周家成,徐學(xué)哲,方 波,張 楊,趙衛(wèi)雄*,張為俊，3

（1中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣物理化學(xué)研究室,安徽 合肥 230031;2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院,安徽 合肥 230026;3中國科學(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 230026）

0 引 言

氣溶膠是指液體或固體微粒分散在氣體中形成的相對穩(wěn)定的懸浮體系[1],它們通過散射和吸收太陽輻射直接影響著大氣環(huán)境[2]和全球氣候變化[3]。氣溶膠吸濕性是指氣溶膠粒子吸收水分、粒徑增長的現(xiàn)象,是影響氣溶膠光學(xué)特性的關(guān)鍵參量。當(dāng)環(huán)境相對濕度RH較高時(shí),氣溶膠粒子與水汽發(fā)生相互作用,其吸濕性組分吸收水分,化學(xué)組分、尺寸、形態(tài)和混合狀態(tài)等發(fā)生變化[4-6],進(jìn)而改變其散射和吸收特性[6-8],在光學(xué)吸濕增長的共同作用下,影響大氣能見度和氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫[9，10]。

氣溶膠的基本光學(xué)參數(shù)包括消光系數(shù)αext、散射系數(shù)αscat、吸收系數(shù)αabs和單次散射反照率（SSA）,散射與吸收系數(shù)之和等于消光系數(shù),散射與消光系數(shù)之比為SSA,光學(xué)吸濕增長特性分別對應(yīng)于這四種光學(xué)參數(shù)的吸濕增長[11-14]。消光、散射、吸收的吸濕增長因子 f（RH）ext/scat/abs=α（RH）ext/scat/abs/αdry，ext/scat/abs,式中α（RH）ext/scat/abs和αdry，ext/scat/abs分別為濕狀態(tài)和干狀態(tài)下的消光、散射和吸收系數(shù),SSA的吸濕增長因子f（RH）ω=ω（RH）/ωdry,式中ω（RH）和ωdry分別為濕狀態(tài)和干狀態(tài)下的SSA。

Zhang等[15]基于長期的觀測數(shù)據(jù),評估了我國臨安地區(qū)吸濕性對能見度和直接輻射強(qiáng)迫的影響;在環(huán)境相對濕度為85%的情況下,氣溶膠散射吸濕增長因子為1.29～1.86（平均值1.58）,引起大氣消光的增加量高達(dá)58%,導(dǎo)致氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫增加1.47倍,說明散射吸濕增長對氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫的貢獻(xiàn)高達(dá)47%。實(shí)際上,大氣消光受散射和吸收吸濕增長的共同影響,基于模型計(jì)算和外場觀測,Cheng等[10]發(fā)現(xiàn),在相對濕度為90%的條件下,散射吸濕增長因子高于消光吸濕增長因子1.05～1.14倍;對于內(nèi)混合狀態(tài)的氣溶膠來說,不考慮吸收吸濕增長會(huì)導(dǎo)致SSA高估0.02（約5%的偏差）,可引起輻射強(qiáng)迫評估約1 W·m-2的誤差;考慮大氣氣溶膠的實(shí)際混合狀態(tài),當(dāng)相對濕度由30%升高至90%時(shí),SSA從0.86增加到0.94,使輻射強(qiáng)迫的制冷作用提高2.7倍。因此,綜合開展氣溶膠多光學(xué)參數(shù)的吸濕增長特性測量具有重要意義。

本文從光學(xué)吸濕增長特性測量技術(shù)出發(fā),介紹了濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其工作原理;進(jìn)而對光學(xué)吸濕增長特性測量方法進(jìn)行了分類和比較分析;最后對相關(guān)研究方向提出了展望。

