南京地区冬季大气冰核特征及其与气溶胶关系的研究

2011年11月15日～12月2日期间对南京地区近地面大气气溶胶和冰核进行了同步观测,综合分析了 冰核浓度的特征及其与气溶胶粒子浓度的关系。结果表明:活化温度T_a为-20℃,水面过饱和度为1%时,南京地区冰核浓度N_IN为0.352 L-1,与0.01～10 μm气溶胶数浓度比值仅为4×10-8。冰核活化温度越低,湿度越大,冰核浓度越高。雾和降雨对冰核都有明显的清除作用。对比不同气团对南京地区冰核的影响发现,偏东方向的污染气团中冰核以及气溶胶的浓度最高,但是来自西北地区的气团中冰核占气溶胶的比例最高,这可能是由于冰相核化能力较强的沙尘气溶胶导致的。分析冰核与不同粒径段气溶胶的相关性发现,较大粒径气溶胶的表面积浓度与冰核相关性更高,本文也得到了由活化温度T_a和粒径大于0.5 μm气溶胶数浓度N_{0.5～10 μm}共同计算冰核浓度的经验公式。     

南京冬季持续性强浓雾天气中三级分档雾水的理化特性分析

2013年12月7—9日南京出现持续性强浓雾天气过程。利用观测试验中获取的三级分档雾水和分粒径气溶胶的水溶性离子浓度,气溶胶数浓度谱、雾滴谱以及自动气象站获取的气象要素等资料,通过对比研究浓雾过程中4—16 μm（3级）、16—22 μm（2级）、>22 μm（1级）3个粒径范围雾滴（雾水）与分粒径气溶胶的微物理特征和化学特性,探讨不同粒径气溶胶粒子吸湿增长对雾滴的贡献以及气溶胶离子组分对不同尺度雾滴化学性质的影响。结果表明,在强浓雾天气中,能见度为50 m左右,短波辐射减弱形成稳定逆温层,有助于污染气溶胶的累积并吸湿增长向雾滴转化。雾滴的增加主要集中在小滴范围, 直径在0.5—1 μm的气溶胶粒子对其贡献最大。各粒径段气溶胶中阴离子NO₃-和SO₄2-均表现出较高值,阳离子中Ca2+浓度最高。三档雾水中各阴、阳离子浓度均在4—16 μm小滴雾水中最高,16—22 μm中滴雾水和>22 μm大滴雾水的阴、阳离子浓度没有明显的高低之分。阳离子中Ca2+的浓度在第1级小滴雾水中最高,2级和3级雾水中NH₄+的浓度最高,阴离子中NO₃-和SO₄2-在各级雾水中浓度相差不大。雾水pH值2.7—6.9,呈酸性,小雾滴酸性更强。      

利用MODIS资料监测京津冀地区近地面PM2.5方法研究

为建立京津冀地区冬季近地面细颗粒物浓度监测方法模型,利用气象模式资料对2013年1-3月MODIS的AOD二级深蓝算法产品进行湿度和垂直订正,与同期观测的地面细颗粒物PM_2.5资料进行相关分析。结果表明：AQUA的MODIS深蓝算法AOD产品更适用于建立冬季AOD-PM2.5遥感监测模型,其R²为0.33;以气象模式资料中边界层高度代替气溶胶标高对MODIS的AOD进行垂直订正,并结合IMPROVE观测的气溶胶吸湿增长特征构建分区湿度订正方法,可以提高AOD-PM_2.5模型结果的精度,建立较为理想的京津冀地区冬季遥感反演综合模型,模型结果与地面监测结果R²达0.5以上。根据建立的模型计算了2013年1-3月的京津冀地区PM_2.5月平均浓度,京津冀地区1月的PM_2.5浓度较高,南部大部分地区空气质量已经达到重度污染水平。     

