南京北郊地區氣溶膠光學性質的四季觀測研究

摘要 本研究于2017年12月—2018年11月進行了針對南京北郊地區氣溶膠光學性質研究的外場觀測.氣溶膠吸收系數和散射系數季節變化由高到低皆為冬季、春季、秋季、夏季，日變化呈雙峰型，吸收系數早高峰時間夏季早冬季晚，這是由于不同季節邊界層高度和人類生產活動時間發生變化導致的.夏秋兩季的平均吸收埃指數（AAE）較高，表明棕碳對氣溶膠吸收的貢獻較為顯著，而春冬兩季以黑碳吸收為主.散射埃指數（SAE）春冬季高于夏秋季，氣溶膠均以細模態為主，春冬季氣溶膠粒徑更小.受冬季西北風的影響，西北方向污染物的傳輸使氣溶膠消光系數存在高值.而春夏季東風、東南風方向的本地污染源擴散是導致氣溶膠消光系數升高的主要原因.與來自內陸的氣團相比，海上的氣團傳輸使氣溶膠消光系數降低.當相對濕度小于90%時，氣溶膠消光系數與能見度成反比，而當相對濕度大于90%時，能見度普遍小于10 km，與氣溶膠消光系數關系不大.春冬季PM2.5中水溶性組分主要為二次源離子，且氣溶膠消光系數與硝酸根離子的相關性高于硫酸根離子的相關性，影響氣溶膠消光系數的污染物主要來自交通源.與此相反，夏秋季影響氣溶膠消光系數的污染物主要來自煤炭燃燒等固定源.

關鍵詞 南京北郊;光學性質;氣象參數;化學組分

中圖分類號X513;P402

文獻標志碼A

0 引言

大氣顆粒物可以通過吸收和散射與太陽輻射相互作用，導致能見度下降和霧霾現象的發生，也會對地球的能量和輻射收支產生強烈影響，導致直接輻射強迫^[1].目前認為大多數氣溶膠成分的消光主要是通過光散射作用，而黑碳（Black Carbon，BC）和部分有機碳（Organic Carbon，OC）在近紫外和可見光波段具有吸光特性，這類有機碳統稱為棕碳（Brown Carbon，BrC）^[2].雖然棕碳吸光能力弱于黑碳，但作為碳質氣溶膠的重要組成，棕碳對氣溶膠的光學性質、大氣輻射強迫以及區域性氣候效應具有重要影響^[3].

黑碳可以吸收可見光及近紫外波段的光而不受波長影響，因此呈現出黑色;而棕碳主要在近紫外-可見光波段吸收光，故呈現棕褐色^[4].黑碳普遍為空氣動力學直徑在20～60 nm、形態類似石墨烯、呈層狀結構的碳球聚集體^[5]，體系中一般不含有氧官能團，且幾乎不溶于水^[6];棕碳形態松散，含氧官能團較多，有較強的溶解性，空氣動力學直徑范圍在100～400 nm^[7].由于碳質氣溶膠對光輻射的高吸收效率，被認為是導致全球變暖的因素中僅次于二氧化碳的貢獻體^[8]，但由于對其排放、運輸和去除過程不完全理解，以及對其吸光性質的不準確量化，在全球輻射強迫估算中對于碳質氣溶膠的量化仍是最大的不確定性之一^[9].