1 光學(xué)吸濕增長特性測量方法

在過去的幾十年中,通過比較濕狀態(tài)和干狀態(tài)下對應(yīng)的參數(shù),發(fā)展了很多種技術(shù)和方法用于評估氣溶膠的吸濕性。根據(jù)測量原理的不同,可分為質(zhì)量、粒徑和光學(xué)吸濕增長三類[16-18],分別對應(yīng)于質(zhì)量、粒徑和光學(xué)吸濕增長因子m（RH）、g（RH）和 f（RH）。質(zhì)量吸濕增長通過測量RH升高或降低過程中待測粒子質(zhì)量的變化,獲得質(zhì)量吸濕增長曲線,是一種離線手段,可應(yīng)用于非球形粒子的測量[19]。粒徑吸濕增長測量方法是目前應(yīng)用最廣泛的測量技術(shù),常用的測量設(shè)備為加濕串聯(lián)差分電遷移率分析儀（H-TDMA）[20，21],由差分電遷移率分析儀（DMA）、加濕系統(tǒng)和掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS）三部分組成,DMA對顆粒物粒徑進(jìn)行選擇,經(jīng)過加濕系統(tǒng)后利用SMPS測量,獲得加濕后的粒徑譜變化,從而實(shí)現(xiàn)粒徑吸濕增長曲線的測量,該方法可以獲得粒徑分辨的吸濕增長測量。相較于前兩種方法來說,光學(xué)吸濕增長特性測量方法是一種在線的群體測量技術(shù),不受粒徑大小限制且適用于低濃度樣品測量,對氣溶膠環(huán)境和氣候效應(yīng)的評估具有重要意義,因此越來越受到重視。

光學(xué)吸濕增長測量系統(tǒng)由濕度控制系統(tǒng)和光學(xué)測量裝置兩部分組成,如圖1所示,氣溶膠樣品經(jīng)過濕度控制系統(tǒng),RH逐漸增加,顆粒逐漸變大,測量相應(yīng)的光學(xué)參數(shù)變化,結(jié)合干狀態(tài)下的光學(xué)參數(shù),實(shí)現(xiàn)光學(xué)吸濕增長特性的測量。通過切換旁路和濕度控制系統(tǒng),分別測量干、濕狀態(tài)下的光學(xué)參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)光學(xué)測量儀器的吸濕增長測量[圖1（a）];若濕度控制系統(tǒng)為濕度循環(huán)掃描模式,也可以使用低RH下的光學(xué)參數(shù)作為參考,由于樣品是實(shí)時(shí)變化的,濕度循環(huán)時(shí)間不能過長,否則會(huì)給干狀態(tài)的光學(xué)參數(shù)測量帶來偏差。為了解決干狀態(tài)參考測量的問題,引入另外一臺(tái)光學(xué)儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,按照干光學(xué)測量裝置連接方式的不同可以分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種類型。當(dāng)樣品依次經(jīng)過干光學(xué)測量裝置、濕度控制系統(tǒng)和濕光學(xué)測量裝置時(shí),稱之為串聯(lián)加濕光學(xué)測量系統(tǒng)[圖1（b）];若樣品分成兩路,一路進(jìn)入干光學(xué)測量裝置,另一路并行進(jìn)入濕度控制系統(tǒng)后,被濕光學(xué)測量裝置測量,這種連接方式叫做并聯(lián)加濕光學(xué)測量系統(tǒng)[圖1（c）]。

圖1 光學(xué)吸濕增長測量系統(tǒng)示意圖。（a）基于單臺(tái)儀器;（b）串聯(lián)類型;（c）并聯(lián)類型Fig.1 Schematic diagram of optical hygroscopic growth measurement system.（a）Based on a single instrument;（b）series type;（c）parallel type

光學(xué)吸濕增長特性的測量依賴于濕度控制系統(tǒng)和光學(xué)測量裝置的發(fā)展,以下將從這兩個(gè)關(guān)鍵組成部分進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。

1.1 濕度控制系統(tǒng)