北京PM1中的化学组成及其控制对策思考

通过分析北京城区2007年夏季和秋季、2008年冬季和春季4个季节PM₁中硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物和黑碳等气溶胶化学组成,结合对我国及全球主要区域PM₁₀中上述气溶胶组分及矿物气溶胶组成的评估,发现因受干旱区产生的沙尘和城市逸散性粉尘的共同影响,整个亚洲大陆,尤其是我国的矿物气溶胶浓度与欧美国家城市区域气溶胶总和的平均值相当或更高。我国在重视控制PM_2.5等细粒子污染的同时,不应忽视对PM_2.5~PM₁₀之间粗粒子的控制力度;北京城区春、夏、秋、冬的PM₁平均质量浓度分别约为94,74,66 μg·m-3和91 μg·m-3,全年平均约为81 μg·m-3,其中有机物气溶胶约占41%,硫酸盐占16%,硝酸盐占13%,铵盐占8%,黑碳和氯化物分别占11%和3%,细矿物气溶胶约贡献7%。对于PM_2.5污染的控制,关键是消减PM₁中主要气溶胶粒子的排放与转化,其中对有机物的控制更为重要,尽管对于北京而言进一步污染控制的难度已经很大。从科学上来说,即使我国的控制措施能百分之百实现,也很难稳定地达到欧美国家的空气质量水平,因为我国本底矿物气溶胶的浓度较高。应进一步评估各项控制措施的适用性,并制定考虑我国人群健康状况的PM_2.5空气质量标准。     

气象-气溶胶资料联合同化对秋季PM2.5浓度模拟的影响研究

相比冬季大范围静稳条件下的污染堆积过程,秋季气象条件更加复杂和局地化,气象条件模拟不确定性给秋季气溶胶模拟带来了更大难度,且目前研究较少考虑气象-气溶胶因素在线模拟和联合同化。使用WRF/Chem模式和格点统计差值（GSI）三维变分同化系统,2015年10月进行了为期1个月的气象-气溶胶资料联合同化及模拟试验,并基于此讨论了气象-气溶胶资料联合同化对秋季PM_2.5浓度模拟的影响。结果表明,WRF/Chem模式可以模拟出秋季污染天气过程,但对华北平原和中东部地区存在高估、西北部存在低估现象;同化地面PM_2.5浓度观测资料可以改进对PM_2.5浓度的模拟,上述两个地区的偏差均得到订正,6 h预报偏差均降低至6 μg/m3以内;重点针对华北地区的分析表明,秋季PM_2.5污染过程与特殊气象条件（湿度升高、风场辐合、区域输送）密切相关,因此在地面PM_2.5观测资料同化基础上增加常规气象资料同化,能进一步提高对华北平原气象-污染过程的表达,PM_2.5浓度预报相关系数从0.86提高至0.89。气象-气溶胶联合资料同化能更加准确地模拟秋季气溶胶污染过程,为更好地开展污染成因和在气象预报框架下开展气象-气溶胶相互影响研究提供了基础。      

2010年秋季鞍山气溶胶光学特征变化

利用2010年9-11月鞍山大气成分监测站CE-318太阳光度计观测资料,依据气溶胶光学厚度测量原理,计算得到2010年鞍山秋季大气气溶胶光学厚度、波长指数等大气光学特性数据,通过统计分析,给出鞍山秋季气溶胶光学特性分布特征。结果表明：随着测量AOD波段的降低,AOD值逐渐增大,9月的AOD平均值最大,10月AOD平均值次之,11月AOD平均值最小。从频率分布看,2010年9月 AOD日均值集中分布在0.4-0.6之间,10月和11月AOD日均值集中分布在0.0-0.4之间,表明10-11月大气较为清洁|波长指数日均值的频率分布说明鞍山秋季大气污染物以细粒子为主。500 nm 的AOD值与波长指数成对数关系,两者在9、10月和11月的相关系数分别为0.5145、0.8412和0.2715;9月AOD与PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度为较小负相关,10月和11月AOD与PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度成正相关,且10、11月AOD与气溶胶细粒子相关性较为显著。AOD值与能见度在趋势上呈较小的负相关性,可能是由于高层气溶胶粒子对气溶胶光学厚度产生了主要影响。     

