波長(zhǎng)處氣溶膠光學(xué)厚度高達(dá)3.89.在霧霾發(fā)生前后,單次散射反照率日均值隨波長(zhǎng)增大而增大,而在10月5日,單次散射反照率值隨波長(zhǎng)增加先增大后減小,在675nm波長(zhǎng)處達(dá)到最大值0.965.霧霾過(guò)程中大氣氣溶膠以強(qiáng)散射型細(xì)粒子為主,人為因素貢獻(xiàn)較大,且受氣象條件影響明顯.

氣溶膠；霧霾；光學(xué)特性；氣象條件

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物的總稱,粒子的空氣動(dòng)力學(xué)直徑多在0.001~100μm之間.氣溶膠的來(lái)源可分為為自然源和人為源,自然源主要有土壤、海洋、火山和生物圈等,人為源主要包括生物質(zhì)燃燒和化石燃料的燃燒等過(guò)程[1].20世紀(jì)以來(lái),隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的空前快速發(fā)展,,這是因?yàn)榇髿庵休^高濃度氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射的強(qiáng)吸收和散射作用,Horvath[2]研究表明,氣溶膠粒子對(duì)大氣

光學(xué)性質(zhì)的影響可達(dá)99%;由于不同類型、不同粒徑氣溶膠的吸收和散射能力在不同波長(zhǎng)處有很大差別[3-4],在不同地區(qū)不同天氣條件下氣溶膠光學(xué)特性變化情況也十分復(fù)雜[5-8].

目前氣溶膠光學(xué)特性的研究?jī)?nèi)容主要包括光學(xué)厚度(AOT)、?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)(AE)、單次散射反照率(SSA),復(fù)折射指數(shù)(CRI)等.近年來(lái)我國(guó)氣溶膠光學(xué)特性方面的研究取得了很大進(jìn)展.段婧等[7]對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)大氣氣溶膠AOT的分布特征和季節(jié)變化特點(diǎn)的分析結(jié)果表明,山區(qū)城市群AOT在春季達(dá)到峰值,而平原地區(qū)城市群AOT峰值出現(xiàn)在夏季,并且山區(qū)城市群的氣溶膠光學(xué)厚度增加速度要小于平原城市群; Che等[9]人對(duì)中國(guó)北部一次持續(xù)的區(qū)域污染過(guò)程研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)村、郊區(qū)和城市站點(diǎn)的氣溶膠光學(xué)屬性和輻射特性的變化趨勢(shì)一致,但數(shù)值有明顯差別;而李霞等[10]對(duì)沙塵天氣下氣溶膠光學(xué)特性的研究發(fā)現(xiàn),沙塵天氣AE值接近于0,以粗粒子為主,這與于興娜等[8]在北京霧霾天氣下氣溶膠光學(xué)特性研究結(jié)果有明顯不同;許萬(wàn)智[11]在北京觀測(cè)期間發(fā)現(xiàn)人為活動(dòng)對(duì)單次散射反照率的影響有明顯的日變化,且SSA受相對(duì)濕度的影響較大;此外,徐政]研究發(fā)現(xiàn)濟(jì)南霾天和非霾天條件下SSA日變化相似峰型,均呈現(xiàn)中午高、早晚低的變化趨勢(shì),但霾天SSA的值高于非霾天.綜上所述,雖然氣溶膠光學(xué)特性在不同地區(qū)有一些相似特征,但受污染源和氣象條件的影響,即使在同一地區(qū),不同污染過(guò)程中氣溶膠光學(xué)特性也有很大變化.

霧霾事件的發(fā)生,除內(nèi)在的大氣污染物源排放因素外,很大程度上依賴于氣象條件[13],這是因?yàn)榇髿鈱?duì)污染物的稀釋擴(kuò)散能力受氣象條件影響非常明顯,在不同氣象條件下,同一污染源的排放所造成地面污染物濃度可有幾十倍甚至上百倍的差別[14].因此,研究氣象條件對(duì)霧霾天氣的影響,從而,是一項(xiàng)十分重要課題[15].