根據(jù)加濕原理的不同,目前在吸濕增長測量中應(yīng)用最廣泛的濕度控制裝置可以分為兩類,水加濕法和氣加濕法。

1.1.1 水加濕法

水加濕法指的是利用液態(tài)水作為介質(zhì),使樣品濕度升高的一種方法。其核心是一根水加濕管,基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。水加濕管由兩層同心圓管組成,內(nèi)管是聚四氟乙烯半透膜,外管為不銹鋼管,內(nèi)管中空用于樣品氣溶膠的流通,內(nèi)管和外管之間有空隙用于水的循環(huán)。當(dāng)內(nèi)管和外管存在水蒸汽差時(shí),外層的水汽分子可以穿過聚四氟乙烯半透膜進(jìn)入內(nèi)管與樣品氣溶膠混合,液態(tài)的水滴被滲透膜阻擋無法通過,從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)管氣溶膠相對濕度增加的效果。將水泵和水槽與水加濕管結(jié)合使用,采用水循環(huán)的方式,保證水加濕管內(nèi)水的流動(dòng)。為了保證加濕效果,使用最廣泛的方法是對循環(huán)水進(jìn)行加熱,當(dāng)水溫升高時(shí),水分子的滲透效率會(huì)大大增加,從而提高加濕效率。循環(huán)水升溫一般可以通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn),一是直接在加濕管外壁包裹一層加熱套,直接對水加濕管外壁加熱,基于熱傳導(dǎo)進(jìn)一步提高內(nèi)管和外管之間循環(huán)水的水溫[22];二是對循環(huán)水的水槽進(jìn)行水浴加熱,直接改變流入加濕管內(nèi)的循環(huán)水水溫[23];結(jié)合PID自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),這兩種方式都可以使加濕效果大幅度提升,也都在外場觀測中得到了良好應(yīng)用[15，24],但是加濕周期的時(shí)間分辨率受水溫響應(yīng)的限制,循環(huán)周期一般在小時(shí)量級[15，23]。

圖2 水加濕管的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of water humidifier tube

1.1.2 氣加濕法

為了提高加濕系統(tǒng)的時(shí)間分辨率,采用氣加濕法來提高濕度循環(huán)的時(shí)間響應(yīng),目前使用最廣泛的加濕器是Nafion管。Nafion管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水加濕管類似,由內(nèi)外兩層組成,內(nèi)管同樣是一種滲透膜材質(zhì),不同的是內(nèi)管和外管之間流動(dòng)的不是液態(tài)水,而是氣態(tài)水分子,通過改變鞘氣的RH和流速可實(shí)現(xiàn)氣溶膠RH的增加或降低,具體的濕度調(diào)節(jié)方式如圖3所示。通過兩步來實(shí)現(xiàn)氣溶膠濕度的調(diào)節(jié),首先利用氣體濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生濕度范圍可調(diào)的混合氣體,干燥的零空氣分成兩路,一路直接通過質(zhì)量流量計(jì)1,另一路先通過質(zhì)量流量計(jì)2,再通過水加濕器,外層的水分子滲透進(jìn)入加濕器內(nèi)管與氣體混合,使得氣體的RH升高至約98%。通過調(diào)節(jié)流經(jīng)兩個(gè)流量計(jì)的氣體流量和比例,實(shí)現(xiàn)混合氣體濕度在5%～98%范圍內(nèi)快速變化。然后利用加濕的混合氣體作為Nafion管的鞘氣,當(dāng)氣溶膠粒子通過Nafion管的內(nèi)管時(shí),外層的氣態(tài)水分子滲透進(jìn)入內(nèi)管與氣溶膠粒子混合,實(shí)現(xiàn)氣溶膠粒子濕度的增加。為了提高氣溶膠的濕度響應(yīng),還可以增加水浴加熱箱和水泵產(chǎn)生恒溫循環(huán)水,提升水分子滲透效率。此外,為了減小溫度波動(dòng)的影響,對加濕器和管路進(jìn)行保溫處理。這種快速改變鞘氣相對濕度的加濕方法,不依賴于調(diào)節(jié)水溫,可以將整個(gè)加濕循環(huán)的時(shí)間縮短至20 min左右[14],結(jié)合在線的測量系統(tǒng),已經(jīng)在粒徑吸濕增長測量[21]和光學(xué)吸濕增長測量[14]中得到了很好的應(yīng)用。Nafion管還可以串聯(lián)在加濕管的后端,使用零空氣作為鞘氣,充當(dāng)干燥管,用于測量氣溶膠風(fēng)化過程中的吸濕增長特性[25]。

