论文部分内容阅读
摘要[目的]分析灰霾天气条件下气溶胶影响北京市大气能见度的贡献比例。[方法]针对2006年1月～2012年6月北京地区发生灰霾天气时气溶胶的光学特性观测资料进行计算和分析。[结果]近年来北京灰霾天气发生时，主要气态污染物是臭氧和氮氧化物，气溶胶散射是最主要的影响大气能见度的微观因子，水汽对大气能见度影响也明显。[结论]该研究可为灰霾天气的有效治理提供科学依据。
关键词灰霾；气溶胶；大气能见度；影响；贡献
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2015）06-220-02
大气气溶胶是指悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与气体载体共同组成的多相气体系。灰霾指大气边界层乃至对流层低层整体的大气浑浊现象，能见度低于10 km。形成灰霾天气的大气气溶胶主要来源于自然排放和人类活动的排放。城市是人类工作、生活聚集地，近年来，我国很多城市大气能见度明显下降，灰霾天气增多，灰霾及相关的城市环境问题日益引起大众的关注，也成为大气科学领域内研究的热点问题[1-5]。国内外学者从20世纪60年代就开展气溶胶的化学成分、粒径分布、光学性质等及气溶胶影响能见度机制方面的研究[6-12]。大气能见度是城市环境污染程度的显性而直观的宏观特征量，但从微观看，大气气溶胶粒子散射和吸收、气溶胶组分、空气分子散射、污染性气体的吸收均是影响大气能见度因素[1，5]。笔者使用北京上甸子地大气本底站所测得的气溶胶散射系数和吸收系数、气溶胶成分组成、氮氧化物浓度等资料对北京地区灰霾天气中大气能见度的微观影响因素进行分析。
1资料与方法
1.1资料选取2006年1月～2012年6月上甸子大气本底站每天08：00、14：00、20：00观测到的相对湿度、能见度、天气现象等常规气象资料；与常规气象资料时间匹配的气溶胶散射系数和吸收系数、PM2.5浓度、氮氧化物浓度等资料，获取气溶胶资料的观测仪器、方法、规范等详见文献[13]。
1.2分析方法
1.2.1灰霾天气。中国气象局定义灰霾为“大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度<10 km的空气普遍有混浊现象”[14]。《霾的观测和预报等级》中，详细规定了霾的标准，即能见度低于10 km、相对湿度<95%时，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟雾、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，就可判断为灰霾[15]。经过筛选，研究时间段内共得到684组数据。
1.2.2大气能见度微观影响因素。水平方向上，大气能见度（Va）与消光系数（Ea）间的关系为：Va=3.912Ea，灰霾天气，Ea受干结空气散射（Egs）、干气溶胶散射（Eas）、气溶胶吸收（Eaa）、水汽分子散射（Ews）、气态污染物吸收（Epa）5个微观因素影响。Ea计算公式为Ea=Egs+Eas+Eaa+Ews+Epa。
1.2.2.1干结空气散射（Egs）。由瑞利散射理论，可计算干结空气分子对可见光的瑞利散射作用，则Egs可取常数0.1×10-4 m-1[5]。
1.2.2.2干气溶胶散射（Eas）。PM2.5在气溶胶散射中又占了绝大部分[5]，Eas通过公式Eas=0.029 9×m2.5计算，其中m2.5为PM2.5的质量浓度（μg/m3）。
1.2.2.3干气溶胶吸收（Eaa）。黑碳气溶胶对光吸收占总量的90%～95%，由于气溶胶中碳黑的存在，故而Eaa不可忽略。上甸子大气本底站的Magee两通道黑碳仪可以观测得到Eaa。