本文利用AERONET提供的氣溶膠光學(xué)特性觀測(cè)數(shù)據(jù)和反演資料,分析北京地區(qū)一次嚴(yán)重霧霾過(guò)程中氣溶膠體積尺度譜分布和光學(xué)厚度、?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)、單次散射反照率、復(fù)折射指數(shù)等光學(xué)特征參量的變化規(guī)律,以及氣象因子(風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度)和天氣形勢(shì)對(duì)霧霾過(guò)程的影響,并結(jié)合HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)模型分析霧霾前中后期氣團(tuán)后向軌跡.

1 方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

AERONET(Aerosol Robotic Network)是由美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)建立并發(fā)展起來(lái)的,在全球范圍的自動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)超過(guò)600個(gè),且各站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以從AERONET網(wǎng)站下載(http://aeronet.gsfc.nasa.gov/).AERONET采用的觀測(cè)儀器為法國(guó)CIMEL公司生產(chǎn)CE318系列全自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)[16],該儀器在可見光至近紅外設(shè)有8個(gè)觀測(cè)通道,儀器的視場(chǎng)角為1.2°,太陽(yáng)跟蹤精度為0.1°,它不僅能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)做太陽(yáng)直射測(cè)量,也可進(jìn)行太陽(yáng)主平面掃描、太陽(yáng)平緯圈天空掃描,AERONET提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性較高,AOT的觀測(cè)誤差為0.01~0.02,反演參數(shù)SSA的誤差約為0.03,復(fù)折射指數(shù)實(shí)部和虛部的誤差分別為0.04和0.4[17].觀測(cè)時(shí)間一般為每天08:00~17:00,平均10~15min 1組數(shù)據(jù). 本文中氣溶膠光學(xué)特性研究采用AERONET提供的氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù)(如AOT、AE等)以及反演數(shù)據(jù)(如體積尺度譜分布、SSA、CRI等).

此外,地面常規(guī)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于http: //www. wunderground.com,每半小時(shí)記錄一次天氣狀況;海平面氣壓為精度為1°′1°的格點(diǎn)數(shù)據(jù),來(lái)源于NCEP/NCAR FNL再分析資料.污染物擴(kuò)散傳輸模式采用-4(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model, http: //ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php),它是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空間資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型,該模型具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、多種物理過(guò)程和不同類型污染物排放源的較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式,已被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中[18],本次研究中輸入數(shù)據(jù)為NCEP的GDAS資料(1°′1°).

1.2 站點(diǎn)介紹

研究選取北京為對(duì)象,觀測(cè)站點(diǎn)設(shè)于中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所樓頂(39.977°N,116.381°E),周圍主要以交通污染為主.北京位于華北平原的西北側(cè),背靠太行山山脈和燕山山脈,受到特殊地形的影響,在弱流場(chǎng)情況下,北京地區(qū)會(huì)出現(xiàn)空氣滯留現(xiàn)象,導(dǎo)致污染物難以消散.北京秋冬季受到人為氣溶膠影響較為明顯[19],在低氣壓、靜穩(wěn)的氣象條件下,偏南風(fēng)輸送大量外來(lái)污染物進(jìn)入北京地區(qū),之后,隨著風(fēng)力減小,空氣流動(dòng)性變小,大氣擴(kuò)散能力很弱,北京地區(qū)內(nèi)污染物不斷積累,最終壓在城市上空,可形成嚴(yán)重污染層[20-23].

2013年10月2~7日北京出現(xiàn)該年最為嚴(yán)重的霧霾天氣,在此之前北京有一次強(qiáng)霧霾過(guò)程,10月1日的中雨對(duì)霧霾天氣的改善有了很大貢獻(xiàn),10月2、3日天氣晴好,10月4日霧霾開始形成,能見度明顯下降,傍晚不足2km,5、6日早晚多為汽霧,中午多霧霾現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)能見度不足200m,7日日出后天氣轉(zhuǎn)晴,能見度提高,霧霾過(guò)程結(jié)束.本文選取該次霧霾天氣過(guò)程為研究對(duì)象,分析氣溶膠的光學(xué)特性,以及氣象條件對(duì)霧霾過(guò)程的影響.

