大气气溶胶物理光学特性研究进展

邓琨蕾?李蛟?曾康时

摘 要：大气气溶胶的来源十分复杂，多数有着较强的污染性，因此引起了国内外学界的广泛关注，但由于大气气溶胶在实践和空间上的不确定性较强，观测与研究难度较大，因此其物理光学性质的观测与研究还有很长一段路要走。本文在对大气气溶胶概念和基本光学性质进行阐述的基础上，对国内外近年来对城市大气气溶胶的观测与研究成果进行了分析，期望为气溶胶物理光学性质的研究及其带来的污染问题的防治提供可行的参考。

关键词：大气气溶胶;物理光学性质;观测

对大气气溶胶进行长期有效的观测，了解区域大气复合污染下气溶胶光学特征，为改善大气能见度、制定有效的大气污染协同防控策略以及经济可持续发展计划提供部分科学的环境基础数据，对评估该地区乃至东亚地区气溶胶辐射强迫、了解区域气候变化至关重要，同时，不断创新大气气溶胶观测技术和光学特性研究方法，对于推进大气气溶胶光学性质研究至关重要。

一、大气气溶胶的定义

大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，其直径多在0.001-100μm之间。按照组分不同，主要分为六大类7种气溶胶粒子：沙尘气溶胶、碳气溶胶（黑碳和有机气溶胶）、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。气溶胶的来源主要有自然源和人工源两大类，自然源主要为自然现象所产生，如森林火灾、火山喷发、土壤风化等;人工源主要指人类生产生活过程中产生的气溶胶，如化石燃料燃烧，工业生产排放的粉尘等。

二、大气气溶胶的光学性质

在大气气溶胶观测与研究过程中，经常涉及的光学性质主要有以下几种：

1. 大气气溶胶的散射

太阳辐射遇到大气中的气溶胶粒子会发生散射现象。一部分入射光改变方向射向四面八方，使得原方向的辐射能减弱。虽然散射作用减弱了太阳辐射，但却使整个大气层变得明亮。由于粒子的取向是随机的，可以等效为球体群。通常情况下，大气气溶胶粒子满足独立散射的条件，只有当气溶胶介质较浓时，产生的散射效应会包括入射光引起的一次散射和散射光引起的多次散射。

2. 大气气溶胶的吸收

大气气溶胶的吸收系数与气溶胶种类和光的波长有关，含碳组分的颗粒对光的吸收最为强烈。杨书申等指出，气溶胶对光的吸收效应几乎全部由黑碳（或称元素碳）和含有黑碳的颗粒物造成。因此我们常常用黑碳气溶胶的浓度与吸收系数建立一定的关系，通过测量黑碳气溶胶的浓度来计算大气气溶胶的吸收系数。

3. 大气气溶胶的消光系数

大气气溶胶的吸收和散射系数之和称为消光系数表示大气气溶胶对太阳辐射的削弱程度。有关研究表明，近地面消光系数与大气能见度存在一定的相关关系，由 Koschmieder 公式给出：R=3.912/ke，单位是km。这里的消光系数是气溶胶消光系数和大气消光系数的总和。

三、大气气溶胶光学性质研究进展

近年来大气气溶胶光学性质的研究领域，主要在研究方法上取得了以下进展：

首先是大气气溶胶光学遥感技术。当进行大范围的气溶胶特性研究时，普通直接测量方法很难满足要求，为此发展了遥感测量技术，气溶胶粒子对入射辐射的散射和吸收作用可以使入射辐射的性质和强度发生变化，通过测量入射辐射的变化可以反演气溶胶粒子特性， 这是遥感气溶胶的基本原理。利用遥感方法可以直接得到气溶胶辐射特性，并用于气候研究过程. 气溶胶物理光学特性 的遥感方法可以分为两类：主动探测（主动遥感）和被动探测（被动遥感）。激光雷达（包括车载和地 基激光雷达探测）属于主动探测;运用卫星遥感、太阳辐射计等被动探测手段也可以获得气溶胶粒子的光学特性。

其次是利用太阳直接辐射遥感气溶胶光学厚度。近30年来，太阳分光光度计作为一种简单而又经济的技术来遥感气溶胶的光学特性和水汽含量，它是气溶胶光度学观测的一种常用方法。实际应用中，光度计的波段选择、半波宽度、仪器定标、吸收气体的影响以及观测条件等方面的因素都可能带来误差，许多学者对此作过分析。此外，利用窄波段光度计测量气溶胶光学厚度是一个比较准确有效的方法， 但目前还不具备 在全国范围内布点进行常规遥感的条件，而国内有几十个日射站全年进行全波段太阳直射辐射的测 量， 充分利用这些辐射资料研究大气气溶胶物理和 光学特性是有意义的。

再次是利用卫星遥感技术研究气溶胶光学特性。地面遥感气溶胶可以得到较为准确的气溶胶信息，但是目前这种方法只能在有限的区域进行，不能用来遥感大范围气溶胶光学特性。利用卫星遥感或者机载航空遥感系统可以弥补这个不足，特别是在环境恶劣的边远地区和广阔的海洋地区， 卫 星遥感方法更能显出它的优势。国际上开展卫星遥感气溶胶的工作始于20世纪70年代中期。中国科学家从80年代中期开始也进行了这方面的研究。1986年赵柏林等利用NOAA AVHRR资料，进行了遥感海上大气气溶胶的研究。周明煜等利用NOAA AVHRR资料分析了1993年4月北京、天津上空沙尘暴特性发现，在沙尘暴发生时， AVHRR 可见光通道1和可见光通道2的反射率都有增加，沙尘暴强度越大，反射率增加越大。

四、结语

综上所述，由于近年来空气污染现象日趋严重，大气气溶胶的光学效应、气候效应等问题深受国内外学界的关注，但由于大气气溶胶存在极强的不稳定性，在观测与研究过程中难度较大，对此，国内学者与研究机构应强化对全国各地大气气溶胶的连续观测，对其光学性质进行深入研究，以摸清其光学变化规律，对其大气污染的控制与预防提供可行的物理光学参考。

参考文献：

[1] 赵胡笳.中国东北城市地区大气气溶胶光学特性及其直接辐射效应研究[D].中国气象科学研究院博士学位论文，2014.

[2] 张勇.背景城市大气气溶胶光学特性观测研究[D].南京信息工程大学硕士学位论文，2012.

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