1.2.2.4水汽分子散射（Ews）。水汽分子可以直接和间接衰减太阳辐射。水汽分子通过散射直接衰减太阳辐射；通过与气溶胶结合吸湿长大来对太阳辐射产生的消光。由于水汽分子间接衰减机制的复杂性，在此不做深入探讨，近似认为上甸子大气本底站的M9003型积分式浊度仪观测得到的大气总散射系数与干气溶胶散射系数之间的差值即为Ews。
1.2.2.5气态污染物吸收（Epa）。边界层影响大气水平能见度的气态污染物主要为O3和NO2。由于水平方向O3的吸收作用很小，所以气态污染物的吸收作用主要考虑NO2的影响。NO2对可见光的吸收采用经验公式[5]：Epa=3.3Y，式中，Epa为NO2的吸收系数（单位：10-4m-1），Y为大气中NO2的含量（单位：体积分数（10-6））。
2结果与分析
2.1灰霾天气污染物构成根据观测资料分析，灰霾天气条件下，北京市能见度平均为5.6 km，主要污染物为PM2.5、NO2、SO2、O3，各类污染物平均值分别为120.6 μg/m3、21.3 ppb、18.6 ppb、43.8 ppb。可见，可吸入性颗粒是主要污染物，而主要气态污染物O3和NO2的浓度均超过SO2浓度。
2.2灰霾天气大气能见度微观影响因素比例根据“1.2.2”原理方法，对观测数据进行整理、计算、分析，得到5个大气能见度影响因素的统计分析结果。由表1可见，灰霾天气条件下，影响北京市大气能见度的各微观影响因子的构成比例分别为干结空气散射作用占1.75%、干气溶胶散射作用占62.53%、干气溶胶吸收作用占10.11%、水汽分子散射作用占18.33%、气态污染物吸收作用占7.28%。大气气溶胶的散射和吸收对能见度的衰减比例占72.64%，是大气能见度的首要影响因素。水汽分子的散射作用所占比例高达18.33%。其主要原因有两点，一是灰霾天气条件下的高湿度环境，利于气溶胶的吸湿长大，水汽间接影响能见度的效应明显；二是高湿条件下，水汽分子本身尺度就较晴好天气大，所以水汽分子对能见度的直接影响作用也较明显。此外，气态污染物NO2的占比高于干结大气，由于NO2是生成二次硝酸盐气溶胶的主要贡献者，因此控制灰霾天气的NO2
表1灰霾天气北京市大气能见度微观影响因素值 参数平均值∥10-4 m-1比例∥%Ea 7.42100.00Egs 0.131.75Eas 4.6462.53Eaa 0.7510.11Ews 1.3618.33 Epa0.547.28
排放也很重要，另外，结合各类污染物平均值也可以看出北京市的NO2污染严重。
3结论
灰霾天气条件下，导致北京市大气能见度降低的各微观影响因素的比例分别为干结空气散射占1.75%、干气溶胶散射占62.53%、干气溶胶吸收占10.11%、水汽分子散射占18.33%、气态污染物吸收占7.28%；气溶胶是影响大气能见度的首要因素，水汽分子散射是影响大气能见度的次要因素；北京市的主要气态污染物是O3和NO2，NO2的吸收作用是影响大气能见度的第三大因素。治理灰霾天气，控制气溶胶浓度是首要措施，而为了减少二次硝酸盐气溶胶的生成，控制NO2浓度升高也很重要。
参考文献
[1] 王堰.大气气溶胶直接辐射强迫研究[D].南京：中国气象科学研究院南京信息工程大学，2010.
[2] 高润祥.我国大气气溶胶物理特性的观测与模拟研究[D].南京：南京信息工程大学，2009.
[3] 李凯，张承中，周变红.西安市采暖期PM2.5污染状况及其与气象因子的相关分析[J].安徽农业科学，2009，37（20）：9603-9605.
[4] 范柏祥，孙熙.可吸入细颗粒物的治理[J].中国环保产业，2003（3）：31-33.
[5] 刘新罡，张远航，曾立民，等.广州市大气能见度影响因子的贡献研究[J].气候与环境研究，2006，11（6）： 733-738.