2 結(jié)果與討論

2.1 氣溶膠光學(xué)特性

2.1.1 日平均體積尺度譜分布 圖1為10月2~7日由AERONET觀測(cè)數(shù)據(jù)反演得到的氣溶膠粒子體積尺度譜分布,可以看出,霧霾過(guò)程期間氣溶膠粒子體積尺度譜呈明顯的雙峰分布,10月2日粗細(xì)模態(tài)的峰值均處于較低值,Guo等[24]基于在線的粒譜和成分測(cè)量發(fā)現(xiàn),該日有大量的新粒子生成,之后隨著粒子的吸濕和碰并增長(zhǎng),粗細(xì)模態(tài)峰值均有不同程度增加;4日粗細(xì)模態(tài)粒子體積濃度均有所增加,峰值濃度相當(dāng),細(xì)粒子體積尺度譜分布峰值對(duì)應(yīng)的粒徑增長(zhǎng)到0.25μm;5日為霧霾最為嚴(yán)重時(shí)期,氣溶膠粒子細(xì)模態(tài)峰值濃度明顯增大,超過(guò)0.34μm3/μm2,粗模態(tài)峰值濃度相比于4日無(wú)明顯變化,但粗細(xì)粒子尺度譜分布峰值所對(duì)應(yīng)半徑均變小;7日霧霾天氣基本消失,天氣晴好,氣溶膠粒子體積濃度峰值明顯下降,細(xì)模態(tài)體積濃度峰值下降到0.07μm3/μm2以下.說(shuō)明此次霧霾過(guò)程中的氣溶膠粒子以細(xì)粒子為主,這與沙塵天氣過(guò)程氣溶膠粒子體積尺度譜分布有明顯不同[25].

2.1.2 光學(xué)厚度和?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)的日變化 氣溶膠光學(xué)厚度是表征氣溶膠粒子消光性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù),表示垂直大氣柱氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射衰減的能力,是評(píng)價(jià)大氣污染程度的一個(gè)重要指標(biāo);?ngstr?m指數(shù)是表征氣溶膠粒子大小的一個(gè)光學(xué)參數(shù),其值越小說(shuō)明粒子越大,反之則說(shuō)明氣溶膠粒子越小.圖2A為AERONET觀測(cè)到的氣溶膠光學(xué)厚度(440nm)與?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)(440~870nm)的日變化規(guī)律,可以看出,兩者整體變化較為一致,均有先增大后減小的趨勢(shì),這主要是因?yàn)樵摯挝廴具^(guò)程中的氣溶膠粒子以細(xì)粒子為主,氣溶膠的細(xì)粒子模態(tài)增大可使得光學(xué)厚度與?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)出現(xiàn)較高值[26].10月2日天氣晴好,全天光學(xué)厚度值低于0.4,?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)明顯增加;10月3日,氣溶膠粒子由核膜態(tài)(<0.05)向積聚模態(tài)(0.05~2μm)過(guò)渡[24],粒子數(shù)濃度減少,氣溶膠光學(xué)厚度整體呈上升趨勢(shì),但其值低于1.5;?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)早上呈上升趨勢(shì),10:00之后變化較為平穩(wěn).10月4日霧霾天氣過(guò)程開始發(fā)生,AOT值有明顯增大,全天光學(xué)厚度值在1.8以上,15:00左右有最大值,?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)上午呈上升趨勢(shì),午后出現(xiàn)峰值.10月5、6日霧霾最為嚴(yán)重,5日全天光學(xué)厚度值高于2.9,上午光學(xué)厚度有最大值,達(dá)3.89,且AOT與AE有明顯相反的變化趨勢(shì).10月7日上午9:00前有霧霾,之后天氣轉(zhuǎn)晴,全天AOT小于0.9.概括而言,霧霾天氣下,氣溶膠光學(xué)厚度和?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)有較大值,且有明顯的日變化特征.