近年來，關于研究氣溶膠光學性質的外場觀測陸續開展.在對廣州氣溶膠光學特性的研究時發現氣象條件對消光系數有重要調節作用^[10].河北廊坊夏季氣溶膠中粗粒子對氣溶膠消光系數的貢獻僅為11.12%，細粒子在氣溶膠消光作用中起主要作用^[11].北京春夏季氣溶膠吸濕增長因子相對較大，秋冬季偏小^[12].在對上海PM2.5質量濃度和氣溶膠散射系數長期觀測期間發現，上海大氣污染物主要是來自西北方向氣團的長距離輸送^[13].在南京地區也有一些相關研究，崔金夢等^[14]發現南京地區冬季大氣污染的形成不僅與本地排放和局地氣象條件有關，也與西方和北方的污染物遠距離輸送有關;張程等^[15]在對氣溶膠水溶性離子在不同污染條件下的特征研究中發現，二次離子主要以硫酸鹽和硝酸鹽的形式存在，觀測期間碳質氣溶膠主要源于燃煤和汽車尾氣;張毓秀等^[16]發現冬季氣溶膠中二次離子在大粒徑段占比最低，碳質氣溶膠主要存在于細粒徑段，且小粒徑段中的二次有機碳在秋冬季遠高于春夏季;黃聰聰等^[17]發現光吸收受波長影響，強度隨著波長的增加而降低，證明了棕碳對南京地區氣溶膠光學性質的影響;王利朋等^[18]發現南京灰霾事件中氣溶膠主要以散射性物質為主;時政等^[19]發現2015年氣溶膠埃指數小于2016年，說明當年氣溶膠粒徑相對較大，散射以前向散射為主;Chen等^[20]發現煤炭燃燒、工廠排放和交通排放是南京北郊地區能見度減少的主要原因.雖然近年來取得了不少成果，但關于氣溶膠光學性質的四季觀測研究仍非常有限.本文于2017年12月—2018年11月在南京信息工程大學站點進行了外場觀測，研究了南京北郊地區氣溶膠光學性質的四季變化以及不同氣象條件和化學組分的影響.

1 材料和方法

1.1 觀測地點

本研究對氣溶膠光學特性分別于2018-03-01—2018-04-11、2018-08-01—2018-08-25、2018-10-13—2018-11-07及2017-12-25—2018-01-17進行了四季觀測.觀測站點位于南京信息工程大學內的國家氣象觀測場（32°12′20.8″N，118°42′19.2″E）.觀測儀器均放置于大氣化學超級監測站中，切割頭位置距離地面約5 m，四周開闊無遮擋，可以較好地代表區域范圍內的實際大氣情況.南京信息工程大學位于南京北郊地區，周邊有鋼鐵廠、化工廠、發電廠、煉油廠等，是長三角地區典型的工業園區，學校東側的快速路是連接南京城南城北的交通要道.因此，該地區可以認為是典型的人為源排放區域，污染主要受工業和交通排放影響.

1.2 實驗儀器和方法

實驗使用三波段光聲黑碳儀（PASS-3，DMT）測量了405、532和781 nm三個波長下氣溶膠干散射系數（βsca）和吸收系數（βabs）.PASS-3基于光聲效應測量氣溶膠的光吸收，這可以避免與基于過濾器的測量相關的偽影.PASS-3還配備了一個積分球，用于同時測量氣溶膠光散射，詳細描述見文獻[21].觀測前利用NO2和霧化硫酸銨氣溶膠分別對PASS-3進行激光吸收和散射校準^[22].在觀測期間會對PASS-3進行背景檢測來消除NO2光吸收的影響，通過HEPA-filter將氣流中的顆粒物過濾，從而空氣中NO2的光吸收被儀器檢測^[23].

氣溶膠單散射反照率（Single Scattering Albedo，SSA）是反映氣溶膠光散射對消光系數貢獻參數，即散射與散射和吸收之和的比值^[24]：

SSA=βscaβsca+βabs.（1）

在可見光波長下，黑碳的 SSA 約為 0.2，硫酸鹽氣溶膠則為 1，北半球多數氣溶膠SSA在0.85～0.95之間^[25].當SSA超過0.95時，氣溶膠會產生負的凈輻射強迫;當SSA小于0.85時，則產生正的輻射強迫;當SSA處在中間值時，凈效應可在負強迫和正強迫之間變化，這取決于云的比例、表面反照率以及氣溶膠和云的垂直分布^[26].