[6] KING M D，KAUFMAN Y J，TANRE D，et al.Remote sensing of tropospheric aerosols from space：Past，present，and future [J].Bull Amer Meteor Soc，1999，80（11）：2229-2259.
[7] RAMANATHAN V，CRUTZEN P J，KIEHL J T，et al.Aerosols，Climate，and the Hydrological Cycle [J].Science，2001，294（5549）：2119-2124.
[8] CHAN Y C，SIMPSON R W，MCTAINSH G H.Source apportionment of visibility degradation problems in Brisbane（Australia）using the linear regression techniques [J].Atmos Environ，1999，33（19）：3237-3250.
[9] 赵柏林，王强，毛节泰，等.光学遥感大气气溶胶和水汽的研究[J].中国科学（B辑），1983（10）：951-962.
[10] 赵秀娟，陈长和，袁铁，等.兰州冬季大气气溶胶光学厚度及其与能见度的关系[J].高原气象，2005，24（4）：617-622.
[11] 韩永，饶瑞中，王英俭.基于散射法原理的能见度及气溶胶消光特性测量分析[J].红外与激光工程，2008，37（4）：663-666.
[12] 杨军，李子华，黄世鸿.相对湿度对大气气溶胶粒子短波辐射特性的影响[J].大气科学，1999，23（2）： 239-247.
[13] 苏晨，张小玲，刘强，等.上甸子本底站气溶胶散射系数变化特征的初步分析[J].气候与环境研究，2009，14（5）：537-545.
[14] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003.
[15] 吴兑，汤仕文，邓雪娇，等.QX/T113—2010，霾的观测和预报等级[S].北京：气象出版社，2010.
（上接第173页）
[12] 吴东， 钱坤， 周芬，等. 不同处理芝麻粕用作鸡饲料的营养价值评定[J]. 粮食与饲料工业， 2012（9）： 43-46.1
[13] 段明房， 钱坤， 李吕木，等. 不同方法处理的芝麻粕营养价值评定[J]. 中国油脂， 2013， 38（6）： 15-19.
[14] 吴俊锋， 詹凯， 曹君平，等. 枯草芽孢杆菌及其发酵豆粕对蛋鸡生产性能、蛋品质及血清生化指标的影响[J]. 中国家禽， 2012， 34（1）： 22-26.
[15] 朱元召， 葛金山， 姚宝强，等. 发酵植物蛋白质饲料替代豆粕对蛋鸡产蛋性能和蛋品质的影响[J]. 饲料博览， 2010（10）： 1-5.
[16] 孙国荣， 章世元， 祁永红，等. 蛋鸡日粮中应用粗制植酸酶的最佳有效磷水平研究[J].上海农业学报， 2005， 20（4）： 120-123.
[17] LI L， XU C， JI C， et al. Effects of a dried Bacillus subtilis culture on egg quality[J]. Poultry Science， 2006， 85（2）： 364-368.
[18] 彭惠惠， 徐雅芫， 李吕木，等. 提高芝麻粕饲用品质的发酵菌种筛选与发酵条件优化[J]. 食品与发酵工业， 2012， 38（5）： 122-128.
[19] 陈国营， 陈丽园， 刘伟，等. 发酵菜粕对蛋鸡粪便和饲料微生物菌群数量及蛋品质的影响[J]. 家畜生态学报， 2011， 32（1）： 36-41.
[20] 杨凤. 动物营养学[M]. 北京： 北京农业出版社， 2000.
[21] 吴东， 李吕木， 钱坤，等. 发酵芝麻粕替代豆粕对肉鸭生长性能、肉品质及血清生化指标的影响[J]. 动物营养学报， 2013， 25（10）： 2386-2393.
[22] 丁小玲， 李吕木， 许发芝，等. 固态发酵菜籽粕替代膨化豆粕对断奶仔猪生长性能及血清生化指标的影响[J]. 中国农业大学学报， 2011， 16（4）： 107-112.
