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重度霾条件下，北京地区气溶胶光学特性

作者： Huizheng Che.Xiangao Xia.Jim Zhu.Hong Wang.Yaqiang Wang.Junying Sun.Xiaoye Zhang.Guangyu Shi

摘要：

2013年1月，几个严重的灰霾污染事件在中国北方地区发生。 太阳光度计测在北京（中国社科院的城市网站气象科学-CAMS），从1到2013年1月30号被用来研究气溶胶的详细变化光学性质。结果发现，埃指数分别为主要是比0.80大时，气溶胶光学厚度值比0.60高出北京的一月份城市地区2013年气溶胶光学厚度（AOD）在城市地区北京可以在约0.40阴霾之前保持稳定发生再急剧上升到超过1.50500nm的霾的发作，这表明细模式AOD是粗模式AOD的20倍期间严重的灰霾污染事件。单散射反照率是约0.90plusmn;0.03，在440，675，870和1020纳米的在灰霾污染时期。单散射反照率在440nm处作为细模式分数的函数是厘清tively一致的，但它是充满变数的675，870和1020纳米。除了在1月12日和18日，所有的精模粒子体积较粗颗粒的直径，这表明，从人为的活动细颗粒关系取得了大部分的阴霾。气溶胶类型分类分析结果表明，占主导地位的气雾剂类型可以是“单一型”也可以是“混合”和“城市/工业（U / I）和生物团燃烧（BB）”

关键词 气溶胶光学特性 阴霾 中国

介绍

气溶胶粒子可导致直接和间接影响地球上的气候（Hansen等人1997; Ramanathan等人，2001年）。它们可能导致其他环境问题（沃森2005年）。据推测，气溶胶颗粒可能有助于全球和区域调光（车等。 2005年;梁和2005年夏）和区域的变化沉淀（梅农等人，2002），可见性和空气质量（Xu等人2002; Wang等人。2010年），等等。此外，气溶胶粒子尤其是细颗粒物（PM2.5）与有毒物质以及可进入到物理呼吸系统和血液循环这将影响到人体健康（Pope等人，1995）。在中国像长三角，南中国东部像珠三角（王和克里斯托弗2003年）和在京津冀（北京，天津，河北）区，空气污染一直是一个特别严重的问题（徐等人。2005年;丁等。 2008张等人。 2013）。近年来在京津冀地区出现了关于气溶胶以上的光学性能丰富的研究（Cheng等2008;车等。 2008年，2009年a; Fan等人。 2009年），这导致了人们对于气溶胶性能有全面的了解（车等，2014年）。北京，作为中国的首都，经历了快速发展和在人口折痕，已导致相应增加机动车和能量的数量消费。北京的气氛的特征在于全年重人为气溶胶装载和春暖花开的季节。 本研究的目的是使用基于地面的太阳光度计测量调查的详细opti-气溶胶CAL特性，如气溶胶光学厚度（AOD），埃指数，单次散射反照率。这项研究将帮助验证阴霾模拟结果，让管理人员更好地控制它未来。AOD的特点和北京在城市和农村地区的埃指数2013年元月进行分析。气溶胶单次散射反照率，粒度分布，AOD和气溶胶的混合物类型北京的城市面积的颗粒进行了讨论。

网站说明和仪器仪表

Cimel光度计物上的顶部安装在2007年5月中国气象科学研究院（CAMS，116.317 E，39.933ntilde;105米）的北城区北京（图1）来测量的城市的光学特性气溶胶。用于Cimel电子展览会CE318太阳光度计这项研究有八个频道，其中包括1,640; 1020; 870;670; 500; 440; 380和340纳米，940纳米水蒸气用的观点1.2°全场通道（Holben等，1998）测量在1,640; 1020; 870; 670; 500; 440; 380和340nm处可用于检索的AOD，和测量在940纳米量化的总降水量含水量厘米。与气溶胶相关的总不确定度光学厚度约为0.01-0.02（埃克等人1999年。车等。 2009年b）。从CAMS在这项研究中的AOD数据是利用Cimel有限公司提供的ASTPwin软件计算有限公司（车等。2009年b）。这个软件是用来计算等级1.0 AOD（原始结果无云筛查），1.5级根据斯米尔诺夫的工作AOD和440之间的埃指数870纳米。该光度计还可以检测天空辐照太阳能440，675，870和1020纳米的1.2°全领域。这些天空亮度数据，预定义以规则的时间间隔。测量的Cimel光度计在440，675，870和1020纳米的用于检索气溶胶光学厚度（Dubovik等人，2000）。气雾剂的粒度分布，折射率和单次散射反照率（omega;）通过使用两种天空亮度almucantar检索测量和阳光直接测量（Dubovik和王2000）。

