成都冬季“干”氣溶膠等效復折射率變化特征研究

楊寅山,倪長健*,張智察,馮 淼,白彬人,石蕎語,湯津贏

成都冬季“干”氣溶膠等效復折射率變化特征研究

楊寅山1,2,倪長健1,2*,張智察1,2,馮 淼3,白彬人1,2,石蕎語1,2,湯津贏1,2

(1.成都信息工程大學大氣科學學院,四川 成都 610225；2.高原大氣與環境四川省重點實驗室,四川 成都 610225；3.成都市環境保護科學研究院,四川 成都 610072)

基于成都市2017年12月逐時的“干”氣溶膠散射系數和吸收系數觀測數據,結合該時段同時次GRIMM180環境顆粒物分析儀的監測資料,利用免疫進化算法一體化反演550nm波長處“干”氣溶膠等效復折射率的實部和虛部,并對其冬季變化特征進行了研究,結果表明:“干”氣溶膠等效復折射率實部和虛部分別為(1.547±0.0552)和(0.0197±0.00604).“干”氣溶膠等效復折射率實部和虛部的日變化形態基本一致,主要表現為“單谷型”特征,二者的谷值出現時段位于15:00~18:00.在日時間尺度上而言,“干”氣溶膠等效復折射率實部與質量濃度統計上對其散射消光的演化存在協同作用,“干”氣溶膠虛部與質量濃度對其吸收消光的演化也存在類似影響.“干”氣溶膠等效復折射率虛部是單位質量濃度“干”氣溶膠吸收消光能力的重要表征.

“干”氣溶膠；等效復折射率；日變化；質量濃度；協同作用

氣溶膠是指懸浮在地球大氣中沉降速度小、尺度范圍介于10-3~20μm的液態或固態粒子[1].氣溶膠不僅在天氣氣候演變中扮演著重要角色,也是目前區域大氣復合污染所關注的焦點問題[2-4].多項研究表明[5-7],氣溶膠消光是大氣消光的主體,是區域秋冬季能見度下降最重要的因子,并與顆粒物尤其是細顆粒物質量濃度存在很好的相關性.進一步研究發現[8-10],氣溶膠消光并不是完全取決于顆粒物質量濃度的高低,同時還與顆粒物的化學組分以及不同化學組分隨粒徑的變化密切相關,即氣溶膠復折射率也在其中起著非常關鍵的作用.

氣溶膠復折射率是氣溶膠的重要光學參數,其實部主要與光的散射有關,虛部主要與光的吸收有關.受排放因素、氣象條件以及復雜化學過程等因素的共同影響,氣溶膠復折射率的變化存在很大的不確定性.李學彬等[11]提出可利用黑碳儀、濁度儀和光學粒子計數器通過枚舉法反演大氣氣溶膠折射率實部與虛部;Ebert等[12]將氣溶膠組分分為海鹽、硅酸鹽、碳酸鹽、碳/硫酸鹽混合顆粒、硫酸銨、硫酸鈣、金屬氧化物/氫氧化物、煤灰、生物質以及其余含碳物質十類,并根據其相對豐度及粒徑分布計算了氣溶膠的復折射率,指出實部較大是由于氣溶膠粒子含有較高的金屬氧化物/氫氧化物,而虛部較大則因為煤灰的含量較高.目前復折射率的測量方法主要包括直接測量法、光聲法以及反演法[13-15],這些方法總體面臨精度、設備技術復雜性以及技術效率之間的矛盾,還不能快速準確地反映氣溶膠化學組分以及不同化學組分隨粒徑變化的復雜性.針對現有反演算法存在的不足,張智察等[16]基于現代優化技術的研究成果,提出了利用免疫進化算法求解氣溶膠等效復折射率的新途徑,這為復折射率后續的統計研究提供了算法保障.

“干”氣溶膠系指相對濕度小于40%的未吸濕性氣溶膠,其等效復折射率是分析氣溶膠吸濕性光學效應的基礎,具有重要的理論意義[17-18].著眼于“干”氣溶膠等效復折射率演化規律及其環境效應的深入認知,本文利用成都市2017年12月逐時的“干”氣溶膠散射系數和吸收系數觀測數據,結合該時段同時次GRIMM180環境顆粒物分析儀的監測資料,基于免疫進化算法一體化反演550nm處“干”氣溶膠等效復折射率的實部和虛部,并對其冬季的變化特征進行了系統地分析.

1 資料與方法

1.1 數據獲取

本文使用的觀測資料包括成都市2017年12月期間AURORA 3000型濁度儀觀測的氣溶膠散射系數、AE-31型黑碳檢測儀反演的氣溶膠吸收系數以及GRIMM180環境顆粒物分析儀的監測資料,相關設備參數、布設地點及周邊環境狀況參見文獻[14].550nm處的散射系數和吸收系數的計算方案簡介如下.

(1)AURORA 3000型濁度儀通過溫濕度傳感器來控制加熱系統,使其內部腔室中氣溶膠相對濕度維持在40%左右.濁度儀觀測的是520nm波段的“干”散射系數sca520(Mm-1),按文獻[6]提出的訂正公式,可得550nm波段處“干”氣溶膠散射系數sca550(Mm-1),見式(1).

(2)基于AE-31型黑碳檢測儀觀測黑碳質量濃度BC(μg/m3)數據,由此得到532nm波段處的“干”氣溶膠吸收系數abs532(Mm-1)[19-20],見式(2).依據文獻[5]再將532nm波段處的“干”吸收系數abs532(Mm-1)訂正得到550nm波段處的“干”吸收系數abs550(Mm-1),見式(3).