[23] XU F Z， LI L M， XU J P， et al. Effects of Fermented Rapeseed Meal on Growth Performance and Serum Parameters in Ducks[J]. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences， 2011， 24（5）： 678-684. 安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2015，43（6）：222-223
关键词灰霾；气溶胶；大气能见度；影响；贡献
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2015）06-220-02
大气气溶胶是指悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与气体载体共同组成的多相气体系。灰霾指大气边界层乃至对流层低层整体的大气浑浊现象，能见度低于10 km。形成灰霾天气的大气气溶胶主要来源于自然排放和人类活动的排放。城市是人类工作、生活聚集地，近年来，我国很多城市大气能见度明显下降，灰霾天气增多，灰霾及相关的城市环境问题日益引起大众的关注，也成为大气科学领域内研究的热点问题[1-5]。国内外学者从20世纪60年代就开展气溶胶的化学成分、粒径分布、光学性质等及气溶胶影响能见度机制方面的研究[6-12]。大气能见度是城市环境污染程度的显性而直观的宏观特征量，但从微观看，大气气溶胶粒子散射和吸收、气溶胶组分、空气分子散射、污染性气体的吸收均是影响大气能见度因素[1，5]。笔者使用北京上甸子地大气本底站所测得的气溶胶散射系数和吸收系数、气溶胶成分组成、氮氧化物浓度等资料对北京地区灰霾天气中大气能见度的微观影响因素进行分析。
1资料与方法
1.1资料选取2006年1月～2012年6月上甸子大气本底站每天08：00、14：00、20：00观测到的相对湿度、能见度、天气现象等常规气象资料；与常规气象资料时间匹配的气溶胶散射系数和吸收系数、PM2.5浓度、氮氧化物浓度等资料，获取气溶胶资料的观测仪器、方法、规范等详见文献[13]。
1.2分析方法
1.2.1灰霾天气。中国气象局定义灰霾为“大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度<10 km的空气普遍有混浊现象”[14]。《霾的观测和预报等级》中，详细规定了霾的标准，即能见度低于10 km、相对湿度<95%时，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟雾、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍，就可判断为灰霾[15]。经过筛选，研究时间段内共得到684组数据。
1.2.2大气能见度微观影响因素。水平方向上，大气能见度（Va）与消光系数（Ea）间的关系为：Va=3.912Ea，灰霾天气，Ea受干结空气散射（Egs）、干气溶胶散射（Eas）、气溶胶吸收（Eaa）、水汽分子散射（Ews）、气态污染物吸收（Epa）5个微观因素影响。Ea计算公式为Ea=Egs+Eas+Eaa+Ews+Epa。
1.2.2.1干结空气散射（Egs）。由瑞利散射理论，可计算干结空气分子对可见光的瑞利散射作用，则Egs可取常数0.1×10-4 m-1[5]。
1.2.2.2干气溶胶散射（Eas）。PM2.5在气溶胶散射中又占了绝大部分[5]，Eas通过公式Eas=0.029 9×m2.5计算，其中m2.5为PM2.5的质量浓度（μg/m3）。
1.2.2.3干气溶胶吸收（Eaa）。黑碳气溶胶对光吸收占总量的90%～95%，由于气溶胶中碳黑的存在，故而Eaa不可忽略。上甸子大气本底站的Magee两通道黑碳仪可以观测得到Eaa。