Fig. 1 A map showing the study area

结果与讨论

AOD和埃指数在重度霾条件下，分析北京气溶胶光学厚度示于（图 2.）这种表示往往使可解的集群地区为不同的物理定义类型气溶胶（斯米尔诺夫等人2002）。分布在这项研究中AOD和埃指数之间的模式楚地显示了增加的AOD与埃指数。在埃指数与AODgt; 0.60通常比0.80，这表明小颗粒在北京的城市区域的贡献更高。但是，有几种情况下埃指数少于0.40，2014年表明大颗粒为主的城市区域北京这可能贡献的扬尘。风速在1月19日的日平均约2.66米/秒，明显大于1.29米/秒1月18日和0.74米/ s的1月20日。图3比较AOD的水平1.0和1.5上清晰朦胧天（图3a-d）中。在对光谱1AOD的差。1月2日的相对晴朗的日子非常少（图3a）。该水平1.0和1.5之间在AOD差约为0.4％至0.8％为各个波长（图3d）。对于1月28日在朦胧的天，AOD差异也小（图3b），其范围约0.9至5.9％的（图3d）。 1月28日的灰霾主要由当地引起了排放。与此相反，水平1.0和1.5级的AOD1月12日值差异很大（图3c）。该AOD范围为约49.6至在不同波长63.8％长度（图3d）。

1月12日，该AOD保持相对稳定在约0.40之前13:00（LT），然后急剧增加到超过1.50在500nm与发病雾度（图3a）。这种格局表明，污染从本地资源不释放的，但是从相当运北京等地区。的另一个有趣的特点日期是13:00和14:20之间的1AOD及第2AOD的水平1.5有云筛选，而1.0级值分别为原料。该高AOD值不是由云引起的，而是由污染。这意味着，即使水平1.5 AOD是素质普遍较高，但仍然低估了实际的光深度。在未来的研究中，云屏蔽模块可以改进或结合其他的观察，如激光雷达连续辐射测量。图4a-C显示总，和粗略模式AOD由almucantar观察检索。只有AOD以上0.40在440nm值被选择用于分析。对于总的和精细模式AOD效果，AOD值DE-折痕与日益增加的波长。然而，图案粗模AOD不同。该细的比率模式AOD（FMA），以粗模式AOD（CMA）示出在图4D。 FMA对CMA的比率。增加减少荷兰国际集团的波长。在440nm的比大于20：1，这表明在朦胧的细颗粒的主导地位在研究期间在北京的条件。

从图5可以看到的精细模式馏分AOD以固定埃指数随波长增加了细颗粒模式散射光的最有效的波长类似粒度。该AOD精模分数与埃指数少于1.10在所有波长都聚集各地0.85-0.95。有效半径从0.20变化到0.24微米，平均为0.22微米。该结果表明细模式颗粒是负责多数所有波长散射。 AOD的精模分数与埃指数大于1.10显示出其急剧降低作为波长IN-折痕。有效半径从大约0.13变化到0.17微米，平均为0.14微米。该结果表明光散射细颗粒模式是在高波长度相似的粒度，但它不是在敏感较长的波长。

此外，细模式馏分AOD在所有波长也从1.60埃指数下降到1.10，这是主要是由于在细模式颗粒尺寸或差异细模式颗粒的增长。（Reid等人，1999; Eck的等人，2001，2003）。单散射反照率在重度霾特征下，单散射反照率（SSA）的测量该光度计示于图6.平均值omega;的为0.90plusmn;0.03，在440，675，870和1020纳米。1月10日之前，SS在每个波长较少比0.89，这表明所述多吸收显性细模式颗粒。 1月12日，18日，22而28日，SSA在所有波长都比0.92大，这表明精细模式更散射分区克莱斯。这些结果是非常相似的，从AERONET测量过北京（夏等人，2005;埃克等。 2010）。在440高SSA值纳米过程中通常检索污染老龄化和停滞的事件。这一点，加上吸湿增长，引起了极高的AOD水平。在北京更长的波长下SSA值可能是由于吸收粗模式主要从每日排放颗粒吸收;然而，更详细的测量，包括实地观测资料将需要调查这一假设。

平均光谱单次散射反照率和为AOD大小分布

图7a-d中该细模式部分气溶胶光学厚度（FMF）在675纳米已分为四种，0.5-0.6，0.6-0.7，0.8-0.9和0.9-1.0（图7a）。最低FMF为〜0.53，这表明，所有观测到了精细主导在整个测量周期模式的颗粒。最常见的是，FMF 0.80-0.90，其中由50％的总意见。单次散射反照率在440nm的一个函数FMF（图7b）是相对稳定的，但有一个substan-TiAl基变化在675，870和1020纳米。在SSA范围是限制在0.87-0.89的所有值，但最高FMF垃圾桶，这表明这表明这两个粗粒的混合物模式气溶胶（如灰尘）和细型气溶胶（污染）有类似幅度的吸收相对于在散射440纳米波长。对于0.93 FMF斌，无论是总量和精细模式的SSA在675，870和1020 nm的较高（图7b，c）中，这在很大程度上是因为细模式颗粒半径显著较大（〜0.20微米），比其他段（〜0.13-0.14微米），造成了更大的散射效率。增加的精细模粒度可能是因为凝固速度增加作为精细模式AOD（和浓度）增加。