圖3 氣加濕法流程圖Fig.3 Flow chart of gas humidification method

1.2 光學(xué)吸濕增長特性測量

氣溶膠光學(xué)吸濕增長特性的測量依賴于光學(xué)特性探測技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,只有準(zhǔn)確獲得不同濕度條件下的光學(xué)參數(shù),才能有望實(shí)現(xiàn)光學(xué)吸濕增長因子和吸濕增長曲線的測量。目前已發(fā)展的光學(xué)測量裝置包括單一參數(shù)和多參數(shù)兩種類型,以下對光學(xué)吸濕增長測量裝置進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2.1 消光吸濕增長特性

消光池和高精細(xì)度諧振腔吸收光譜是直接測量氣溶膠消光系數(shù)的兩種技術(shù)。受限于較短的吸收光程,消光池的探測靈敏度較差,實(shí)際大氣應(yīng)用較少,只能用于實(shí)驗(yàn)室高濃度樣品氣溶膠的消光吸濕增長因子測量[26]。高精細(xì)度諧振腔吸收光譜技術(shù)包括腔衰蕩吸收光譜技術(shù)（CRDS）和腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)（CEAS）,有效吸收光程長,消光系數(shù)的探測極限高,而且不受RH影響,在氣溶膠消光吸濕增長測量方面得到了廣泛的應(yīng)用。2006年,Baynard等[27]建立了工作波長為532 nm的雙通道CRDS系統(tǒng),通過測量80%RH和干狀態(tài)下氣溶膠的消光系數(shù),獲得了氣溶膠的消光吸濕增長因子,報(bào)道的消光吸濕增長因子的不確定度為5%（2σ）。之后,Garland等[11]利用該裝置測量了硫酸銨與水溶性有機(jī)物混合物的消光吸濕增長特性。2009年,Massoli等[28]搭建了六通道CRDS系統(tǒng),用于評估實(shí)際大氣氣溶膠的吸濕性,系統(tǒng)的工作波長為355、532、1064 nm,其中三個(gè)腔體同時(shí)測量25%、60%和85%RH條件下532 nm的消光系數(shù),355 nm和1064 nm的腔體串聯(lián),切換測量25%和85%RH條件下的消光系數(shù),在三種RH條件下,報(bào)道的消光系數(shù)測量不確定度（1σ）為1%、約2%和約5%。Langridge等[29]于2011年搭建了八通道機(jī)載CRDS測量系統(tǒng),工作波長包括405、532、662 nm,其中工作在532 nm的三個(gè)腔體分別測量小于10%、70%和95%RH條件下的消光系數(shù),獲得了70%和95%RH下的消光吸濕增長因子的垂直廓線分布,在干燥和高濕條件下,評估的消光系數(shù)測量精度分別為小于2%和約20%。2012年,Michel Flores等[30]使用單腔CRDS裝置,通過切換的方式獲得了樣品氣溶膠在80%和90%RH下的消光吸濕增長因子,結(jié)合測量的粒徑吸濕增長因子進(jìn)行了對比分析。2017年,Zhao等[31]首次將寬帶腔增強(qiáng)吸收光譜（BBCEAS）與加濕系統(tǒng)相結(jié)合[圖4（a）],裝置的工作波長為461 nm,使用硫酸銨氣溶膠對裝置準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,獲得了200 nm硫酸銨氣溶膠的吸濕增長曲線,而且與模型模擬結(jié)果一致[圖4（b）],評估的消光測量不確定度為3%。

圖4 BBCEAS測量系統(tǒng)（a）及硫酸銨粒子的吸濕增長曲線（b）[31]Fig.4 BBCEAS measurement system（a）and the measured hygroscopic growth curve of ammonium sulfate particles（b）[31]

