乌鲁木齐冬季气溶胶散射吸收特性

2014-04-26陈学刚张克磊

中国环境监测 2014年1期

关键词：消光散射系数市中区

魏疆，陈学刚，任泉，张克磊

1．新疆大学资源与环境学院，新疆乌鲁木齐 830046

2．新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054

3．新疆乌鲁木齐市天山区气象局，新疆乌鲁木齐 830002

4．新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830052

大气气溶胶是由液态、固态微粒与气体共同组成的多相体系，粒径通常为 10－3～102μm［1］，具有时空变化大的特性。在清洁的大气环境中，气溶胶的质量浓度在1 μg/m3以下，在城市污染大气环境中，气溶胶质量浓度可达每立方米几毫克［2］。研究表明，气溶胶能够较真实地反映环境空气质量，能整体反映颗粒物和气态污染物的综合水平［3］。

气溶胶的光化学性质主要是通过散射和吸收系数来体现，污染的空气中气溶胶对光的散射及吸收具有突出的作用，从而影响能见度［4-5］。对能见度的影响主要取决于气溶胶的消光系数，气溶胶通过对光的散射和吸收过程削弱光的能量，两者的消光作用可以叠加，得出消光作用等于吸光系数加散射系数［6］。从日变化来看，气溶胶散射系数呈现双峰型规律，且与污染物浓度变化规律一致，就同一地区而言，气溶胶的光化学性质呈现出随高度增加而递减的特性［7］。黄世鸿等对中国23个地区气溶胶的吸收系数进行了测量，得出中国边界层气溶胶的吸收系数为1～1 000 Mm－1，并呈现出明显的北高南低的趋势［8］。

乌鲁木齐市属典型的河谷型城市，其三面环山的地理位置，以煤为主要的能源结构及特殊的气象条件，产生了严重大气环境污染问题，尤其是冬季，耗煤量的增加使环境污染进一步加剧，严重地影响了城市的发展和人的身体健康［9］。能见度的下降导致航班延误、交通受阻等一系列的社会问题，整个城市被上空的污染物笼罩。科研人员针对乌鲁木齐市的大气污染做了大量科研工作，李霞等对乌鲁木齐大气气溶胶的光化学特性进行分析表明：冬季气溶胶数值最大，日变化幅度也最大;气溶胶光学厚度与大气污染物具有相同的变化趋势［10-11］。但就气溶胶对光的散射系数、吸收系数等问题尚未见报道。

为能客观地反映乌鲁木齐市冬季气溶胶的消光作用，在城市不同区域使用积分式浑浊度仪对气溶胶散射系数、吸收系数进行了观测，并结合同时段的气象资料探讨乌鲁木齐市冬季大气气溶胶散射和吸收系数变化特征，以期能客观地反映乌鲁木齐市冬季大气污染的变化规律。

1 实验部分

使用美国的M3563积分式浑浊度仪，在市中区(43°49'N，87°34'E)和市北区(43°52'N，87°33'E)布设气溶胶散射系数、吸收系数的监测点。仪器设计原理是 Beer消光定理［10］，分辨率为5 ×10－8m－1，仪器的积分时间为60 s，体积吸收系数(简称吸收系数)和体积散射系数(简称散射系数)单位为Mm－1。监测时段为2012年1月10—15日。气象资料选取区域内气象站逐时风速和相对湿度观测资料 (43°47'N，87°39'E)。为便于与同时段的气象数据对比分析，分析使用小时均值。

2 结果与分析

2.1 散射系数日变化特征

市中区和市北区的散射系数曲线呈现出相同的变化趋势，整体呈双峰双谷，即“W”型(图1)。由图1可见，市中区散射系数整体高于市北区散射系数。0：00—4：00在(1 100±100)Mm－1范围内波动，走势并不明显;自4：00开始快速下降，到6：00降至全天的第一个谷值，分别为850 Mm－1和800 Mm－1，随后开始快速上升，13：00达到全天的最大峰值 1 240 Mm－1和 1 180 Mm－1，再次出现快速回落，在17：00前后出现全天的最低谷值分别为800 Mm－1和690 Mm－1，然后再次回升，在23：00前后再次出现峰值，分别为1 250 Mm－1和1 000 Mm－1。之后波幅不大，直至次日凌晨。

图1 市中区、市北区散射系数日变化趋势

2.2 吸收系数日变化特征

市中区和市北区吸收系数曲线同散射系数曲线相似，呈现出相同的变化趋势，市中区的吸收系数高于市北区，总趋势呈“W”型(图2)。

图2 市中区、市北区吸收系数日变化趋势

从图2可见：0：00后两者的吸收系数开始下降，至6：00到第一个谷值(分别为55 Mm－1和53 Mm－1);随后开始拉升，市中区的吸收系数明显大于市北区，到10：00达到第一个峰值(分别为97 Mm－1和80 Mm－1);继而开始回落，市中区和市北区分别在15：00和17：00降至第二个谷值(分别为65 Mm－1和48 Mm－1);然后再次拉升，在21：00和22：00分别达到各自的第二个峰值(分别为108 Mm－1和85 Mm－1)。

2.3 散射系数和吸收系数变化特征分析

由市中区和市北区的散射系数和吸收系数均呈现出相同的变化趋势(图1、图2)可以推断，2个区域的污染物构成相同。这与乌鲁木齐市的大气污染主要是由本地源排放导致相符［12］。曲线的周期性呈现出散射系数滞后于吸收系数2 h左右。从数值上看，冬季气溶胶对光的散射作用远远大于吸收作用，均在10倍以上，甚至达到15～16倍。说明冬季气溶胶的消光作用主要以散射为主。从曲线走势来看，无论是散射还是吸收系数，均表现出市中区高于市北区的态势。

