烏魯木齊冬季氣溶膠散射吸收特性

魏 疆，陳學剛，任 泉，張克磊

1．新疆大學資源與環境學院，新疆 烏魯木齊 830046

2．新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054

3．新疆烏魯木齊市天山區氣象局，新疆 烏魯木齊 830002

4．新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052

大氣氣溶膠是由液態、固態微粒與氣體共同組成的多相體系，粒徑通常為 10－3～102μm［1］，具有時空變化大的特性。在清潔的大氣環境中，氣溶膠的質量濃度在1 μg/m3以下，在城市污染大氣環境中，氣溶膠質量濃度可達每立方米幾毫克［2］。研究表明，氣溶膠能夠較真實地反映環境空氣質量，能整體反映顆粒物和氣態污染物的綜合水平［3］。

氣溶膠的光化學性質主要是通過散射和吸收系數來體現，污染的空氣中氣溶膠對光的散射及吸收具有突出的作用，從而影響能見度［4-5］。對能見度的影響主要取決于氣溶膠的消光系數，氣溶膠通過對光的散射和吸收過程削弱光的能量，兩者的消光作用可以疊加，得出消光作用等于吸光系數加散射系數［6］。從日變化來看，氣溶膠散射系數呈現雙峰型規律，且與污染物濃度變化規律一致，就同一地區而言，氣溶膠的光化學性質呈現出隨高度增加而遞減的特性［7］。黃世鴻等對中國23個地區氣溶膠的吸收系數進行了測量，得出中國邊界層氣溶膠的吸收系數為1～1 000 Mm－1，并呈現出明顯的北高南低的趨勢［8］。

烏魯木齊市屬典型的河谷型城市，其三面環山的地理位置，以煤為主要的能源結構及特殊的氣象條件，產生了嚴重大氣環境污染問題，尤其是冬季，耗煤量的增加使環境污染進一步加劇，嚴重地影響了城市的發展和人的身體健康［9］。能見度的下降導致航班延誤、交通受阻等一系列的社會問題，整個城市被上空的污染物籠罩?？蒲腥藛T針對烏魯木齊市的大氣污染做了大量科研工作，李霞等對烏魯木齊大氣氣溶膠的光化學特性進行分析表明：冬季氣溶膠數值最大，日變化幅度也最大;氣溶膠光學厚度與大氣污染物具有相同的變化趨勢［10-11］。但就氣溶膠對光的散射系數、吸收系數等問題尚未見報道。

為能客觀地反映烏魯木齊市冬季氣溶膠的消光作用，在城市不同區域使用積分式渾濁度儀對氣溶膠散射系數、吸收系數進行了觀測，并結合同時段的氣象資料探討烏魯木齊市冬季大氣氣溶膠散射和吸收系數變化特征，以期能客觀地反映烏魯木齊市冬季大氣污染的變化規律。

1 實驗部分

使用美國的M3563積分式渾濁度儀，在市中區(43°49'N，87°34'E)和市北區(43°52'N，87°33'E)布設氣溶膠散射系數、吸收系數的監測點。儀器設計原理是 Beer消光定理［10］，分辨率為5 ×10－8m－1，儀器的積分時間為60 s，體積吸收系數(簡稱吸收系數)和體積散射系數(簡稱散射系數)單位為Mm－1。監測時段為2012年1月10—15日。氣象資料選取區域內氣象站逐時風速和相對濕度觀測資料 (43°47'N，87°39'E)。為便于與同時段的氣象數據對比分析，分析使用小時均值。

2 結果與分析

2.1 散射系數日變化特征

市中區和市北區的散射系數曲線呈現出相同的變化趨勢，整體呈雙峰雙谷，即“W”型(圖1)。由圖1可見，市中區散射系數整體高于市北區散射系數。0：00—4：00在(1 100±100)Mm－1范圍內波動，走勢并不明顯;自4：00開始快速下降，到6：00降至全天的第一個谷值，分別為850 Mm－1和800 Mm－1，隨后開始快速上升，13：00達到全天的最大峰值 1 240 Mm－1和 1 180 Mm－1，再次出現快速回落，在17：00前后出現全天的最低谷值分別為800 Mm－1和690 Mm－1，然后再次回升，在23：00前后再次出現峰值，分別為1 250 Mm－1和1 000 Mm－1。之后波幅不大，直至次日凌晨。

