英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

环境科学

杂志地址：www.eisevier.com/locate/scitotenv

微脉冲激光雷达监测上海雾霾期间与非雾霾期间的大气气溶胶垂直消光系数性能

重点

用Fernald定理计算补偿消光系数

雾霾期间，气溶胶主要聚集在大气层1km以下

最严重的雾霾污染在600以下

雾霾期间1-6km有54%-76%的光学厚度的贡献

文章信息

文章历程

2014年5月4日投稿

2016年8月9日修正

2016年8月21日接受

2016年8月26日网上发表

编辑D.Barcelo

关键字

微脉冲雷达,雾霾,雾霾期间,消光,AOD,影响因素

摘要

大气气溶胶的光学性质对环境和气候都做出了重要的贡献。在上海雾霾期间和无雾霾期间用MPL调查气溶胶的特征通过Fernald定理计算气溶胶的消光系数和补偿的光学厚度。从2009年5月到2010年2月间，在这256天的雾霾天气中，其中湿雾霾天气有145天，39天的干雾霾天气，以及32天介于干湿之间的雾霾天气，在雾霾期间，气溶胶主要集中于600m以下，这直接造成了此层节成为污染最为严重的层节，通过对气溶胶光学性能的对比，我们可知，在雾霾期间气溶胶的消光系数以及气溶胶的补偿光学厚度随着高度的降低而变小。除去夏季，气溶胶光学厚度在雾霾期间的1-6km贡献的52%-72%小于无雾霾期间所贡献的41%。根据对影响因素的分析，尽管在夏季的对流很强烈，这就导致了消光的减弱。雾霾发生的最高频率是在夏季相对气溶胶消光系数较低的时候，这是多种因素所导致的结果，例如相对湿度，温度，以及太阳辐射等引起了粒子的吸湿增长以及形成了二次气溶胶。在夏季和春季，雾霾出现几率较小，这是因为边界层相对较高，这为污染物的消散创造了条件，但是值得注意的是，春季同时也是形成雾霾的第二频发季节，这是由于春季有来自南方的污染颗粒物的传送。在冬季，高的粒子浓缩，以及边界层了降低，这并不利于污染物的消散，因此就导致了高浓度的雾霾以及高值的气溶胶消光的产生。

前言

上海，坐落于中国东方级金三角洲，是世界上拥有百万人口的城市之一，它拥有1，9000，0000人，超过2亿的交通工具，占地面积6430平方米。由于城市人口的快速增长以及工业运输业的快速发展，上海已经遭受了非常严重的空气污染，例如高浓度微粒的聚集，能见度降低，以及经常被雾霾所弥漫，雾霾不仅污染了大气环境，降低能见度，增加了交通事故的发生，而且也影响了人类的身心健康，裸露在雾霾中的高浓度粒子还会导致人类呼吸心血管等问题。

尽管有很多关于雾霾期间气溶胶时间变化(包括长期和短期)以及其区域特征的研究，但是在垂直气溶胶分布仍然欠缺，这主要是由于监测仪器的限制性。气溶胶在不同高度不同区域都有所高度，这是因为不同的地理位置，地形地貌，表面特征，人类活动，以及气象因素。关于气溶胶垂直分布的测量对于估算气溶胶辐射强迫以及对其相关气候因素仍然是一个非常严重的问题。而以往对于分析气溶胶的方法是根据手机过滤器上面的气溶胶样品，，再用化学分析得到不同气溶胶的质量浓度。利用米氏散射理论将质量浓度转换成数量分布，随后换成光学深度，表面的性能是通过假设垂直廓线转换成垂直的性能。气溶胶通常出现在地球的表面，然而水平气溶胶的性能却不同于垂直气溶胶的性能，这是因为气溶胶存在明显的分层结构，因此如果假设每天都有相同的气溶胶垂直性能的话，是会导致很大的错误的，MPL利用其光学性质减少气溶胶辐射强迫为测量垂直气溶胶的分布提供了准确性。

在这一类比较稀少研究的领域，利用雷达去研究气溶胶的垂直分布，Qiu et al在2000年一月到四月在北京探测了对流层上部云的消光系数以及气溶胶在多波长雷达中的532nm处的波长。他和Mao利用mpl于2002年十月在pking大学发现了对流层气溶胶的垂直变化。Liu etal把在北京郊区和台北那群垂直分布的对流层气溶胶利用mpl做了比较；Huang et al 和Huang etal 用mpl在黄土高原之上发现了沙尘气溶胶的垂直分布。