圖2B為AERONET反演得到的霧霾過(guò)程期間粗細(xì)粒子在441nm處的消光光學(xué)厚度,可以明顯看出,此次污染事件氣溶膠細(xì)粒子消光貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于粗粒子,且細(xì)粒子消光貢獻(xiàn)波動(dòng)較為明顯,呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),與光學(xué)厚度變化較為一致,而粗粒子光學(xué)厚度一直處于較低值,且無(wú)明顯變化.

2.1.3 單次散射反照率日變化 單次散射反照率反映了氣溶膠粒子散射在總消光中所占比例,決定了氣溶膠輻射強(qiáng)迫的正、負(fù)效應(yīng),其微小變化會(huì)對(duì)輻射強(qiáng)迫值產(chǎn)生很大影響,是評(píng)估氣溶膠氣候效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)之一.Dubovik等[27-28]的研究表明,單次散射反照率的光譜特性不僅決定于氣溶膠的類別,還和氣溶膠的尺度大小有關(guān),由圖3可見,10月2日由于光學(xué)厚度值低于0.4,無(wú)法反演出SSA值.在霧霾發(fā)生前后(3日和7日)以及霧霾開始發(fā)生(4日),SSA值隨波長(zhǎng)增大而增大,而在霧霾最為嚴(yán)重時(shí)(5日),SSA在675nm處有最大值0.965,而后隨波長(zhǎng)遞減,這與北京地區(qū)沙塵天氣下氣溶膠單次散射反照率的光譜特性不同[29],主要是因?yàn)榇舜戊F霾過(guò)程中的污染物主要以細(xì)粒子為主,氣溶膠粒子在波長(zhǎng)與氣溶膠粒子尺寸相當(dāng)時(shí),散射能力最強(qiáng).10月4和5日在440nm處日平均SSA值分別為0.946和0.952,高于南京典型霧霾期間的最大值0.929[30],遠(yuǎn)高于于興娜等[8]選取的2002~2008年北京霧霾天氣下氣溶膠單次散射反照率的平均值(0.91),進(jìn)一步說(shuō)明此次霧霾過(guò)程期間污染物主要為強(qiáng)散射型氣溶膠[31].同時(shí),Guo等[24]成分測(cè)量結(jié)果表明,在霧霾較為嚴(yán)重的10月5、6日, 有機(jī)物、硝酸鹽、銨鹽、硫酸鹽等散射性成分有明顯增多,黑碳等吸收性氣溶膠所占比重較少;且在由清潔天氣到污染天氣轉(zhuǎn)化過(guò)程中氣溶膠粒子伴隨有明顯的稀釋增長(zhǎng),從而導(dǎo)致了此次霧霾過(guò)程中較高的SSA值.