圖1 市中區、市北區散射系數日變化趨勢

2.2 吸收系數日變化特征

市中區和市北區吸收系數曲線同散射系數曲線相似，呈現出相同的變化趨勢，市中區的吸收系數高于市北區，總趨勢呈“W”型(圖2)。

圖2 市中區、市北區吸收系數日變化趨勢

從圖2可見：0：00后兩者的吸收系數開始下降，至6：00到第一個谷值(分別為55 Mm－1和53 Mm－1);隨后開始拉升，市中區的吸收系數明顯大于市北區，到10：00達到第一個峰值(分別為97 Mm－1和80 Mm－1);繼而開始回落，市中區和市北區分別在15：00和17：00降至第二個谷值(分別為65 Mm－1和48 Mm－1);然后再次拉升，在21：00和22：00分別達到各自的第二個峰值(分別為108 Mm－1和85 Mm－1)。

2.3 散射系數和吸收系數變化特征分析

由市中區和市北區的散射系數和吸收系數均呈現出相同的變化趨勢(圖1、圖2)可以推斷，2個區域的污染物構成相同。這與烏魯木齊市的大氣污染主要是由本地源排放導致相符［12］。曲線的周期性呈現出散射系數滯后于吸收系數2 h左右。從數值上看，冬季氣溶膠對光的散射作用遠遠大于吸收作用，均在10倍以上，甚至達到15～16倍。說明冬季氣溶膠的消光作用主要以散射為主。從曲線走勢來看，無論是散射還是吸收系數，均表現出市中區高于市北區的態勢。

2.4 相對濕度對散射系數和吸收系數的影響

烏魯木齊市冬季大氣相對濕度較高，觀測期間的相對濕度為66% ～78%，且相對濕度大于75%的數值占到了七成以上，詳見圖3、圖4。

圖3 散射系數與相對濕度的關系

圖4 吸收系數與相對濕度的關系

0：00—10：00散射系數、吸收系數完成第一個“V”的波動時，相對濕度變化幅度很小，僅為1%;10：00相對濕度開始下降，14：00降至最低點，散射系數表現出繼續上升而后下降，滯后期為3 h左右，吸收系數隨相對濕度同步降低，但到達谷值同樣滯后約為3 h;而后散射系數、吸收系數和相對濕度均開始升高，但均呈現出滯后的現象。通過相關性檢驗可以看出，散射系數、吸收系數與相對濕度不具有顯著相關性(表1)，說明此時段相對濕度對散射系數、吸收系數的影響是有限的。

表1 氣溶膠散射系數、吸收系數與相對濕度和風速的相關系數

2.5 風速對散射系數、吸收系數的影響

在相對濕度大于66%的情況下，風速對散射系數、吸收系數有較強的影響(圖5、圖6)。夜間風速較小，對散射系數、吸收系數的影響不明顯;黎明前后風速雖有小的波動，但仍未能對散射系數、吸收系數起到較明顯的作用，正午12：00風速開始增強，散射系數、吸收系數呈現出明顯的下降趨勢;17：00前后出現最大風速，散射系數、吸收系數均降至最低點;隨后風速減弱，散射系數、吸收系數開始增加。從變化趨勢來看，市北區的散射系數、吸收系數受風的影響均大于市中區的監測點位。