北京等地对流层低层晴天气溶胶微物理特征

1982年4—7月对北京等地对流层低层晴天气溶胶数浓度、尺度谱分布进行了飞机观测。结果表明:来自西、西北和北部气团的气溶胶数浓度相当低（平均为10-1—100 /厘米3）。尺度谱分布用dn/dD=C/DA拟合，相关显著水平α≤0.01，幂指数A值多小于3（占总数73%以上），比Junge给出的A=4值小些。鉴于直径D=0.5—2微米粒子在大气中的重要性，也按dn/dD=C′/DB进行拟合，多数测值α≤0.01，少数α≤0.05。幂指数A、B和D=0.5—1微米粒子相对数浓度f1在水平、垂直方向上是相当均匀稳定的。受城市影响时，混合层内气溶胶数浓度明显增大，尺度谱分布斜率变陡（A、B增大），特别是和“气-粒”转化有关的D=1微米左右粒子数浓度增加非常显著，比不受城市影响时，增加了1—2个量级，最大可增加3个量级。可见，城市影响是造成混合层气溶胶数浓度增大、尺度谱分布变陡、局地大气污染加重、低层能见度变坏的重要原因。     

长三角工业区夏季近地层臭氧和颗粒物污染相互关系研究

利用2013年5月15日到8月31日南京江北工业区（长三角典型工业区）同步的观测资料分析了近地层臭氧（O₃）和细颗粒物（PM_2.5）、气溶胶光学厚度（AOD）的变化特征及相互间的关系,并结合光化学箱模式分析了AOD对近地层O₃生成的影响。结果表明,观测期间PM_2.5平均质量浓度为56.2±20.1 μg m-3;AOD（500 nm）均值为1.4±0.9;波长指数α（440~870 nm）均值为1.0±0.3。PM_2.5质量浓度24 h均值超国家二级标准20.2%,超标时AOD均值增加14.7%,α平均值增加23.9%,O₃体积分数均值减少12.3%。O₃超国家二级标准10.1%,超标时段AOD增加34.9%,α变化不显著。高温低湿条件下,O₃日变化峰值（y）和PM_2.5质量浓度（x）存在较高的线性相关。相对湿度＜60%时,两者拟合曲线为y＝0.97x+43.96（拟合度R2=0.60）,温度＞32°C时,两者拟合方程为y＝1.24x+30.61（R2＝0.64）。夏季长三角工业区呈现高浓度O₃与高浓度PM_2.5叠加的大气复合污染。O₃日变化峰值和AOD变化呈显著负相关。模拟结果显示,O₃日变化峰值（y）和AOD（x）呈现极高的负相关[y＝－34.28x+181.62,R2 = 0.93或y＝220.62·exp (－x/3.17)－19.50,R2＝0.99]。     

基于能见度数据分析的气溶胶吸湿增长特征研究

基于相对湿度、能见度等气象数据,分析气溶胶吸湿增长特性,有助于了解气溶胶对大气环境和区域气候的影响。利用南京地区2016年1—12月、2017年2—12月、2018年1—8月和12月相对湿度和能见度等数据,通过非线性拟合研究气溶胶吸湿增长因子(f(RH))与相对湿度(RH)之间的关系。结果表明,吸湿增长因子在RH值较低(<80%)时,增长率较小;当RH值较高(>80%)时,增长率迅速增大。吸湿增长因子随着月RH值变化而表现出较大差异。此外,当南京地区盛行西风时,高能见度出现的时次较多。f(RH)与PM_2.5/PM₁₀成正比,PM_2.5/PM₁₀值越高,对应的气溶胶光学吸湿增长因子往往会越高。     