2.1.4 復(fù)折射指數(shù)日均值變化 氣溶膠復(fù)折射指數(shù)與氣溶膠的粒子組成、尺度大小以及形狀有密切關(guān)系,是氣溶膠最基本的光學(xué)參數(shù),其實(shí)部和虛部分別代表氣溶膠散射和吸收能力相對(duì)大小,實(shí)部值越大,虛部值越小,表明其散射能力越強(qiáng),反之,吸收能力越強(qiáng)[32-34].從圖4A可以看出,整體上復(fù)折射指數(shù)實(shí)部值隨波長(zhǎng)增大有增加趨勢(shì),但在870nm處具有明顯降低,與王靜等[30]對(duì)南京一次霧霾的研究結(jié)果有所不同,這是因?yàn)閮傻貧馊苣z類別、尺度大小有很大區(qū)別.在王靜等研究的霧霾過(guò)程中有粗模態(tài)粒子的導(dǎo)入和人為產(chǎn)生細(xì)模態(tài)氣溶膠粒子的生成,使得實(shí)部值在霧霾爆發(fā)的2d呈現(xiàn)不同的變化;而在本次霧霾過(guò)程中主要以二次氣溶膠為主,細(xì)模態(tài)粒子所占比重較大,峰值濃度約為粗粒子的2.5倍.在霧霾發(fā)生時(shí)復(fù)折射指數(shù)虛部值均明顯降低(圖4B),在霧霾結(jié)束后開始升高,這主要是因?yàn)楸本┑貐^(qū)在2013年10月2日有大量新粒子生成,在霧霾發(fā)生過(guò)程中新粒子吸濕增長(zhǎng),同時(shí)有大量硫酸鹽、硝酸鹽氣溶膠生成,使得氣溶膠散射性增強(qiáng)[24].

2.2 氣象條件對(duì)霧霾過(guò)程的影響

氣象要素和天氣形勢(shì)為霧霾事件的發(fā)生提供一定條件,又是霧霾過(guò)程維持和發(fā)展的決定性因素,就單站點(diǎn)而言,氣象條件如相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向等與霧霾過(guò)程有著明顯的相關(guān)性[35],張人禾等[13]指出,霧霾天氣區(qū)域內(nèi)的表面風(fēng)速及其上空對(duì)流層中低層的水平風(fēng)垂直切變對(duì)霧霾天氣過(guò)程具有動(dòng)力作用;對(duì)流層中低層的層結(jié)不穩(wěn)定性以及近地面層的逆溫狀況和溫度露點(diǎn)差對(duì)霧霾天氣的演變可以產(chǎn)生熱力影響.本文從氣象要素和北京地區(qū)天氣形勢(shì)的演變分析此次霧霾事件的形成、發(fā)展和衰亡原因.

2.2.1 霧霾過(guò)程中氣象要素的變化情況 Guo等[24]對(duì)北京2013年9月26日至11月13日灰霾天氣的研究結(jié)果表明,風(fēng)速風(fēng)向的變化與PM2.5濃度的變化有很好的相關(guān)性.圖5為10月2~7日天氣狀況、能見度、風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度的日變化情況(不嚴(yán)格區(qū)分霧、汽霧和霧靄,統(tǒng)稱為霧霾,有云、多云和晴間多云統(tǒng)稱為有云),在霧霾發(fā)生前(10月2日),相對(duì)濕度均值為50%,最大風(fēng)速達(dá)22km/h;3日平均相對(duì)濕度較2日有所增加,風(fēng)速減小,多為偏南風(fēng);4日霧霾天氣過(guò)程開始發(fā)生,風(fēng)速與前一天相比有所減小,濕度增大,相對(duì)濕度高達(dá)94%,傍晚能見度不足2km;10月5日早上能見度不足1km,相對(duì)濕度高達(dá)94%,風(fēng)速較小,日出后為霾,相對(duì)濕度小于60%,入夜后隨著濕度加大、風(fēng)力減小,能見度進(jìn)一步變差,此時(shí)北京的氣象條件不利于污染物擴(kuò)散和稀釋,最終導(dǎo)致污染物長(zhǎng)時(shí)間滯留空氣中;10月6日早上8:30,出現(xiàn)濃霧,能見度不足200m,相對(duì)濕度高達(dá)96%,午后相對(duì)濕度降低到70%以下,多為靜風(fēng);10月7日上午9:00前為汽霧,之后天氣轉(zhuǎn)晴,多偏北風(fēng),風(fēng)速最大值達(dá)到19km/h,相對(duì)濕度早上高達(dá)88%,午后降低到40%以下.綜上所述,在霧霾發(fā)生前后,北京多受偏北大風(fēng)的影響,白天相對(duì)濕度具有較低值,而在霧霾較嚴(yán)重時(shí),北京地區(qū)多較弱的偏南風(fēng),空氣滯留明顯,且相對(duì)濕度日平均值較大.