在一个FMF为0.93，在500nm处的平均AOD为1.55，高得多的比为FMF且具有0.65-0.85，其中该AOD在从1.00〜440 nm的变化到0.77。粗模式SSA增大了与波长为每个FMF容器（图7d）。该440纳米的SSA小于0.80，这可能反映增加吸收该波长由于粗模式颗粒。Sokolik和卡通（1999）指出，灰尘吸附性强在紫外和可见光短的波长，但弱在不久的红外波长。观察到的一个可能的原因较大半径在较高FMF可以是有较粗模式飞灰而在活动其他来源占主导地位的高FMF污染和略小粗模式的灰尘颗粒。所述CALIPSO结果（此处未显示）表明，是灰尘或污染的灰尘在北京期间的阴霾期在许多情况下，这使我们推测，从灰尘沙漠上可能有助于气溶胶成分北京除了人为activ-污染伊蒂埃斯（埃克等，2005）。气溶胶体积大小分布分析图8显示了气溶胶粒子的日平均发行2013年一月份的大小分布显示obvi-ously双模式分布格局。今年一月4-7AOD和有效半径增加，从0.44到0.88，并0.22至0.25微米。的，此外，卷总的，细和粗模式增加（图9），这表明该气溶胶粒子排放是连续的。在SSA变化在此期间，小于0.90（〜0.86-0.88）（图8），这建议多吸收气溶胶粒子发射。1月11日，14日和28日的严重灰霾天从不同其他。该AOD分别为〜1.53，1.17和2.12一月11，14和28，分别。细模式颗粒具有大体积（图9）和高有效细模式半径大于0.20微米，这很可能是由于增加的吸湿性生长和水蒸汽。结果发现，该1月11日，14日和28日用平均湿度值约60，71和76％之间。然而，每日

1月10日，13日和27平均湿度值约56，65和74％之间。图9示出了总的，细模式和粗模杆由almucantar观测数据检索视察量。除了在1月12日和18日，所有的细颗粒模式的卷是比粗颗粒的，其中sug-较大从人类活动gests细颗粒多米奈特气溶胶组成。然而，在1月12日和18日，粗模式颗粒体积比细模式更高。这可能是由于粗模式飞灰和其它来源如从由主导事件溢散矿物颗粒尘（埃克等，2005）。在北京重度霾气溶胶类型分类SSA的在440nm和差的日平均值SSA在870，并在北京440纳米之间SSA中显示图。 10A。在SSA的频谱差可以看作一个总气溶胶相对大小的指示器absorp-化尘粒与黑色贡献的氧化铁碳在精细模式气雾剂（Derimian等人2008; Eck的等。2010）。之间的870和440纳米的微小差异，在撒哈拉以南非洲，那些小于或接近零，表明主要吸收是黑碳。大的正差异（Pgt; 0.05）在SSA（870-440纳米）与氧化铁粉尘一致作为主导吸收剂（埃克等，2010）。在这个数据研究中，在撒哈拉以南非洲的870-440纳米的差异56％的价值小于或接近零，这表明主要absorb-在灰霾发作在北京儿是黑碳。 Li等人。（2013年）发现，黑碳和棕色的比例碳污染可以在25至38％，达到事件。观测但是，大约12％的是的SSA大的正差异（Pgt; 0.05）（870-440纳米），这也表明了吸收效果的铁的氧化物在本地扬尘颗粒。埃克等。（2010）发现，SSA的差异超过0.05也偶尔发生在冬春季节，由于灰尘在北京的影响的结果是一致的在这项研究中的上述分析。人们可以看到，在重霾期间占主导地位的气溶胶类型可分类为两个“混合”和“U / I和BB”的类别。混合类发生率约31％，而U /I和BB约为69％。混合的AOD类别（1.27plusmn;0.53）比U / I和BB类别更高（0.62plusmn;0.17）。在撒哈拉以南非洲和精细模式AOD分数（FMF）的这两类相似。 SSA约为0.88-0.89和FMF约为83-85％。

概要

城市地区的详细气溶胶光学特性在北京的阴霾事件2013年1月可归纳如下：

大气溶胶光学厚度埃指数通常比0.80高与1.0之间的AOD的差别和1.5约为0.4至0.8％及0.9至5.9％。精细模式AOD是阴霾外延期间大于粗模式。精细模式AOD的比例粗模AOD降低的波长增加。单散射反照率的平均值约为0.90plusmn;0.03，在

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