华北地区一次气溶胶与浅积云微物理特性的飞机观测研究

2014年8月15日,山西省人工降雨防雹办公室在山西忻州开展了气溶胶和浅积云的飞机观测,本文利用机载云物理资料,详细分析了华北地区气溶胶、云凝结核（CCN）和浅积云微物理特性及其相互影响。主要结论有:（1）此次过程的边界层高度约为3600 m,不同层结情况下,0.1～3 μm尺度范围内的气溶胶粒子浓度N_a、有效直径D_a和CCN数浓度的垂直廓线明显不同,近地面N_a可达2500 cm?3。（2）CCN的主要来源为积聚模态、爱根模态或者核模态的气溶胶颗粒,0.2%过饱和度下,气溶胶活化率（AR）在各高度层的结果变化不大;0.4%过饱和度下,AR随着高度增加而降低。（3）后向轨迹模式分析表明,2 km以下的气溶胶主要来自于当地城市排放,由细颗粒污染物组成;2 km以上的气溶胶主要来源于中国西北和蒙古地区的沙漠,由亚微米沙尘组成,溶解度相对较低,可作为潜在的冰核。（4）本文细致分析了两块相邻浅积云（Cu-1和Cu-2）的云物理特性。Cu-1云底高度约4500 m,云厚约600 m,云体松散,夹卷较多;云中液态含水量（LWC）基本保持在0.5 g m?3,云粒子浓度N_c平均值为278.3 cm?3,云滴有效直径D_c整体在15 μm以内;毛毛雨滴粒子浓度最大值为0.002 cm?3,云中几乎无降水粒子;粒子谱宽随着高度增加而增大,主要集中在30 μm以内。Cu-2云底高度约3900 m,云厚约1200 m,云体密实;云中过冷水丰沛,LWC有多个超过1 g m?3的区域,云顶附近出现冰晶,云中粒子从凝结增长状态直接进入到混合相态;积云内部粒子水平分布不均,同一高度N_c相差较大,最大可达1240 cm?3。D_c随着高度增加而增大;粒子谱宽随着高度增加而拓展,最大可达1100 μm,谱型由单峰向多峰转变;降水粒子和冰晶图像大多为霰粒子、针状和板状。     

黑龙江省龙凤山区域大气本底站气溶胶光学特征分析

利用2010—2020年黑龙江省龙凤山区域大气本底站气溶胶光学特性长期观测资料, 分析并探讨了背景地区气溶胶光学厚度、波长指数、单次散射反照率、粒子体积谱分布以及气溶胶直接辐射强迫效应的变化特征。结果表明: 龙凤山区域气溶胶光学厚度最高值出现在7月, 平均值为0.67;最小值出现在12月、1月和2月, 平均值分别为0.17、0.02和0.18;气溶胶光学厚度在17时达到最高值为0.39。气溶胶波长指数在4—5月最低, 平均值分别为1.20和1.21;12月最高, 平均值为1.74;波长指数在12时达到峰值, 为1.44。单次散射反照率最低值分别出现在4月、8月和10月, 平均值分别为0.84、0.82和0.84;气溶胶单次散射反照率在12时出现峰值, 为0.95。龙凤山区域春季气溶胶粗粒子体积分数最高值出现在5月, 为0.04 μm³·μm^-2, 有效半径为3.85 μm; 夏季气溶胶细粒子体积分数最高值出现在7月, 为0.06 μm³·μm^-2, 有效半径为0.19 μm; 秋冬季龙凤山背景地区气溶胶细粒子和粗粒子体积分数均进一步减小。龙凤山区域地面和大气层顶气溶胶直接辐射强迫最高值均出现在7月, 分别为-94.44 W·m^-2和-22.33 W·m^-2。     

2008年北京奥运会期间大气气溶胶物理特征分析

应用MODIS卫星的气溶胶产品资料和地面的光学粒子计数器的资料,对比分析了北京地区2006、2007、2008年7～9月的气溶胶光学厚度、细粒子光学厚度、Angstrom指数、气溶胶粒子数浓度谱及体积谱,发现2008年北京奥运会期间(7月20日～9月20日)的气溶胶光学厚度比2006、2007年同期明显降低,气溶胶细模态光学厚度占总光学厚度的比上升,Angstrom指数上升,气溶胶细粒子数浓度没有明显相对变化,而粗粒子数浓度则减少约50%.利用大气标高,将MODIS反演的气溶胶柱的质量浓度转化为地面气溶胶质量浓度.用粒子计数器得到的体积谱,在假定气溶胶粒子密度的情况下,计算出其质量浓度.将这两种方法得到的气溶胶质量浓度与国家环境保护部公布的空气质量指数换算得到的可吸入颗粒物(PM10)质量浓度进行比较.结果表明:北京奥运期间空气质量总体达到了国家二级空气质量标准;与2006、2007年同期相比,2008年气溶胶PM10质量浓度明显下降,而这主要是由气溶胶粗粒子的减少引起的.     