2.4 相对湿度对散射系数和吸收系数的影响

乌鲁木齐市冬季大气相对湿度较高，观测期间的相对湿度为66% ～78%，且相对湿度大于75%的数值占到了七成以上，详见图3、图4。

图3 散射系数与相对湿度的关系

图4 吸收系数与相对湿度的关系

0：00—10：00散射系数、吸收系数完成第一个“V”的波动时，相对湿度变化幅度很小，仅为1%;10：00相对湿度开始下降，14：00降至最低点，散射系数表现出继续上升而后下降，滞后期为3 h左右，吸收系数随相对湿度同步降低，但到达谷值同样滞后约为3 h;而后散射系数、吸收系数和相对湿度均开始升高，但均呈现出滞后的现象。通过相关性检验可以看出，散射系数、吸收系数与相对湿度不具有显著相关性(表1)，说明此时段相对湿度对散射系数、吸收系数的影响是有限的。

表1 气溶胶散射系数、吸收系数与相对湿度和风速的相关系数

2.5 风速对散射系数、吸收系数的影响

在相对湿度大于66%的情况下，风速对散射系数、吸收系数有较强的影响(图5、图6)。夜间风速较小，对散射系数、吸收系数的影响不明显;黎明前后风速虽有小的波动，但仍未能对散射系数、吸收系数起到较明显的作用，正午12：00风速开始增强，散射系数、吸收系数呈现出明显的下降趋势;17：00前后出现最大风速，散射系数、吸收系数均降至最低点;随后风速减弱，散射系数、吸收系数开始增加。从变化趋势来看，市北区的散射系数、吸收系数受风的影响均大于市中区的监测点位。

图5 散射系数与风速的关系

图6 吸收系数与风速的关系

2.6 散射系数、吸收系数变化的综合分析

由前面的分析可以看出，0：00—11：00相对湿度和风速的变化相对较小，而散射系数、吸收系数却出现“V”型的变化，这与人类活动和逆温层的变化有着密切的关系，冬季夜间逆温层相对较稳定，污染物质不易扩散［13］，0：00—6：00随着人类活动的减少，供热消耗的原煤逐渐降低;6：00—11：00逆温层开始减弱，供热原煤的消耗开始增加，人类的其他生产生活活动也逐步增加，导致污染物的排放量增加，散射系数、吸收系数陡然上升，并在正午时分达到最大值。12：00—24：00散射系数、吸收系数曲线出现了第二次“V”型变化趋势;12：00—17：00是全天逆温层厚度最低的时候，同时由于环境温度的上升，供热耗煤开始降低，使污染物质的排放减少，加上相对湿度降低，不利于大气环境中形成大的颗粒物，此时段风速的增加加速了污染物的扩散，使散射系数、吸收系数降至全天的最低点;17：00—24：00上述客观条件发生逆转，使散射系数、吸收系数再次爬升，并在24：00前后达到第二个峰值。散射系数、吸收系数的变化规律与乌鲁木齐市主要污染物的变化特征相符［14］。说明散射系数、吸收系数能很好地反映乌鲁木齐市的大气污染状况。

市中区散射系数、吸收系数均大于市北区，主要是因为市中区的开发强度大于市北区，能源消耗比较集中，同时城市南面的污染物可能向市中区扩散，使市中区的污染物浓度增加［15］。其次，市北区相对海拔高度较低，受冬季城北偏北风的影响，污染物随气流在向市中区运动过程中，水汽凝结，在相对稳定的大气环境下，造成市中区的污染进一步加剧［16］。这正好解释了市北区散射系数、吸收系数与风速的相关性明显大于市中区的结果。

3 讨论

散射系数、吸收系数曲线呈“W”型，且峰值分别出现在0：00和12：00前后，与相关文献的研究结果一致［3，5，7］。散射系数、吸收系数大于黄世鸿等［8］所观测的北方地区的值(约1 000 Mm－1)，但远小于胡波等［2］在兰州市西固区所测的散射系数(3 300 Mm－1)瞬时值，因为该文采用的观测值是冬季污染最严重时段的小时均值，这样既规避了瞬时值的干扰，又能比较准确地反映污染状况。散射系数大于吸收系数，这与陈宇等［17］研究南京北郊的结果相符，但程度远大于其2～3倍的论述，说明不同地区气溶胶的光化学性质有着较大的差异。乌鲁木齐冬季气溶胶的消光作用主要是由散射引起的，这与冬季相对湿度较大易形成大的颗粒物质(成分主要以硫酸盐、硝酸盐和有机碳等为主)有关［18］。

相对湿度对散射系数、吸收系数影响较小，不具有显著相关性，与相对湿度增大对散射系数、吸收系数有明显影响的结论不符［19］，可能是监测时段相对湿度变化幅度较小，而污染物排放量和逆温层厚度以及风速等其他因素的变化对散射系数、吸收系数产生的影响，掩盖了相对湿度产生的作用。风速与散射系数、吸收系数具有显著的负相关性，与前人的研究一致［7，17］。说明风速的增加直接影响对气溶胶粒子的扩散速度，使局地高浓度的气溶胶快速扩散，同时与清洁的气团混合，降低气溶胶的浓度，最后影响散射系数、吸收系数的下降。