2.2.2 天氣形勢(shì)對(duì)霧霾過(guò)程的影響 如圖6所示,10月5日08:00,北京位于高壓底部,周圍等壓線稀疏,下午14:00位于高壓的底后部低壓底前部,盛行偏南風(fēng),輸送南部工業(yè)城市污染物;6日08:00原位于北京西北部的低壓中心繼續(xù)向東移動(dòng),但北京尚未受到明顯影響,霧霾依然很嚴(yán)重;10月7日08:00,位于北京西北部的低壓移至北京東北部,另有一高壓移至西北部,此時(shí)北京位于高壓的底前部,低壓的底后部,受到明顯北部干潔冷空氣的影響,污染擴(kuò)散條件好,霧霾現(xiàn)象開始消失.

2.2.3 污染物后向軌跡分析 氣溶膠的后向軌跡模擬不僅能夠解釋污染物的來(lái)源以及氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)方向,而且與光學(xué)厚度、單次散射反照率以及氣柱中的含水量有密切關(guān)系,Xia等[36]對(duì)北京地區(qū)5年的污染物后向軌跡進(jìn)行聚類分析,指出移動(dòng)較慢的氣溶膠軌跡通常具有較高的光學(xué)厚度和單次散射反照率,以及較大的含水量.圖7為北京站點(diǎn)10月2日08:00~10日7日08:00在500m高度處24h污染物后向軌跡模擬結(jié)果,可以看出,在污染天氣(10月4、5、6日)主要來(lái)自于偏南部工業(yè)污染較為嚴(yán)重的地區(qū),氣團(tuán)移動(dòng)緩慢,且500m高度處的污染物來(lái)源主要是大氣底層,受到靜穩(wěn)天氣的影響,氣團(tuán)垂直方向隨時(shí)間波動(dòng)不明顯;而在大氣較為清潔時(shí)期(10月2、3、7日),影響北京地區(qū)的氣團(tuán)多來(lái)自西北向,氣團(tuán)移動(dòng)速度較快.

3 結(jié)論

3.1 霧霾發(fā)生期間氣溶膠體積尺度譜呈明顯雙峰分布,細(xì)粒子峰值濃度高于粗粒子;10月2~7日氣溶膠光學(xué)厚度與?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)整體變化趨勢(shì)一致,均有先增大后減小的趨勢(shì),細(xì)粒子消光光學(xué)厚度遠(yuǎn)高于粗粒子,說(shuō)明大量細(xì)模態(tài)粒子的產(chǎn)生是造成此次霧霾發(fā)生的主要原因.霧霾發(fā)生時(shí)單次散射反照率值增大,復(fù)折射指數(shù)虛部明顯下降,說(shuō)明此次污染過(guò)程中氣溶膠粒子以強(qiáng)散射粒子為主.

3.2 霧霾發(fā)生期間早上和傍晚相對(duì)濕度較大,在10月5、6日,北京為靜穩(wěn)天氣,周圍等壓線稀疏,多弱的偏南氣流,大氣擴(kuò)散能力較弱;而在10月7日 8:00北京地區(qū)周圍等壓線密集,受偏北大風(fēng)的影響,開始由污染天氣向干凈天氣轉(zhuǎn)變.

3.3 北京站點(diǎn)500m高度污染物后向軌跡表明,霧霾嚴(yán)重時(shí)期氣團(tuán)來(lái)向?yàn)楸本┠喜亢蜄|南部的污染城市,而在大氣較為潔凈時(shí),多受西北向輸送的氣團(tuán)影響.

3.4 晴天大氣下大量新粒子生成和國(guó)慶期間人為因素產(chǎn)生的污染是此次霧霾事件的根源,大氣中充足的水汽和持續(xù)靜穩(wěn)天氣是霧霾形成和維持的重要因素.