1.2.2 散射吸濕增長特性

對于散射吸濕增長特性測量,加濕濁度計(jì)系統(tǒng)是目前使用最廣泛的散射吸濕增長測量裝置,可以同時(shí)獲得三個(gè)波長的散射吸濕增長特性。Covert等[4]于1972年設(shè)計(jì)了全世界第一套加濕濁度計(jì)系統(tǒng),由加濕單元和濁度計(jì)兩部分組成。該系統(tǒng)通過測量加濕前后氣溶膠散射系數(shù)的變化,獲得氣溶膠散射吸濕增長因子和吸濕增長曲線。此后研究中使用的加濕濁度計(jì)系統(tǒng)多是在Covert等[4]設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,不斷優(yōu)化濕度控制系統(tǒng)和散射系數(shù)測量精度。按照連接方式的不同,現(xiàn)有的加濕濁度計(jì)可分為串聯(lián)加濕濁度計(jì)[32]和并聯(lián)加濕濁度計(jì)[33]兩類,兩種類型在各大綜合外場觀測中都得到了很好的應(yīng)用,具體可以參考文獻(xiàn)[34]。Titos等[35]對加濕濁度計(jì)測量的散射吸濕增長因子的不確定度進(jìn)行了全面的分析,發(fā)現(xiàn)對于中等吸濕性的氣溶膠,散射吸濕增長因子的不確定度可以達(dá)到20%～40%,主要誤差源來自濕度的測量不確定性、腔內(nèi)粒子的損耗以及濁度計(jì)本身的截止誤差。在國內(nèi),Yan等[33]利用兩臺(tái)濁度計(jì)和加濕裝置搭建了氣溶膠散射吸濕增長測量系統(tǒng),并在2005年和2006年利用該系統(tǒng)測量了北京城區(qū)和上甸子地區(qū)氣溶膠散射吸濕增長特性[33，36]。北京大學(xué)趙春生課題組利用兩臺(tái)水浴箱交替控制加濕過程,通過降低光功率和增加熱反射鏡,降低腔體溫度,提升加濕效率,開發(fā)了高時(shí)間分辨率的加濕濁度計(jì)系統(tǒng),將加濕循環(huán)由之前的2～3 h縮短至1 h[22]。此外,該團(tuán)隊(duì)基于加濕濁度計(jì)系統(tǒng)的多波長散射吸濕增長特性數(shù)據(jù),反演了大量的關(guān)鍵參數(shù),如云凝結(jié)核濃度[37]、吸濕經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[38]、不對稱因子[39]、液態(tài)水含量[40]和氣溶膠表面積濃度[41]等。

1.2.3 吸收吸濕增長特性

吸收系數(shù)的準(zhǔn)確測量是獲得吸收吸濕增長因子的前提,測量方法可以分為直接和間接兩大類。直接測量方法又可以分為基于濾膜方法和光聲光譜技術(shù)（PAS）兩類?；跒V膜方法雖然簡單并且不受氣體吸收的干擾,但由于采用的是膜過濾進(jìn)樣,改變了氣溶膠的原始狀態(tài),而且測量準(zhǔn)確性受水汽的影響很大[42],無法用于吸收吸濕增長特性測量。PAS是一種直接、原位測量氣溶膠吸收系數(shù)的方法,靈敏度高,但高的RH會(huì)使聲學(xué)響應(yīng)大幅度衰減,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)RH達(dá)到90%時(shí),光聲信號可以降低至原始信號的0.4倍,推薦使用的RH范圍是10%～30%[43]。Lack等[13]使用PAS,在2009年開展了長距離傳輸?shù)纳硥m氣溶膠的光吸收吸濕增長特性研究,分別測量了25%和73%RH下的吸收系數(shù),計(jì)算得到的吸收吸濕增長因子為1.5（±0.3）,評估得出由于水蒸氣引起的光聲信號偏差為7%～30%。為了解決水汽對聲學(xué)信號的干擾問題,Radney和Zangmeister[44]于2015年將超連續(xù)光源應(yīng)用到PAS中,開發(fā)了一種同時(shí)測量水蒸氣和煙炱顆粒的寬帶吸收光譜探測設(shè)備,扣除水汽影響后,得到了煙炱顆粒質(zhì)量吸收截面的增強(qiáng)因子,當(dāng)RH從5%增加到70%時(shí),500 nm～840 nm的吸收增強(qiáng)在1.2～1.5倍之間。另外,吸收系數(shù)還可以通過消光減散射法間接獲得。Brem等[26]通過將加濕消光池與加濕濁度計(jì)相結(jié)合,測量了木材熱解排放的有機(jī)氣溶膠的光學(xué)吸濕增長特性,得到了RH從32%到95%條件下的吸收吸濕增長因子,在467 nm和530 nm處分別為2.2（±0.7）和2.7（±1.2）,測量結(jié)果具有較大的不確定性。