埃格斯特朗吸收指數（Absorption ngstrm Exponent，AAE）通常用于表述顆粒物光吸收的波長依賴性^[27]，定義為

AAE=-lnβabsλ1）/βabsλ2）lnλ1/λ2.（2）

散射埃指數（Scattering ngstrm Exponent，SAE）是表征氣溶膠粒徑的大小的指標，定義為

SAE=-ln（（βscaλ1）/（βscaλ2））ln（λ1/λ2）.（3）

實際大氣中，新鮮黑碳的AAE為1，由于棕碳在短波長（405 nm）有額外的吸收，所以其AAE大于1.研究發現城市工業氣溶膠的AAE接近1，化石燃料燃燒排放的氣溶膠的AAE為0.8～1.1，這表明氣溶膠吸收主要是BC，而生物質或生物燃料燃燒氣溶膠的AAE值更高，在0.9～3.5之間^[21].當AAE超過1.6時，可以認為氣溶膠吸收主要受棕碳的影響^[28].

PM2.5質量濃度由顆粒物監測儀（BAM-1020，Metone）在線檢測，常規污染氣體如O3、SO2、CO和NOx等濃度數據由在線氣體分析儀（Model 49i，43i，48i，43i，Thermo Scientific）提供.氣象數據包括風向、風速、溫度、壓力和相對濕度，由小型氣象站收集.

水溶性離子通過離線分析獲得，使用中流量采樣器收集大氣顆粒物，經過預處理后利用離子色譜檢測，時間分辨率為12 h.

2 結果和討論

2.1 氣溶膠光學性質總體特征

整個觀測期間氣溶膠光學特性的小時平均時間序列如圖1 所示.532 nm下春夏秋冬平均氣溶膠吸收系數βabs532分別為31.48±20.31、18.76±10.40、26.29±14.20和49.40±32.60 Mm^-1，散射系數βsca532分別為202.66±134.11、89.05±63.52、152.66±95.56和350.92±277.76 Mm^-1，總體來說消光系數表現為冬季gt;春季gt;秋季gt;夏季.與當前觀測點在2009—2010年的四季觀測^[29]和2011年春季觀測^[30]的光學散射特征結果相比，無論是季節平均還是全年平均都遠遠低于往年（2009—2010全年平均散射系數為478.6 Mm^-1，2011年春季平均散射系數為311.5±173.3 Mm^-1）.由于散射性物質如硫酸銨、硝酸銨主要通過二次反應生成，當大氣污染物濃度處于高值時更易發生次生反應，導致氣溶膠散射系數上升.從表1中可以看到冬季PM2.5質量濃度最高，春季次之，與散射系數結果一致.冬季氣溶膠SSA和春季值相近，都為0.86，高于秋季的0.84和夏季的0.80，與氣溶膠消光系數變化基本一致.

本次觀測夏秋兩季的平均AAE較高，說明棕碳對氣溶膠吸收的貢獻較為顯著，而春冬兩季以黑碳吸收為主.SAE春冬季節高于夏秋季節，氣溶膠均以細模態為主，春冬季節氣溶膠粒徑更小.

圖2描述了2017—2018四季觀測中氣溶膠在532 nm波段下的消光系數（βext532）頻率及對應的PM2.5質量濃度.由圖可知春季βext532在100～300 Mm^-1之間占比最多，為57.55%，βext532gt;500 Mm^-1的頻率為6.84%，其中βext532gt;1 000 Mm^-1的發生時段與PM2.5高值段對應;夏季βext532在0～100 Mm^-1之間頻率最高，為61.21%，大部分時間βext532較小，最高值為344.27 Mm^-1;秋季βext532在100～300 Mm^-1之間頻率最高，為63.14%，βext532gt;500 Mm^-1的頻率為1.28%;冬季βext532在100～300 Mm^-1和500～1 000 Mm^-1占比最多，分別為34.22%和23.40%，低于100 Mm^-1的時段頻率僅有11.92%.一般βext532gt;500 Mm^-1可以認為是污染天^[31]，冬季βext532gt;500 Mm^-1的頻率為32.30%，污染情況較為嚴重，春秋季有部分污染天，而夏季以清潔天為主.