圖5 散射系數與風速的關系

圖6 吸收系數與風速的關系

2.6 散射系數、吸收系數變化的綜合分析

由前面的分析可以看出，0：00—11：00相對濕度和風速的變化相對較小，而散射系數、吸收系數卻出現“V”型的變化，這與人類活動和逆溫層的變化有著密切的關系，冬季夜間逆溫層相對較穩定，污染物質不易擴散［13］，0：00—6：00隨著人類活動的減少，供熱消耗的原煤逐漸降低;6：00—11：00逆溫層開始減弱，供熱原煤的消耗開始增加，人類的其他生產生活活動也逐步增加，導致污染物的排放量增加，散射系數、吸收系數陡然上升，并在正午時分達到最大值。12：00—24：00散射系數、吸收系數曲線出現了第二次“V”型變化趨勢;12：00—17：00是全天逆溫層厚度最低的時候，同時由于環境溫度的上升，供熱耗煤開始降低，使污染物質的排放減少，加上相對濕度降低，不利于大氣環境中形成大的顆粒物，此時段風速的增加加速了污染物的擴散，使散射系數、吸收系數降至全天的最低點;17：00—24：00上述客觀條件發生逆轉，使散射系數、吸收系數再次爬升，并在24：00前后達到第二個峰值。散射系數、吸收系數的變化規律與烏魯木齊市主要污染物的變化特征相符［14］。說明散射系數、吸收系數能很好地反映烏魯木齊市的大氣污染狀況。

市中區散射系數、吸收系數均大于市北區，主要是因為市中區的開發強度大于市北區，能源消耗比較集中，同時城市南面的污染物可能向市中區擴散，使市中區的污染物濃度增加［15］。其次，市北區相對海拔高度較低，受冬季城北偏北風的影響，污染物隨氣流在向市中區運動過程中，水汽凝結，在相對穩定的大氣環境下，造成市中區的污染進一步加?。?6］。這正好解釋了市北區散射系數、吸收系數與風速的相關性明顯大于市中區的結果。

3 討論

散射系數、吸收系數曲線呈“W”型，且峰值分別出現在0：00和12：00前后，與相關文獻的研究結果一致［3，5，7］。散射系數、吸收系數大于黃世鴻等［8］所觀測的北方地區的值(約1 000 Mm－1)，但遠小于胡波等［2］在蘭州市西固區所測的散射系數(3 300 Mm－1)瞬時值，因為該文采用的觀測值是冬季污染最嚴重時段的小時均值，這樣既規避了瞬時值的干擾，又能比較準確地反映污染狀況。散射系數大于吸收系數，這與陳宇等［17］研究南京北郊的結果相符，但程度遠大于其2～3倍的論述，說明不同地區氣溶膠的光化學性質有著較大的差異。烏魯木齊冬季氣溶膠的消光作用主要是由散射引起的，這與冬季相對濕度較大易形成大的顆粒物質(成分主要以硫酸鹽、硝酸鹽和有機碳等為主)有關［18］。

相對濕度對散射系數、吸收系數影響較小，不具有顯著相關性，與相對濕度增大對散射系數、吸收系數有明顯影響的結論不符［19］，可能是監測時段相對濕度變化幅度較小，而污染物排放量和逆溫層厚度以及風速等其他因素的變化對散射系數、吸收系數產生的影響，掩蓋了相對濕度產生的作用。風速與散射系數、吸收系數具有顯著的負相關性，與前人的研究一致［7，17］。說明風速的增加直接影響對氣溶膠粒子的擴散速度，使局地高濃度的氣溶膠快速擴散，同時與清潔的氣團混合，降低氣溶膠的濃度，最后影響散射系數、吸收系數的下降。

4 結論

烏魯木齊市冬季大氣氣溶膠的散射系數、吸收系數呈“W”型的變化趨勢，峰值分別出現在0：00和12：00前后，谷值在5：00和17：00前后，這與人類活動對能源消耗規律有關，同時又與大氣邊界層層結的日變化及大氣湍流活動規律有關。

散射系數、吸收系數的日變化趨勢基本相同，散射系數是吸收系數的10倍以上，說明大氣中的消光作用主要以散射消光為主。

冬季相對濕度持續較高對散射系數、吸收系數的影響并不顯著，而風速與散射系數、吸收系數呈現出顯著的負相關性，主要是因為風加快了粒子的水平運動，對污染物的擴散具有積極的作用。

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