王明星,張仁健.大氣氣溶膠研究的前沿問(wèn)題 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2001,01:119-124.

Horvath H. Atmospheric aerosols, atmospheric optics and visibility [J]. Journal of Aerosol Science, 1994,25:23-24.

Chen Y, Bond T C. Light absorption by organic carbon from wood combustion [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010,10(4):1773-1787.

Wagner R, Ajtai T, Kandler K, et al. Complex refractive indices of Saharan dust samples at visible and near UV wavelengths: a laboratory study [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2012,12(5):2491-2512.

蔡子穎,鄭有飛,胡 鵬,等.鄭州地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性的地基遙感研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2009,29(1):31-35.

齊 冰,杜榮光,于之鋒,等.杭州市大氣氣溶膠光學(xué)厚度研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(3):588-595.

段 婧,毛節(jié)泰.長(zhǎng)江三角洲大氣氣溶膠光學(xué)厚度分布和變化趨勢(shì)研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007,28(4):537-543.

于興娜,李新妹,登增然登,等.北京霧霾天氣期間氣溶膠光學(xué)特性 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2012,32(4):1057-1062.

Che H, Xia X, Zhu J, et al. Column aerosol optical properties and aerosol radiative forcing during a serious haze-fog month over North China Plain in 2013 based on ground-based sunphotometer measurements [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2014, 14(4):2125-2138.

李 霞,胡秀清,崔彩霞,等.南疆盆地沙塵氣溶膠光學(xué)特性及我國(guó)沙塵天氣強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)的研究 [J]. 中國(guó)沙漠, 2005,4: 488-495.

許萬(wàn)智.北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性與輻射效應(yīng)的觀測(cè)研究 [D]. 北京:中國(guó)氣象科學(xué)研究院, 2012.

徐 政,李衛(wèi)軍,于陽(yáng)春,等.濟(jì)南秋季霾與非霾天氣下氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的觀測(cè) [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(4):546-552.

張人禾,李 強(qiáng),張若楠.2013年1月中國(guó)東部持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件分析 [J]. 中國(guó)科學(xué)地球科學(xué)(中文版), 2014, 44(1):27-36.

蔣維楣,孫鑒濘,曹文俊,等.空氣污染氣象學(xué)教程 [M]. 北京:氣象出版社, 2004.

穆 穆,張人禾.應(yīng)對(duì)霧霾天氣:氣象科學(xué)與技術(shù)大有可為 [J]. 中國(guó)科學(xué):地球科學(xué), 2014,1:1-2.

Holben B N, Eck T F, Slutsker I, et al. AERONET—A federated instrument network and data archive for aerosol characterization [J]. Remote Sensing of Environment, 1998,66(1):1-16.

Dubovik O, Smirnov A, Holben B N, et al. Accuracy assessments of aerosol optical properties retrieved from Aerosol Robotic Network (AERONET) Sun and sky radiance measurements [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2000,105(D8): 9791-9806.

Draxler R, Hess G. Description of the HYSPLIT4modeling system [J]. 1997.

丁一匯,柳艷菊.近50年我國(guó)霧和霾的長(zhǎng)期變化特征及其與大氣濕度的關(guān)系 [J]. 中國(guó)科學(xué)地球科學(xué), 2014,44(1):37-48.

陳麗芳.杭州市灰霾氣候特征及與清潔過(guò)程的對(duì)比分析 [J]. 科技通報(bào), 2012,7:31-35.

吳 蒙,范紹佳,吳 兌,等.廣州地區(qū)灰霾與清潔天氣變化特征及影響因素分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012,32(8):1409-1415.

張 勇.北京城市大氣氣溶膠光學(xué)特性觀測(cè)研究 [D]. 南京:南京信息工程大學(xué), 2012.

馬敏勁,崔冬林,王式功,等.蘭州市霾日的氣候特征 [J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009,6:56-61.

Guo S, Hu M, Zamora M, et al. Elucidating severe urban haze formation in China [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014,111(49):17373-17378.