2.2 日變化

圖3表示觀測期間氣溶膠在532 nm波段下吸收系數和散射系數平均日變化.可以看出氣溶膠吸收系數基本呈雙峰形，早晚出現高峰，出峰時間略有差異.夏季氣溶膠吸收系數于06：00到達早高峰，春秋季早高峰開始時間約為07：00，而出峰時間為09：00.這可能是由于夏季日出時間較早導致邊界層高度上升提前，因此污染物能更早地擴散，且夏季人為活動較早開展導致污染物排放在較早時候開始累積.春秋季天氣特征較為相似，日出和人為活動較夏季稍有推遲，而冬季由于日出最晚，且污染物擴散較慢，所以出峰時間也是最晚的.氣溶膠散射系數一般與吸收系數日變化趨勢接近，但不同季節仍有不同，夏季和秋季氣溶膠散射系數早高峰比吸收系數遲1 h，這是由于早高峰交通源等的排放大部分是黑碳氣溶膠等吸收性物質，在太陽升起后，隨著擴散條件的好轉迅速下降，而此時二次有機氣溶膠的生成使得散射性物質的相對增加，導致氣溶膠散射系數處于高值，后續隨著大氣邊界層的進一步升高，氣溶膠散射性物質濃度也開始迅速下降.冬季氣溶膠散射系數早高峰比吸收系數晚2 h，這可能與冬季大氣擴散條件改善較難以及污染物濃度較高，二次有機氣溶膠生成和老化活動頻繁有關.

2.3 氣象要素對氣溶膠光學性質的影響

觀測期間的氣象參數如圖4所示.春夏秋冬四季平均溫度分別是14.00±6.66、29.61±2.94、16.31±3.45和3.93±4.50 ℃，平均濕度分別是（65.88±21.43）%、（76.14±13.84）%、（70.40±20.82）%和（71.19±21.46）%.春季平均風速為2.20±1.10 m·s^-1，高于2 m·s^-1的時刻占53.01%，最高風速為7.22 m·s^-1;夏季平均風速為1.11±0.68 m·s^-1，高于2 m·s^-1的時刻占13.93%，最高風速為3.82 m·s^-1;秋季平均風速為2.30±1.21 m·s^-1，高于2 m·s^-1的時刻占53.85%，最高風速為7.70 m·s^-1;冬季平均風速為1.74±0.96 m·s^-1，高于2 m·s^-1的時刻占34.5%，最高風速為4.62 m·s^-1.春季有7個降雨天，總降水量110.4 mm;夏季有1個降雨天，總降水量26.6 mm;秋季有3個降雨天，總降水量7.4 mm;冬季有5個降雨天，總降水量87.7 mm.

2.3.1 風向風速對氣溶膠光學性質的影響

風向風速的變化對局地氣溶膠光學性質有重要的影響^[32].低風速可能會造成污染物的積聚，而高風速會導致污染物遠距離傳輸.此外，由于污染源分布位置不同，不同風向帶來的污染物組成的差異也會導致氣溶膠光學性質發生變化.圖5代表四季觀測期間不同風向下的吸收系數和散射系數分布.春夏季節主導風向為東風和東南風，氣溶膠吸收系數和散射系數值基本一致;秋季盛行西風和西北風，吸收系數在西北風時有高值，散射系數在北風時達到高值;冬季主導風向是東風和西北風，且吸收系數和散射系數均在這兩個風向有較多高值.

圖6表示觀測期間風速與532 nm波段消光系數的關系.可以看出夏季的平均風速最低，春季次之，隨著風速的增加，消光系數總體呈下降的趨勢.這是由于春夏季節盛行偏南風，傳輸而來的氣團較為清潔.秋季風速較高，消光系數隨風速增加而減小，在0.2～1 m·s^-1時達到高值，這可能是擴散條件較差導致污染物的累積.冬季氣溶膠消光系數和風速沒有明顯的對應關系，當風速較高時也會引起消光系數的上升，北邊工業園區污染物的傳輸導致的.

2.3.2 相對濕度對氣溶膠光學性質的影響

由于在水氣界面顆粒物更容易發生非均相反應，生成二次有機氣溶膠，所以相對濕度的變化也可能影響氣溶膠光學性質^[33].圖7展示了秋季觀測期間能見度、氣溶膠消光參數和相對濕度的變化關系，其中βext532、βsca532、βabs532分別表示在532 nm段的消光系數、散射系數和吸收系數，擬合曲線去除了相對濕度大于90%的數據，數據點顏色越深代表相對濕度越大.從圖7中可以看出，濕度高的情況往往能見度較低，而能見度較高的數據點相對濕度一般在20%～60%范圍內.由于相對濕度大于90%時有66%的概率發生了降雨，因此深藍色的數據點大多位于消光參數較低的位置，應該是降雨造成的氣溶膠濕沉降導致的.在相對濕度20%～80%范圍內可以看到隨著顏色的加深數據點會朝著消光參數增加的方向偏移.此外，在去除了相對濕度大于90%的數據后，能見度和消光參數有明顯的負相關.