中国不同地区气溶胶消光特性分析

利用多波段太阳光度计在中国四个点（北京的密云，广东的新丰，青海的瓦里关，西藏的当雄）观测了４５０—９００ ｕｍ范围中多波长气溶胶光学厚度和Ａｎｇｓｔｒｏｍ指数。本文分析了这些参数从１９９８年２月到１９９９年１月这一年中的特点。结果表明，在干旱和半干旱地区，如密云（１７．１２°Ｅ，４０．６５°Ｎ）和瓦里关（１００．９０°Ｅ，３６．２９°Ｎ），春季出现气溶胶光学厚度的最大值，大约是其它季节的２倍。在湿润地区，如新丰（１１４．２°Ｅ，２４．５°Ｎ），虽然春季气溶胶光学厚度值也是最大，但只是比其它季节稍微大一些 瓦里关春季的Ａｎｇｓｔｒｏｍ指数有最小值，约０．１５，表明有比较大的粒子、密云和新丰的Ａｎｇｓｔｒｏｍ指数也有很大的月际变化。但没有明显的季节倾向。这表明，气溶胶的源比较复杂。     

Investigation of aerosol optical properties in Bangkok and suburbs

Aerosol optical depth and Angstrom coefficients for three sites in Bangkok and suburbs are examined: Silpakorn University at Nakhon Pathom, NP (13.82°N, 100.04°E), the Asian Institute of Technology at Phatum Thani, AIT (14.08°N, 100.62°E) and the Thai Meteorological Department at Bangkok, BK (13.73°N, 100.57°E). Sunphotometers have been used to measure direct normal spectral irradiance at these sites for a period of 2 years (2004–2005). Cloudless conditions were selected and Bouguer’s law was employed to obtain aerosol optical depth. All three sites exhibit strong seasonal variations, with the highest values occurring at the height of the dry season in April, and the lowest occurring during the rainy season in July. April turbidity conditions are very high, as evidenced by maximum 500 nm optical depths of between 1.4 to 2.0 that were measured at all three locations. The Angstrom exponent α also showed a marked seasonal change, with highest values at the height of the dry season.     

Broadband extinction method to determine atmospheric aerosol optical properties

The equivalent wavelength ( λ _E), at which the aerosol optical depth (AOD) is equal to broadband AOD (BAOD), can change in a wide range from 0.619 μm to 1.575 μm in the usual aerosol conditions. By using the least squares technique and some empirical corrections, a parameterized relationship of λ _E with BAOD, Ångström wavelength exponent ( α ), solar zenith angle ( θ ₀) and H₂O amount is developed. Using this relationship, and based on the strong sensitivity of BAOD on θ ₀ when θ ₀>70°, the broadband extinction method to derive the spectral AOD and α is further proposed. As shown in comparative simulations to retrieve AOD by the present, Molineaux et al. and Gueymard methods, the present method has the best accuracy in most simulations using Junge, MODTRAN, log‐normal and Deirmendjian aerosol models. A key question of the pyrheliometer method to determine wavelength-dependent AODs is the effect of uncertainty in the aerosol size istribution. It is found that the AOD solution around λ _E is less sensitive to the uncertainty. The wavelength exponent α is derived using an assumption of the stable atmospheric turbidity. If the pyrheliometer data from θ ₀=85° to 70° are used and the change of the turbidity is ±10%, the error of solution α is usually within ±0.32. If the variation of the turbidity is random, the mean value of a lot of the measurements of α would be very reasonable.     

