大氣氣溶膠物理光學特性研究進展

鄧琨蕾?李蛟?曾康時

摘 要：大氣氣溶膠的來源十分復雜，多數有著較強的污染性，因此引起了國內外學界的廣泛關注，但由于大氣氣溶膠在實踐和空間上的不確定性較強，觀測與研究難度較大，因此其物理光學性質的觀測與研究還有很長一段路要走。本文在對大氣氣溶膠概念和基本光學性質進行闡述的基礎上，對國內外近年來對城市大氣氣溶膠的觀測與研究成果進行了分析，期望為氣溶膠物理光學性質的研究及其帶來的污染問題的防治提供可行的參考。

關鍵詞：大氣氣溶膠;物理光學性質;觀測

對大氣氣溶膠進行長期有效的觀測，了解區域大氣復合污染下氣溶膠光學特征，為改善大氣能見度、制定有效的大氣污染協同防控策略以及經濟可持續發展計劃提供部分科學的環境基礎數據，對評估該地區乃至東亞地區氣溶膠輻射強迫、了解區域氣候變化至關重要，同時，不斷創新大氣氣溶膠觀測技術和光學特性研究方法，對于推進大氣氣溶膠光學性質研究至關重要。

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、碳氣溶膠（黑碳和有機氣溶膠）、硫酸鹽氣溶膠、硝酸鹽氣溶膠、銨鹽氣溶膠和海鹽氣溶膠。氣溶膠的來源主要有自然源和人工源兩大類，自然源主要為自然現象所產生，如森林火災、火山噴發、土壤風化等;人工源主要指人類生產生活過程中產生的氣溶膠，如化石燃料燃燒，工業生產排放的粉塵等。

二、大氣氣溶膠的光學性質

在大氣氣溶膠觀測與研究過程中，經常涉及的光學性質主要有以下幾種：

1. 大氣氣溶膠的散射

太陽輻射遇到大氣中的氣溶膠粒子會發生散射現象。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輻射，但卻使整個大氣層變得明亮。由于粒子的取向是隨機的，可以等效為球體群。通常情況下，大氣氣溶膠粒子滿足獨立散射的條件，只有當氣溶膠介質較濃時，產生的散射效應會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與氣溶膠種類和光的波長有關，含碳組分的顆粒對光的吸收最為強烈。楊書申等指出，氣溶膠對光的吸收效應幾乎全部由黑碳（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氣溶膠的濃度與吸收系數建立一定的關系，通過測量黑碳氣溶膠的濃度來計算大氣氣溶膠的吸收系數。

3. 大氣氣溶膠的消光系數

大氣氣溶膠的吸收和散射系數之和稱為消光系數表示大氣氣溶膠對太陽輻射的削弱程度。有關研究表明，近地面消光系數與大氣能見度存在一定的相關關系，由 Koschmieder 公式給出：R=3.912/ke，單位是km。這里的消光系數是氣溶膠消光系數和大氣消光系數的總和。

三、大氣氣溶膠光學性質研究進展

近年來大氣氣溶膠光學性質的研究領域，主要在研究方法上取得了以下進展：

首先是大氣氣溶膠光學遙感技術。當進行大范圍的氣溶膠特性研究時，普通直接測量方法很難滿足要求，為此發展了遙感測量技術，氣溶膠粒子對入射輻射的散射和吸收作用可以使入射輻射的性質和強度發生變化，通過測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，并用于氣候研究過程. 氣溶膠物理光學特性 的遙感方法可以分為兩類：主動探測（主動遙感）和被動探測（被動遙感）。激光雷達（包括車載和地 基激光雷達探測）屬于主動探測;運用衛星遙感、太陽輻射計等被動探測手段也可以獲得氣溶膠粒子的光學特性。

其次是利用太陽直接輻射遙感氣溶膠光學厚度。近30年來，太陽分光光度計作為一種簡單而又經濟的技術來遙感氣溶膠的光學特性和水汽含量，它是氣溶膠光度學觀測的一種常用方法。實際應用中，光度計的波段選擇、半波寬度、儀器定標、吸收氣體的影響以及觀測條件等方面的因素都可能帶來誤差，許多學者對此作過分析。此外，利用窄波段光度計測量氣溶膠光學厚度是一個比較準確有效的方法， 但目前還不具備 在全國范圍內布點進行常規遙感的條件，而國內有幾十個日射站全年進行全波段太陽直射輻射的測 量， 充分利用這些輻射資料研究大氣氣溶膠物理和 光學特性是有意義的。

再次是利用衛星遙感技術研究氣溶膠光學特性。地面遙感氣溶膠可以得到較為準確的氣溶膠信息，但是目前這種方法只能在有限的區域進行，不能用來遙感大范圍氣溶膠光學特性。利用衛星遙感或者機載航空遙感系統可以彌補這個不足，特別是在環境惡劣的邊遠地區和廣闊的海洋地區， 衛 星遙感方法更能顯出它的優勢。國際上開展衛星遙感氣溶膠的工作始于20世紀70年代中期。中國科學家從80年代中期開始也進行了這方面的研究。1986年趙柏林等利用NOAA AVHRR資料，進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現，在沙塵暴發生時， AVHRR 可見光通道1和可見光通道2的反射率都有增加，沙塵暴強度越大，反射率增加越大。

四、結語

綜上所述，由于近年來空氣污染現象日趨嚴重，大氣氣溶膠的光學效應、氣候效應等問題深受國內外學界的關注，但由于大氣氣溶膠存在極強的不穩定性，在觀測與研究過程中難度較大，對此，國內學者與研究機構應強化對全國各地大氣氣溶膠的連續觀測，對其光學性質進行深入研究，以摸清其光學變化規律，對其大氣污染的控制與預防提供可行的物理光學參考。

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