2.3.3 氣團對氣溶膠光學性質的影響

不同方向的氣團在傳輸過程中由于經過的區域不同，攜帶的污染物成分也不同，從而對氣溶膠的光學性質產生不同的影響^[34].本文中使用HYSPLIT后向軌跡模型對污染期間氣團來源進行聚類分析，選擇起始高度為海拔1 000 m，后向軌跡時間為72 h.圖8代表四季觀測期間氣團運動的后向軌跡.可見，春季氣團主要來源于觀測地點附近，占比57%，其他3個氣團軌跡貢獻較為平均，占比分別為13%、19%和11%.氣團軌跡1和氣團軌跡3氣溶膠消光系數大于其他氣團軌跡，吸收性氣溶膠以黑碳為主.

夏季氣團主要來源于海上，其中：氣團軌跡1主要來自東北方向，從黃海經由蘇北部分地區傳輸到觀測點，占比34%;氣團軌跡3來自西太平洋，經過東海從觀測點東部傳輸入觀測點，占比17%，還有少量氣團從臺灣海峽傳輸入觀測點，占比9%.除了海上來的氣團，還有部分來自觀測點附近的氣團軌跡2，占比42%，經過蘇南地區傳輸入觀測點.當觀測點附近傳輸而來的氣團軌跡2傳入觀測點時，532 nm處吸收系數為22.70±13.59 Mm^-1、散射系數為117.31±67.41 Mm^-1、單散射反照率為0.82±0.06、PM2.5質量濃度為19.88±8.96" μg·m^-3，高于其他氣團軌跡傳輸來時的值，說明從內陸傳來的氣團會攜帶著大量影響光學特性的污染物，且氣團軌跡2軌跡很短，氣團傳輸速率較慢，更利于污染物的積累.氣團軌跡1時，532" nm處吸收系數為18.82±8.88 Mm^-1、散射系數為88.48±55.26 Mm^-1、單散射反照率為0.80±0.07、PM2.5質量濃度為18.76±9.39 μg·m^-3，高于其他兩道從海上傳輸而來的氣團軌跡，這可能是由于氣團軌跡1經過蘇北等污染較為嚴重地區，使得氣團中夾雜著不少污染物.

秋季有55%的氣團來自觀測點附近，從海邊經由蘇南方向傳輸而來，即氣團軌跡1.氣團軌跡1時，532 nm處吸收系數為26.27±12.15 Mm^-1、散射系數為188.78±95.12 Mm^-1、單散射反照率為0.87±0.04、PM2.5質量濃度為27.63±11.24 μg·m^-3.氣團傳輸速度很慢，利于污染物的積累.氣團軌跡2來自黃海，從觀測點偏東方向傳輸入觀測點，占比32%.氣團軌跡2時，532 nm處吸收系數為23.39±16.67 Mm^-1、散射系數為107.74±72.80 Mm^-1、單散射反照率為0.81±0.06、PM2.5質量濃度為18.76±8.63 μg·m^-3，吸收系數和散射系數較其他兩個氣團稍低，散射埃系數為1.85 ± 0.26，高于其他兩個氣團，氣溶膠粒徑較小，以細模態為主.氣團軌跡3時，532 nm處吸收系數為28.92±9.78 Mm^-1、散射系數為143.26±36.95 Mm^-1、單散射反照率為0.77±0.06、PM2.5質量濃度為29.07±6.82 μg·m^-3，氣團經過內蒙古華北等地區，單散射反照率低于其他兩個氣團，吸收系數高于其他兩個氣團，說明可能夾雜著大量黑碳氣溶膠.