Xia X, Wang P, Chen H, et al. Ground-based remote sensing of aerosol optical properties over north China in spring [J]. Journal of Remote Sensing, 2005,9(4):429:429-437.

肖鐘盠,江 洪,陳 健,等.杭州市大氣氣溶膠光學(xué)特性研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011,31(8):1758-1767.

Dubovik O, Holben B N, Kaufman Y J, et al. Single scattering albedo of smoke retrieved from the sky radiance and solar transmittance measured from ground [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1998,103(D24):31903-31923.

Dubovik O, Holben B N, Eck T, et al. Variability of absorption and optical properties of key aerosol types observed in worldwide locations [J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 2002, 59(3):590-608.

鄭玉琦,于興娜,項(xiàng) 磊.東亞沙塵源區(qū)與下游地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性比較 [J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào), 2014,30(2):67-73.

王 靜,牛生杰,許 丹,等.南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33(2):201-208.

王 玲,李正強(qiáng),李 莉,等.利用太陽(yáng)-天空輻射計(jì)遙感觀測(cè)反演北京冬季灰霾氣溶膠成分含量 [J]. 遙感學(xué)報(bào), 2013,17(4): 944-958.

韓 永,王體健,饒瑞中,等.大氣氣溶膠物理光學(xué)特性研究進(jìn)展 [J]. 物理學(xué)報(bào), 2008,11:7396-7407.

馬井會(huì),張 華,鄭有飛,等.沙塵氣溶膠光學(xué)厚度的全球分布及分析 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2007,2:156-164.

張立盛,石廣玉.硫酸鹽和煙塵氣溶膠輻射特性及輻射強(qiáng)迫的模擬估算 [J]. 大氣科學(xué), 2001,2:231-242.

趙子菁,魏永杰,張祥志,等.南京市霾天氣與主要?dú)庀髼l件的相關(guān)分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(12):3570-3580.

Xia X, Chen H, Zhang W. Analysis of the dependence of column-integrated aerosol properties on long-range transport of air masses in Beijing [J]. Atmospheric Environment, 2007,41(36): 7739-7750.

* 責(zé)任作者, 研究員, wjzhang@aiofm.ac.cn

Analysis of aerosol optical properties and meteorological parameters in a severe haze-fog episode in Beijing

WANG Shuo1,2, ZHAO Wei-xiong1, XU Xue-zhe1,2, ZHANG Qi-lei1,2, QIAN Xiao-dong1,2, FANG Bo1, WANG Jing4, ZHANG Wei-jun1,3*

(1.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China；2.Graduate School, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China；3.School of Environmental Science and Optoelectronic Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China；4.School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)., 2016,36(5)：1305~1312

Results of aerosol optical properties research during a severe haze-fog episode from 2 October to 7 October 2013 in Beijing were studied. The meteorological effects on the haze-fog process were investigated, and the pollution sources were analyzed with the Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model. The values of aerosol optical thickness (AOT), ?ngstr?m wavelength exponent (AE), and the peak of aerosol volume size concentration in fine mode in polluted days were much higher than that of clean days. The daily average single scattering albedo (SSA) increased with the increasing of wavelength in the earlier and later period of the intensive haze-fog episode. On October 5, the most serious haze process was happened and the AOT of wavelength 440nm was raised as much as 3.89. The SSA firstly increased and then decreased with the increasing of wavelength. The maximum SSA value was 0.965 at the wavelength of 675nm. During the haze-fog episode, fine particles with strong scattering characteristics were dominated which was mainly contributed by human factors, and was significantly influenced by meteorological parameters.

aerosol；haze-fog process；optical properties；meteorological parameters

X513

A

1000-6923(2016)05-1305-08

王 朔(1993-),女,河南商丘人,中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所碩士研究生,主要從事大氣氣溶膠物理化學(xué)特性研究.

2015-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(41330424);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201406039);安徽省杰出青年科學(xué)基金(1508085J03)