1.2.2.4水汽分子散射（Ews）。水汽分子可以直接和间接衰减太阳辐射。水汽分子通过散射直接衰减太阳辐射；通过与气溶胶结合吸湿长大来对太阳辐射产生的消光。由于水汽分子间接衰减机制的复杂性，在此不做深入探讨，近似认为上甸子大气本底站的M9003型积分式浊度仪观测得到的大气总散射系数与干气溶胶散射系数之间的差值即为Ews。
1.2.2.5气态污染物吸收（Epa）。边界层影响大气水平能见度的气态污染物主要为O3和NO2。由于水平方向O3的吸收作用很小，所以气态污染物的吸收作用主要考虑NO2的影响。NO2对可见光的吸收采用经验公式[5]：Epa=3.3Y，式中，Epa为NO2的吸收系数（单位：10-4m-1），Y为大气中NO2的含量（单位：体积分数（10-6））。
2结果与分析
2.1灰霾天气污染物构成根据观测资料分析，灰霾天气条件下，北京市能见度平均为5.6 km，主要污染物为PM2.5、NO2、SO2、O3，各类污染物平均值分别为120.6 μg/m3、21.3 ppb、18.6 ppb、43.8 ppb。可见，可吸入性颗粒是主要污染物，而主要气态污染物O3和NO2的浓度均超过SO2浓度。
2.2灰霾天气大气能见度微观影响因素比例根据“1.2.2”原理方法，对观测数据进行整理、计算、分析，得到5个大气能见度影响因素的统计分析结果。由表1可见，灰霾天气条件下，影响北京市大气能见度的各微观影响因子的构成比例分别为干结空气散射作用占1.75%、干气溶胶散射作用占62.53%、干气溶胶吸收作用占10.11%、水汽分子散射作用占18.33%、气态污染物吸收作用占7.28%。大气气溶胶的散射和吸收对能见度的衰减比例占72.64%，是大气能见度的首要影响因素。水汽分子的散射作用所占比例高达18.33%。其主要原因有两点，一是灰霾天气条件下的高湿度环境，利于气溶胶的吸湿长大，水汽间接影响能见度的效应明显；二是高湿条件下，水汽分子本身尺度就较晴好天气大，所以水汽分子对能见度的直接影响作用也较明显。此外，气态污染物NO2的占比高于干结大气，由于NO2是生成二次硝酸盐气溶胶的主要贡献者，因此控制灰霾天气的NO2
表1灰霾天气北京市大气能见度微观影响因素值 参数平均值∥10-4 m-1比例∥%Ea 7.42100.00Egs 0.131.75Eas 4.6462.53Eaa 0.7510.11Ews 1.3618.33 Epa0.547.28
排放也很重要，另外，结合各类污染物平均值也可以看出北京市的NO2污染严重。
3结论
灰霾天气条件下，导致北京市大气能见度降低的各微观影响因素的比例分别为干结空气散射占1.75%、干气溶胶散射占62.53%、干气溶胶吸收占10.11%、水汽分子散射占18.33%、气态污染物吸收占7.28%；气溶胶是影响大气能见度的首要因素，水汽分子散射是影响大气能见度的次要因素；北京市的主要气态污染物是O3和NO2，NO2的吸收作用是影响大气能见度的第三大因素。治理灰霾天气，控制气溶胶浓度是首要措施，而为了减少二次硝酸盐气溶胶的生成，控制NO2浓度升高也很重要。
参考文献
[1] 王堰.大气气溶胶直接辐射强迫研究[D].南京：中国气象科学研究院南京信息工程大学，2010.
[2] 高润祥.我国大气气溶胶物理特性的观测与模拟研究[D].南京：南京信息工程大学，2009.
[3] 李凯，张承中，周变红.西安市采暖期PM2.5污染状况及其与气象因子的相关分析[J].安徽农业科学，2009，37（20）：9603-9605.
[4] 范柏祥，孙熙.可吸入细颗粒物的治理[J].中国环保产业，2003（3）：31-33.
[5] 刘新罡，张远航，曾立民，等.广州市大气能见度影响因子的贡献研究[J].气候与环境研究，2006，11（6）： 733-738.
[6] KING M D，KAUFMAN Y J，TANRE D，et al.Remote sensing of tropospheric aerosols from space：Past，present，and future [J].Bull Amer Meteor Soc，1999，80（11）：2229-2259.