冬季大部分氣團是從內陸傳輸而來，其中氣團軌跡1和2是從觀測點西北方向傳輸而來，氣團軌跡1來自內蒙古方向，經過中國華北地區，大約占總氣團的18%.當氣團傳輸到觀測點時，532 nm處吸收系數為23.54±14.38 Mm^-1、散射系數為104.96±48.11 Mm^-1、單散射反照率為0.82 ± 0.04，散射性物質較多，夾雜著一定數量的吸收性物質，而PM2.5質量濃度為28.08±11.86 μg·m^-3.氣團軌跡1攜帶的污染物濃度較低，可能是由于氣團軌跡1氣團傳輸較快，經過一些清潔區域時，污染物濃度被稀釋，到達觀測點時污染物濃度已很低.氣團軌跡2來自華北地區，沿途經過河南安徽等污染較嚴重地區，占總氣團軌跡的39%，高于其他氣團軌跡占比.532 nm處吸收系數為65.19±33.26 Mm^-1、散射系數為530.23±356.80 Mm^-1、單散射反照率為0.88 ± 0.05，散射性物質占比較多，占比多于氣團軌跡1時的情況，而PM2.5質量濃度為92.89±62.98 μg·m^-3，屬于輕度污染.由于PM2.5質量濃度比軌跡1高，顆粒物易碰并增長，所以顆粒物粒徑較氣團軌跡1稍大，但氣溶膠仍以細模態為主.相比而言，氣團軌跡2比軌跡1中黑碳氣溶膠占比更高.氣團軌跡2帶來了大量夾雜著黑碳氣溶膠的細顆粒物污染物，使得觀測點污染物濃度升高，吸收系數和散射系數也隨之增加.除了氣團軌跡1和氣團軌跡2，還有氣團軌跡3是從內陸傳輸而來，可能是從江西浙江傳輸過來，氣團傳輸較慢.氣團3占所有氣團軌跡的28%，532 nm處吸收系數53.76±23.16 Mm^-1、散射系數為324.98±92.34 Mm^-1、單散射反照率為0.86±0.04、PM2.5質量濃度為60.90±23.62 μg·m^-3，相比氣團軌跡2，污染物濃度和吸收系數散射系數較低.氣團軌跡1偏大，較氣團軌跡2稍小，可能與PM2.5質量濃度有關.氣團在緩慢經過江西浙江時，攜帶著含黑碳氣溶膠的大量污染物，傳輸到觀測點.氣團軌跡4是從海上傳輸而來，從渤海經由山東半島后，再經過黃海，從污染物東側傳入觀測點.氣團軌跡4在532 nm處吸收系數為17.65±17.23 Mm^-1、散射系數為204.88±185.38 Mm^-1、單散射反照率為0.92 ± 0.04、PM2.5質量濃度為28.21±17.37 μg·m^-3.氣團軌跡4單散射反照率高于其他軌跡，可能是由于氣團攜帶著大量海鹽氣溶膠，雖經過山東半島，但后續經過渤海，攜帶的污染物濃度迅速下降，傳輸入觀測點時，污染物濃度很低.從海洋傳輸而來的氣團帶來大量的海鹽氣溶膠.

2.4 化學組分對氣溶膠光學性質的影響

表2總結了四季觀測期間PM2.5中水溶性離子質量濃度.春季PM2.5中水溶性陽離子主要為NH⁺4gt; K⁺gt;Ca²⁺gt; Na⁺，陰離子主要為NO^-3gt; SO^2-4gt;Cl^-.夏季PM2.5中水溶性陽離子主要為NH⁺4gt;Na⁺gt;K⁺gt;Ca²⁺，陰離子主要為SO^2-4gt;NO^-3gt;Cl^-.秋季PM2.5中水溶性陽離子主要為NH⁺4gt; K⁺gt; Na⁺gt;Ca²⁺，陰離子主要為SO^2-4gt;NO^-3gt; Cl^-.