基于諧振腔的反照率光譜儀,將高靈敏度吸收光譜技術(shù)與積分球（IS）相結(jié)合,可以在一個(gè)腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)消光和散射系數(shù)的原位同步測量,進(jìn)而獲得吸收系數(shù)和單次散射反照率,為多光學(xué)參數(shù)吸濕增長原位同步測量提供了一個(gè)全新的手段。目前,已發(fā)展的反照率光譜儀包括基于CRDS技術(shù)的腔衰蕩反照率光譜儀（CRDS-albedometer）[45]、基于BBCES技術(shù)的腔增強(qiáng)反照率光譜儀（BBCES-albedometer）[46，47]以及基于腔衰減相移吸收光譜技術(shù)（CAPS）的腔衰減相移反照率光譜儀（CAPS-albedometer）[48]。這類光譜儀其消光、散射和吸收系數(shù)探測靈敏度高,不受水汽干擾,適用于高相對濕度,非常適合多光學(xué)參數(shù)的吸濕增長特性測量。將CRDS-albedometer與激光誘導(dǎo)白熾光技術(shù)相結(jié)合,外加濕度控制系統(tǒng),Wei等[49]研究了與硝酸銨內(nèi)混合的煙炱顆粒的質(zhì)量吸收截面與相對濕度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)RH升高至80%時(shí),吸收可以增強(qiáng)1.5倍。2020年,Zhou等[14]將BBCES-albedometer與快速濕度控制系統(tǒng)結(jié)合,發(fā)展了加濕的腔增強(qiáng)反照率光譜儀（H-CEA）,在RH從20%到95%之間,評估的消光和散射吸濕增長因子的不確定度分別為11%和10%,優(yōu)于加濕濁度計(jì),并對純散射的硫酸銨和強(qiáng)吸收的苯胺黑粒子進(jìn)行了測量,驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。H-CEA的裝置結(jié)構(gòu)和兩種樣品測量結(jié)果如圖5所示,圖5（b）中,f（RH）ext/scat，m為實(shí)際測量結(jié)果,f（RH）ext/sact，c為理論計(jì)算結(jié)果;圖5（c）中均為實(shí)際測量結(jié)果,f（RH）ω為單次散射反照率的吸濕增長因子。類似地,Carrico等[50]于2021年對CAPS-albedometer進(jìn)行改裝,解決了吹掃濕氣、內(nèi)部熱量和濕度變化帶來的噪聲干擾,并且考慮了散射截止引起的誤差,也實(shí)現(xiàn)了光學(xué)吸濕增長特性測量。

圖5 H-CEA示意圖（a）及硫酸銨樣品（b）和苯胺黑樣品（c）測量結(jié)果[14]Fig.5 Schematic diagram of H-CEA（a）and the measurement results of ammonium sulfate（b）and nigrosin（c）[14]