以上的种种研究都证明了利用气溶胶光学性质从地面雷达检测到参数的参数可以为气溶胶垂直分布提供精确的定量。在这项研究中，将从MPL中获得的气溶胶消光系数廓线以及AOD在雾霾期间与非雾霾期间进行比较得到其影响因素从而对雾霾的预防以及预见有更深的理解。

2方法

2.1气溶胶消光系数和AOD的获取方法

气溶胶的消光系数和AOD都是其光学性质，低能见度具有高消光系数，AOD被看做是气溶胶的高聚合。在这个研究中，是在上海浦东区从2009年五月到2010年2月份利用Fernald理论得到的气溶胶的消光系数廓线和AOD.

通过雷达所获得的信号的是非常重要的，气溶胶的光学性质可以通过解雷达方程式得到。在获取雷达数据前需校准雷达。进行改进的雷达方程式才可以被使用。

其中p 是接收到激光雷达高度r（公里）的大气后向散射的回波功率（w）,E是激光雷达发射的能量，C是激光雷达系统常数（W.KM.3.sr）。 beta;(r)和 sigma;(r)分别是大气后向散射系数（km.sr）和消光系数。 因为两者都是未知的因素，因此他们需要特定的方法去检索。这些方法包括科利斯方法，凯尔特方法（1981），和费尔纳德方法（1984）。其中，费尔纳德方法考虑到大气中气溶胶和空气分子的广泛使用，因此等式（1）可以写成如下的形式：

其中，下标a代表气溶胶和空气微粒，这是因为 beta; a (r) 和sigma; a (r)是两个未知参数。而 beta; m (r) 和 sigma; m (r）是以美国的气溶胶模型为标准的。在这个方法中，反向散射消光系数比描述了这些参数之间的关系。气溶胶消光后向散射和空气分子消光后向散射比定义为

因此可以通过等式（2）求出气溶胶的光学特性和空气分子。边界层以上的大气层几乎没有气溶胶。

Sa是20到10之间的气溶胶消光比。Sm可以根据由美国所提供的空气分子密度的垂直剖面图根据Rayleigh散射理论得出它是空气分子后向散射比的8pi;/3。Rm是边界层高度。

光学厚度从地面到一定高度可以根据如下计算

2009年的3月到2010年2月在雾霾和非雾霾期间中分析季节性变化的昼夜循环消光系数是以四个小时为时间，例如上午的9点 12点 下午的3点 和6 点分别代表早上中午下午和晚上。

2.2雾霾统计法

根据气象最新发行的中国观察操作标准，雾霾时间是指每小时的能见度不足10km，以及平均相对湿度为研究期间的95%时，天气能见度很低时，包括降水和沙尘暴，吹沙，飘尘等引起的浮尘。当从北京时间的早上8点到晚上6点这个时间段如果出现了最少两次的雾霾则我们定义这一天为雾霾天，否则，这一天就为无雾霾天气，此外，当相对湿度低于80%时，雾霾则被定义为干霾，当相对湿度在85%到95%时，为湿雾霾天气，这些数据来自上海浦东自动气象观测站里由芬兰制造的Milos500仪器。

3结果和讨论

3.1霾害统计

为了研究气溶胶的光学特性，将随机选择雾霾期间和非雾霾期间的时间段，根据上面所提到的定义，图一显示的是雾霾天数和非雾霾天数。图2 显示的是干霾和潮湿的阴霾。结果显示，在研究期间，上海的雾霾天数达到了216天，主要实在夏季（6月，7月，8月），然后是春天（3月，4月，和5月），以及冬季（12月。1月和2月），秋季（9月，10月和11月）。

此外，还有145个干霾天和39个湿霾天，以及中间还有32天的介于干霾天于湿霾天。由图2可知，干霾天比湿霾天易发生。干霾天发生频率最高的是在春季（50天）其次是夏季（41天）。再然后是冬季（38天）和秋季（16天）。在夏季，潮湿的雾霾发生的最频繁，达到了20天，并且多发生于白天，其他三个季节，潮湿的雾霾天分别都只发生了10天左右。