冬季PM2.5中水溶性陽離子主要為NH⁺4gt;Ca²⁺gt;K⁺gt;Na⁺，陰離子主要為NO^-3gt; SO^2-4gt;Cl^-.NO^-3主要來源于機動車尾氣排放的NOx的轉化，SO^2-4主要來源于煤炭等含硫燃料的燃燒以及SO2的轉化，NH⁺4主要來源于燃料高溫燃燒排放廢氣的二次轉化、機動車尾氣排放、有機質腐化以及農業中氮肥的使用^[35].總的來說，NO^-3、SO^2-4、NH⁺4三種二次源水溶性離子污染水平較其他離子都更高，說明觀測期間南京北郊地區受二次污染影響較大，且冬季的污染遠比其他3個季節嚴重.

NO^-3/SO^2-4（質量濃度比值）是區分交通排放源與固定源貢獻大小的標志^[36].當NO^-3/SO^2-4大于1時，說明機動車尾氣排放等移動源貢獻更大，當NO^-3/SO^2-4小于1時，說明煤炭燃燒等固定源排放更多.這3次觀測期間，2017年冬季 NO^-3/SO^2-4為1.31±0.38，2018年春季 NO^-3/SO^2-4為1.47±0.70，均大于1，說明2017年冬季污染物更多是由機動車尾氣排放等移動源排放，2018年夏季 NO^-3/SO^2-4為0.83±0.46，2018年秋季 NO^-3/SO^2-4為0.92±0.44，說明煤炭燃燒等固定源排放更多.

表3展示了觀測期間水溶性離子與氣溶膠消光參數的相關性，相關系數小于0.1表示兩者沒有相關性，介于0.1～0.4之間表示相關性較差，大于0.5則認為有較好的相關性.由表3可知， 春季氣溶膠吸收系數、散射系數與消光系數和NH⁺4相關性較差，相關性分別為0.012、0.335和0.295.吸收系數和NH⁺4、NO^-3和SO^2-4的相關性較差.但散射系數和NO^-3以及SO^2-4的相關性很好，分別為0.695以及0.595.散射系數和NO^-3的相關性高于與SO^2-4的相關性，影響氣溶膠消光系數的污染物與機動車尾氣等交通源排放更相關.

夏季氣溶膠散射系數與消光系數與水溶性離子NH⁺4、NO^-3和SO^2-4相關性較低，僅為0.3～0.4，吸收系數與水溶性離子的相關性更低，這可能是由于夏季觀測點附近污染物排放較少，外地排放傳輸時，污染物損耗嚴重，污染物濃度較低.散射系數和NO^-3相關性為0.326，低于吸收系數以及散射系數和SO^2-4相關性，說明影響氣溶膠消光系數的污染物主要來源于煤炭等固定源排放.

秋季氣溶膠散射系數與水溶性離子NH⁺4、NO^-3和SO^2-4相關性較好，散射系數和NH⁺4相關性為0.561，與NO^-3相關性為0.384，與SO^2-4相關性為0.567，散射系數和SO^2-4相關性好于散射系數與NO^-3相關性，說明影響氣溶膠消光系數的污染物主要來源于煤炭等固定源排放.吸收系數與水溶性離子NH⁺4、NO^-3和SO^2-4相關性很差，即影響氣溶膠吸收系數的物質與水溶性離子NH⁺4、NO^-3和SO^2-4關系不大.

冬季氣溶膠吸收系數、散射系數與消光系數和NH⁺4相關性較好，吸收系數和NH⁺4相關性為0.505，散射系數和NH⁺4相關性為0.687，高于吸收系數和NH⁺4的相關性.吸收系數和NO^-3相關性為0.380，散射系數和NO^-3相關性為0.474，高于吸收系數以及散射系數和SO^2-4相關性，說明影響氣溶膠消光系數的污染物主要來源于機動車尾氣等交通源排放.

3 結論

為了研究南京北郊地區氣溶膠光學性質的季節變化及影響因素，于2017年12月—2018年11月在南京信息工程大學站點進行了為期1年的外場觀測.觀測期間氣溶膠吸收系數和散射系數皆為冬季gt;春季gt;秋季gt;夏季，有明顯的季節變化.夏秋兩季的平均AAE較高，說明棕碳對氣溶膠吸收的貢獻較為顯著，而春冬兩季以黑碳吸收為主.SAE春冬季節高于夏秋季節，氣溶膠均以細模態為主，春冬季節氣溶膠粒徑更小.氣溶膠吸收系數和散射系數日變化呈雙峰型，吸收系數早高峰時間夏季為06：00，春、秋季都為07：00，冬季為09：00，這是由于不同季節邊界層高度和人類生產活動時間發生變化導致的.