1.2.4 單次散射反照率吸濕增長特性

單次散射反照率是評估氣溶膠輻射強(qiáng)迫的重要參數(shù),通過測量消光、散射和吸收系數(shù)三者中的任意兩個(gè)并計(jì)算獲得。不同儀器之間的聯(lián)用、樣品的不均勻性、實(shí)驗(yàn)條件不一致和儀器之間的誤差累計(jì),加大了SSA的測量誤差?；谥C振腔的反照率光譜儀減小了進(jìn)樣損耗和環(huán)境等帶來的偏差,可以使SSA的測量誤差減小至約4%[47]。Markowicz等[51]的觀測結(jié)果顯示,環(huán)境中的RH與SSA呈明顯的相關(guān)性,高RH下,氣溶膠粒子的SSA相對較大。但是關(guān)于SSA吸濕增長特性的直接測量較少,多數(shù)是模擬結(jié)果。Cheng等[10]假設(shè)黑碳不同的混合狀態(tài),模擬了RH的影響。結(jié)果表明,對于核殼和外混合狀態(tài),當(dāng)濕度從30%變?yōu)?0%時(shí),SSA從0.77增加到0.88,提高了14%;相比之下,對于內(nèi)混合狀態(tài),SSA僅從0.91增加到0.97,增加了僅6%。2020年和2021年兩個(gè)不同研究團(tuán)隊(duì)分別由BBCES-albedometer和CAPS-albedometer發(fā)展的加濕反照率光譜儀實(shí)現(xiàn)了SSA吸濕增長特性的直接測量,在實(shí)驗(yàn)室獲得了苯胺黑氣溶膠的SSA吸濕增長曲線[14，50]。

1.3 光學(xué)吸濕增長測量方法對比

對光學(xué)吸濕增長測量方法進(jìn)行總結(jié),如表1所示,包括使用的光學(xué)測量方法、工作波長和濕度測量范圍以及報(bào)道的探測極限和不確定度。

表1 光學(xué)吸濕增長測量方法參數(shù)對比Table 1 Comparison of parameters of optical hygroscopic measurement methods

從表中可以看出,相較于濁度計(jì)的散射測量來說,基于諧振腔的消光測量裝置在探測極限和測量不確定度方面都具有很大優(yōu)勢,但是目前工作的方式往往是固定在某一相對濕度條件下,用于吸濕增長曲線的測量裝置較少。加濕濁度計(jì)雖然在準(zhǔn)確性上遜色于光譜探測技術(shù),但是可以同時(shí)獲得多波長的散射吸濕增長曲線,結(jié)合一些理論模型,多波長的吸濕性測量意義更大。針對吸收測量來說,光聲光譜無法在高相對濕度條件下工作,已報(bào)道的最大濕度也不到75%。相比較之下,基于諧振腔的反照率光譜儀在各方面性能表現(xiàn)良好,靈敏度高,適用于高相對濕度條件,可以同時(shí)獲得消光、散射、吸收和SSA的光學(xué)吸濕增長因子和吸濕增長曲線。再結(jié)合譜的測量,可以更加深入理解氣溶膠吸濕性對光學(xué)特性的影響。

2 結(jié) 論

光學(xué)吸濕增長特性是氣溶膠最重要的性質(zhì)之一,其準(zhǔn)確測量對大氣能見度和氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫評估具有重要意義。重點(diǎn)介紹了光學(xué)吸濕增長測量方法,包括前端濕度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)濕度的方式、后端光學(xué)測量裝置的發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的研究概況;對各種技術(shù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析,目前加濕的反照率光譜儀是光學(xué)吸濕增長測量方法中最有效的手段,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)光學(xué)參數(shù)的吸濕增長特性測量,且具有很高的靈敏度和時(shí)間分辨。

從技術(shù)的角度來說,雖然發(fā)展的光學(xué)吸濕增長探測手段已經(jīng)有了很好的展示應(yīng)用,但是仍有工作要做。第一、受限于濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的加濕方法,目前的吸濕增長測量系統(tǒng)工作的相對濕度多數(shù)都在90%以下,針對更高相對濕度（大于95%）的光學(xué)吸濕增長測量裝置較少。第二、通過使用水汽加濕系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間分辨的加濕循環(huán),但是在機(jī)載應(yīng)用上不適用,需要更好的加濕方法來提高機(jī)載裝置的時(shí)間分辨,此外,高空中顆粒物濃度較低,吸濕性的準(zhǔn)確測量對儀器探測極限和穩(wěn)定性等性能要求更高。第三、多波長反照率光譜儀的應(yīng)用,雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多光學(xué)參數(shù)的同時(shí)測量,但僅僅是單個(gè)波長,而多波長的吸濕增長應(yīng)用將會(huì)給后續(xù)的研究工作帶來更多有價(jià)值的信息。