上海 2009年3月2010年2月。季节性变化的阴霾和非雾霾天

3.2气溶胶消光系数的季节变化

消光系数作为气溶胶光学性质的一个重要的基本参数，消光系数能够反映出大气中气溶胶强迫。因此它的廓线常被用来当做气溶胶的垂直度分布。如图3和图4,低于0.6公里处,气溶胶的消光系数在雾霾时期明显大于非雾霾时期。由图3可知,春天可以达到最大的消光系数值。在雾霾天气中早上9点在0.27km高度处可达到了0.9,在下午3点1.38km处则可达到1.12这是由于灰尘从其他地区运输产生的结果（li et al .,2012)，对于非雾霾期间消光系数则更小甚至于不足不超过0.3公里minus;1。图3 b表明,在夏天阴霾天最大消光系数值在上午9点和12点分别是是0.45公里minus;1 and0.58kmminus;1,约在0.45公里,15时达到0.55公里minus;1、约0.6公里,在18:00点1.08公里处达到每日峰值0.65公里minus;1 。非雾霾天天在春天和夏天,消光系数的四个小时最大值以及消光系数廓线都小于0.3公里——1。尽管夏季的大气对流强烈会导致了消光系数的减少但是其他的气象因素，例如更高的相对湿度，温度和更多的太阳辐射会引起吸湿性粒子的生长和二次气溶胶的形成(He et al，2012年、2016年)都会提高气溶胶消光系数值。.在这些季节中，在秋季，雾霾期的消光系数相对较小。除了在18:00时0.3公里左右,大约0.6公里minus;1。相比春季和夏季的概况，秋季最大消光系数的高度较低，在阴霾期间和非雾霾期间均低于0.6公里。(图4) 对于所有的季节，冬天雾霾期间中消光系数较大的一个季节。,在雾霾期间12:00,15:00,18:00最大值的0.8km_1以及非雾霾期间消光系数的最大值都低于0.5公里(如图4 a,b)这可能是由于低大气混合层高度和滞留空气(Fengetal,2014)导致气溶胶更容易积累在地表附近。此外，在雾霾期间，气溶胶的最大消光系数的季节变化是:春天(1.1178公里minus;1)，冬天(0.8765公里minus;1)，夏天(0.628公里-1)，秋天(0.6035公里minus;1)。与此相反，非雾霾期间最大的消光值在这四个季节都比雾霾期间小得多,在冬季最高达(0.5581公里minus;1)和相对较低的秋天达到(0.3753公里minus;1),春天(0.2911公里-1)和夏天(0.2756公里minus;1)。

3.3 AOD的季节变化

表1 - 2和图5 – 6表明从2009年3月到2010年2月大气气溶胶在雾霾期间不同高度上的A0D季节性变化。AOD1、AOD3 AOD6分别是是气溶胶消光系数从0到1公里,0到3公里,0到6公里分别的集合。大气气溶胶的季节平均比率从0到1公里,0到6公里ha在阴霾期间为64%，非雾霾期间为44%,而0到3公里处haze-fr阴霾期间为81%非雾霾期间为58%,这表明在非雾霾期间地面周围气溶胶更少。四个季节中非雾霾期间的AOD平均值远小于雾霾期间。当雾霾发生时，AOD的最大值是在春天，这是由于受到了北方的灰尘的影响(PM 10达到了100.8mu;g /米3)。AOD的第二个最大值是在冬季，这是由于化石燃料燃烧，车辆，生物-的累积效应造成的以及生物质的燃烧和其他人类活动也可造成;PM10,PM2.5,和PM1达到109.3mu;g /米3,75.1mu;g /米3,分别和60.0mu;g/m3. 秋天的AOD比春天和冬天的都要低，但仍然夏天更高,PM10为90.2mu;g /米3。比较这两幅图我们可以得出结论0到1千米处

0.12是阴霾期和非雾霾期间之间的划分线。

根据结果显示，低层大气中有更多的悬浮颗粒，可能是因为上海是一个拥有众多工业的大都市。人类的活动导致了颗粒物的人为排放，并增加了气溶胶的消光系数。此外，随着城市建设的发展。再者城市中高楼大厦的数量逐渐增加了，减少了通风性，使气溶胶在大气中聚集，造成严重的空气污染，导致了高气溶胶浓度的产生，并增加了气溶胶的消光系数。

3.4霾害的主要影响因素

上海地区频繁出现的雾霾是边界层高度、风向、风速和相对湿度等气象要素所影响的。以下是对这些因素的进一步讨论。

3.4.1雾霾和颗粒物

图7显示了从2009年3月到2010年2月PM1，PM2.5,和PM10在四季中早上9.00为最高。还有一个是除去夏季的18.00也能达到高值。这是因为此时是汽车废气排放的高峰期。在春天和冬天有一个峰值出现在14:00-15:00气溶胶不仅受到排放的影响,而且还受到粒子进化过程和大气条件的影响(Cheng et

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[28324]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word