Some features of winter aerosol and water vapor characteristics over Agra, a semi-arid location in India

Reported in this article are the results of the analysis of extensive observations of aerosol optical, micro-physical characteristics, and precipitable water content (PWC) that have been carried out using compact, multi-band solar radiometers, over a semi-arid station, Agra (27°10′N, 78°05′E, 169 m AMSL) during winter 2004. The aerosol optical depth (AOD), Angstrom wavelength exponent (α), and PWC show, higher values on hazy- and foggy-days and lower values on clear-days. The turbidity coefficient (β) shows higher values for smaller values of α and vice versa. The aerosol size spectra exhibit bi-modal distribution with abundance of accumulation-mode particles during fog and haze occasions, and relatively coarse-mode particles on clear-days. The above features have been explained with co-located PWC and surface-level meteorological parameters. The NOAA HYSPLIT five-day back trajectories indicate the influence of trans-boundary pollution transport over the experimental station during the study period.     

Measurements of aerosol optical depth above 3570 m asl in the North Atlantic free troposphere: results from ACE‐2

As part of the 2nd A erosol C haracterisation E xperiment (ACE‐2), conducted during summer 1997 in the North Atlantic region between the Canary Islands and Portugal, we measured aerosol optical depths (AOD) at a mid‐tropospheric site, near the top of the volcanic mountain "El Teide"(28°16'N, 16°36' W, 3570 m asl). Our instrument was located at the highest altitude in a network of sunphotometers that extended down to sea level. Clear conditions dominated the ACE‐2 period, and, although suggested by back‐trajectories at 300 hPa, no evidence of anthropogenic pollution was found in our data. Three distinct dust episodes were observed. Vertical soundings and back trajectories suggested mineral dust from the Sahel region as a source. During these episodes, AOD increased an order of magnitude with respect to background conditions (from 0.017 up to 0.19 at λ=500 nm). A shift towards neutrality of the extinction spectral dependence (Ångstrom exponent α down to 0.13), indicated that the coarse mode (particle diameter >2 μm) dominated the aerosol size distribution. For 6 days during the episodes of mineral dust, a monomodal size distribution between 2 and 20 μm diameter was obtained from Mie based size distribution calculations. Estimates, at 500 nm, of the single scattering albedo ω₀(0.87–0.96), and the aerosol asymmetry parameter g (0.72–0.73) suggest that the dust layer causes a net cooling forcing at the top of the atmosphere.     

Spectral aerosol optical depth and Angstrom parameters in the polluted Athens atmosphere

Summary Using ground-based spectral solar extinction data taken in the Athens atmosphere during a field survey, experimental and modeled aerosol optical depths AOD have been retrieved. The Angstrom parameters α and β were derived through spectral extinction curves determined from a log–log plot fit in four spectral intervals, e.g. UV, VIS, UV-VIS and VIS-NIR. The results reveal that exponent α derived in the shorter wavebands, is correlated with β; in the VIS-NIR range the correlation is weaker, however. It has also found that α does not depend on the Angstrom law fits, while β does. Retrieved experimental AOD obtained at longer wavelengths exhibits a daily pattern similar to turbidity β; by contrast, AOD at shorter wavelengths follows the temporal variation of α.     

生物质燃烧输送对青藏高原气溶胶光学辐射特性的影响研究

利用青藏高原拉萨(Lhasa)和珠峰(QOMS_CAS)站点地基CE 318太阳光度计观测数据，研究了2012年4月2日至4月5日一次生物质燃烧输送对青藏高原气溶胶光学和辐射特性的影响；并结合卫星遥感产品以及后向轨迹模式分析了本次生物质燃烧输送的可能来源。结果表明：本次气溶胶污染期间Lhasa和QOMS_CAS站点的主要气溶胶类型变为生物质燃烧气溶胶，气溶胶粒子的消光性增大(气溶胶光学厚度(AOD)增大，Lhasa和QOMS_CAS站点AOD最大值分别为0.4和0.29)，尺度减小(消光波长指数(EAE)>1.5)，吸收性增大(吸收波长指数(AAE)>1.3)，细模态粒子体积浓度增大，而细模态粒子峰值半径减小。气溶胶辐射强迫表明此次输送过程使得Lhasa和QOMS_CAS站点的气溶胶对大气顶和地表的降温作用增强，对大气的增温作用也增强。生物质燃烧输送的可能来源为南亚的印度东北部，尼泊尔与不丹地区。