氣溶膠光學性質受氣象條件和化學組分的影響.秋冬季節受西北風的影響，存在西北方向的污染物傳輸，使氣溶膠消光系數存在高值，且當風速在0.2～1和3～4 m·s^-1時，氣溶膠消光系數最高，可能低風速時擴散條件較差造成污染物聚積，而高風速時存在污染物的遠距離傳輸.春夏季節東風、東南風方向的本地污染源擴散是導致氣溶膠消光系數升高的主要原因.與內陸的氣團傳輸相比，來自海上的氣團使氣溶膠消光系數降低.當相對濕度小于90%時，氣溶膠消光系數與能見度成反比，而當相對濕度大于90%時，能見度普遍小于10 km，與氣溶膠消光系數關系不大.春冬季節PM2.5組分中水溶性離子主要為NO^-3、SO^2-4和NH⁺4，且氣溶膠消光系數與NO^-3的相關性高于與SO^2-4相關性，影響氣溶膠消光系數的污染物主要來自交通源.夏秋季節結果相反，影響氣溶膠消光系數的污染物主要來自煤炭燃燒等固定源.

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A four-season field campaign study of aerosol optical properties in northern suburbs of Nanjing

WANG Xing^1，2 XU Tianfeng³ MA Yan^1，2 ZHENG Jun^1，2

1School of Environmental Science and Engineering，Nanjing University of Information Science amp; Technology，Nanjing 210044，China

2Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring amp; Pollution Control，Nanjing University of Information Science amp; Technology，Nanjing 210044，China

3Shangqiu Meteorological Administration，Shangqiu 476100，China

Abstract In this study，a four-season field campaign was conducted from December 2017 to November 2018 to investigate the optical properties of aerosols in the northern suburbs of Nanjing.The seasonal variations of aerosol absorption and scattering coefficients were observed to be highest in winter，followed by spring and autumn，and lowest in summer.The daily variations exhibited a bimodal pattern，with the early peak of absorption coefficient occurring earlier in summer than in winter，which can be attributed to seasonal changes in boundary layer heights and human activity patterns.The average Absorption ngstrm Exponent （AAE） was higher in summer and autumn，indicating a more prominent contribution of brown carbon to aerosol absorption，while black carbon dominated in spring and winter.Conversely，the Scattering ngstrm Exponent （SAE） was higher in spring and winter than in other seasons，with fine-mode aerosols prevailing throughout the year and smaller aerosol particle sizes observed in spring and winter.During winter，the transport of pollutants from the northwest direction under the influence of northwest wind led to high values of aerosol extinction coefficients.In spring and summer，the diffusion of local pollutant emissions from the east and southeast directions was the primary factor contributing to the elevated aerosol extinction coefficients.Compared with the air masses originating from inland，the transport of maritime air masses reduced the aerosol extinction coefficients.When the relative humidity was less than 90%，the aerosol extinction coefficients were inversely proportional to the visibility.However，when the relative humidity exceeded 90%，the visibility was generally less than 10 km and had minimal correlation with the aerosol extinction coefficients.In spring and winter，the water-soluble components of PM2.5 were primarily secondary source ions，with a stronger correlation between aerosol extinction coefficients and nitrate ions than that of sulfate ions，indicating that transportation-related emission sources were the main contributor to aerosol extinction coefficients.In contrast，during summer and autumn，the pollutants affecting the aerosol extinction coefficients were mainly from stationary sources such as coal combustion.

Key words northern suburbs of Nanjing;optical properties;meteorological parameters;chemical components

資助項目國家自然科學基金（41975172，42275116）

作者簡介王興，男，博士，研究方向為大氣化學.573493128@qq.com

鄭軍（通信作者），男，博士，教授，研究方向為大氣化學.junzheng70@163.com