[7] RAMANATHAN V，CRUTZEN P J，KIEHL J T，et al.Aerosols，Climate，and the Hydrological Cycle [J].Science，2001，294（5549）：2119-2124.
[8] CHAN Y C，SIMPSON R W，MCTAINSH G H.Source apportionment of visibility degradation problems in Brisbane（Australia）using the linear regression techniques [J].Atmos Environ，1999，33（19）：3237-3250.
[9] 赵柏林，王强，毛节泰，等.光学遥感大气气溶胶和水汽的研究[J].中国科学（B辑），1983（10）：951-962.
[10] 赵秀娟，陈长和，袁铁，等.兰州冬季大气气溶胶光学厚度及其与能见度的关系[J].高原气象，2005，24（4）：617-622.
[11] 韩永，饶瑞中，王英俭.基于散射法原理的能见度及气溶胶消光特性测量分析[J].红外与激光工程，2008，37（4）：663-666.
[12] 杨军，李子华，黄世鸿.相对湿度对大气气溶胶粒子短波辐射特性的影响[J].大气科学，1999，23（2）： 239-247.
[13] 苏晨，张小玲，刘强，等.上甸子本底站气溶胶散射系数变化特征的初步分析[J].气候与环境研究，2009，14（5）：537-545.
[14] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003.
[15] 吴兑，汤仕文，邓雪娇，等.QX/T113—2010，霾的观测和预报等级[S].北京：气象出版社，2010.
（上接第173页）
[12] 吴东， 钱坤， 周芬，等. 不同处理芝麻粕用作鸡饲料的营养价值评定[J]. 粮食与饲料工业， 2012（9）： 43-46.1
[13] 段明房， 钱坤， 李吕木，等. 不同方法处理的芝麻粕营养价值评定[J]. 中国油脂， 2013， 38（6）： 15-19.
[14] 吴俊锋， 詹凯， 曹君平，等. 枯草芽孢杆菌及其发酵豆粕对蛋鸡生产性能、蛋品质及血清生化指标的影响[J]. 中国家禽， 2012， 34（1）： 22-26.
[15] 朱元召， 葛金山， 姚宝强，等. 发酵植物蛋白质饲料替代豆粕对蛋鸡产蛋性能和蛋品质的影响[J]. 饲料博览， 2010（10）： 1-5.
[16] 孙国荣， 章世元， 祁永红，等. 蛋鸡日粮中应用粗制植酸酶的最佳有效磷水平研究[J].上海农业学报， 2005， 20（4）： 120-123.
[17] LI L， XU C， JI C， et al. Effects of a dried Bacillus subtilis culture on egg quality[J]. Poultry Science， 2006， 85（2）： 364-368.
[18] 彭惠惠， 徐雅芫， 李吕木，等. 提高芝麻粕饲用品质的发酵菌种筛选与发酵条件优化[J]. 食品与发酵工业， 2012， 38（5）： 122-128.
[19] 陈国营， 陈丽园， 刘伟，等. 发酵菜粕对蛋鸡粪便和饲料微生物菌群数量及蛋品质的影响[J]. 家畜生态学报， 2011， 32（1）： 36-41.
[20] 杨凤. 动物营养学[M]. 北京： 北京农业出版社， 2000.
[21] 吴东， 李吕木， 钱坤，等. 发酵芝麻粕替代豆粕对肉鸭生长性能、肉品质及血清生化指标的影响[J]. 动物营养学报， 2013， 25（10）： 2386-2393.
[22] 丁小玲， 李吕木， 许发芝，等. 固态发酵菜籽粕替代膨化豆粕对断奶仔猪生长性能及血清生化指标的影响[J]. 中国农业大学学报， 2011， 16（4）： 107-112.
[23] XU F Z， LI L M， XU J P， et al. Effects of Fermented Rapeseed Meal on Growth Performance and Serum Parameters in Ducks[J]. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences， 2011， 24（5）： 678-684. 安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2015，43（6）：222-223