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目 录

第一章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3 研究内容 5

第二章 数据观测及江心洲站点环境管控措施 6

2.1 观测地点介绍 6

2.2 实验仪器简介 6

2.3 环境管控措施 8

第三章 环境管控对气溶胶光学特性影响研究 9

3.1 观测期间气溶胶光学特性的时间序列 9

3.2 江心洲站点气溶胶光学参数日变化 11

3.3 大气中痕量气溶胶及能见度变化 12

第四章 结论 15

参考文献: 16

致 谢 18

环境管控对江心洲站点气溶胶光学特性的影响

牛国庚

，China

Abstract：This paper analyzes the changes of aerosol optical characteristics of Jiang Xinzhou station during the August, 2013 Asian Youth Games, and intuitively shows the changes of aerosol optical parameters with time by means of scatter plot, and analyzes their external performance in terms of environment. Combining with the environmental control measures taken by Jiang Xinzhou station, this paper analyzes the reasons why the aerosol optical characteristics have changed. It is found that the methods such as construction site shutdown and industrial enterprise shutdown or reduce output can effectively reduce the content of solid particles, SO₂, NO₂ and other pollutants in atmospheric aerosol. However, due to meteorological reasons, pollution incidents still occurred in this area, and environmental quality rapidly decreased after environmental control time ended, warning us that environmental control measures should be implemented in a large and long-term way, and environmental protection has a long way to go

Key words: Aerosol optical properties; Environmental control; Asian Youth Games; Nanjing

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，粒子的空气动力学直径大多在0.001～100μm 之间。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾等都是天然或人为原因造成的大气气溶胶 ^[1] 。当前主要包括6大类7种气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶、碳气溶胶（黑碳和有机碳气溶胶）、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。

气溶胶对地球的辐射平衡以及气候有着方方面面的影响。一方面，气溶胶能直接将一部分太阳光散射回太空。另一方面低层大气中的气溶胶的烟雾颗粒还能改变云粒子的大小，并改变云层反射或吸收太阳光的方式，从而间接影响地球的能量平衡。

气溶胶的光学特性主要表现在光学厚度、单次散射反照率、尺度谱分布、复折射函数、相函数、非对称参数等方面，其中光学厚度又分为消光光学厚度和吸收光学厚度 ^[2]。这些特性主要受气溶胶粒子的尺度、形状、组成、数浓度、质量浓度及表面积浓度等相关参数影响。

改革开放后, 中国的经济、城市化和能源消费迅速增长。烟雾污染频繁发生, 是城市中最重要的问题之一。目前, 中国有四处严重的霾污染地区：环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区和四川盆地。长三角地区位于太平洋西海岸, 是中国经济发展最快的地区。在过去十年中, 长三角地区的烟雾污染在持续增加 ^[3]。烟雾污染引起的能见度损害不仅会增加交通拥堵,此外, 烟雾通过散射和吸收太阳辐射对农业、气候和生态系统产生影响。霾是烟雾污染的一种重要表现形式。霾中含有数百种大气化学颗粒物质，它们在人们毫无防范的时候侵入人体呼吸道和肺叶中，从而引起血液系统疾病、呼吸系统疾病、心血管系统疾病、生殖系统疾病等。优先治理雾霾已经成为中国政府的重点工作，而霾的核心物质便是气溶胶。气溶胶不仅对大气能见度、太阳散射和辐射、大气温度等具有较多影响,而且由于其粒径小、表面积大,还能给化学反应提供场所。这类化学反应导致的最严重的影响是对平流层臭氧的破坏。在极区冬季气溶胶增加，形成极地区平流层云。这些云粒子的巨大的表面是化学反应发生的最佳场所。化学反应会产生大量活性氯，最终导致臭氧层被破坏。现有证据表明，大型火山喷发后，平流层中臭氧浓度也出现相似的变化特征，例如，1991年菲律宾Pinatubo火山（Mt. Pinatubo）的喷发，就曾造成数以吨计的火山气溶胶轰入大气层。1993年地球出现相对低温的状况就被认为是Pinatubo火山喷发从而造成平流层大量聚集火山气溶胶的结果。

因此，研究气溶胶光学特性，从而通过环境管控来减少气溶胶危害显得愈发重要。

1.2国内外研究现状

随着环境污染愈发严重以及人们环保意识的不断提高，人们越来越意识到气溶胶在全球气候变化中发挥的重要作用以及在大气灰霾污染中占据的主导地位，于是，关于气溶胶的研究开始广泛而深入的展开。气溶胶的光学特性正是其中重要一环。

气溶胶的光学属性主要有消光系数、吸收系数、散射系数。大气气溶胶可以散射和吸收太阳辐射，其折射率可用 来表示，其中，表示折射率实部，表示折射率虚部。折射率实部与散射系数有关，折射率虚部与吸收系数有关，它直接决定了大气气溶胶在气候效应中的作用是升温还是降温。但是气溶胶粒子的化学成分差异使得其折射率的测量变得尤为复杂。由于以往的方法不是误差较大就是难以广泛应用，中科院光学研究所的李学斌等人综合利用光学粒子计数器、能见度仪和微脉冲激光雷达，提出了反演大气气溶胶粒子折射率的新方法，并对其进行了验证 ^[4]。 这种新方法突破了以往的局限性，很好的解决了上述问题。

光学厚度是大气气溶胶研究中的重要参数，它可由消光系数求出，因此研究大气气溶胶光学厚度对了解其光学特性十分重要。杭州市气象局及杭州师范大学的齐冰、杜荣光等人对杭州市大气气溶胶光学厚度变化特征进行了研究 ^[5]。 结果表明，杭州市气溶胶光学厚度季节变化特征不明显，并呈单峰型日变化，峰值出现在15：00，谷值出现在6：00，很好的符合了对数正态分布，表明杭州市以半径较小的气溶胶粒子为主。杭州市的气溶胶光学厚度的高值（gt;1.0）主要表现为细模态气溶胶与粗模态气溶胶的吸湿增长。

印度新德里贾瓦哈拉尔·尼赫鲁大学环境科学学院的Purnima Bhardwaj和Alok Kumar Pandey等人于2015年夏季在印度首都德里（位于印度中北部亚穆纳河畔一座有围墙的城市）进行了关于气溶胶光学厚度 (AOD)、太阳辐照度及其与城市和农村地点空间变化的关联的研究^[6]。研究结果显示，夏季Sampla (最大值为1.15 WM - 2 nm - 1，537 nm )的太阳辐照度高于Shahdara (最大值为1.04 WM - 2 nm - 1，537 nm )，AOD值较高的地区仅限于德里的高度密集地区，而周边农村地区则较低。农村地区主要由广阔的空旷农田组成，城市地区在夏季旱季成为了大气中再次悬浮粉尘的来源。在整个夏季，由于大量的人为排放，如燃煤发电厂以及车辆的排放，灰蒙蒙的天空笼罩着德里，燃煤发电厂以及大规模建筑活动产生的粉尘也是硫酸盐、硝酸盐和碳质气溶胶的来源。此外, 这一地区还受到夏季强沙尘暴事件的影响, 这进一步增加了大气中的气溶胶负荷。

2013年6月，Elsa Dieudonné 和Patrick Chazette等人通过一台地面移动激光雷达完成了从巴黎到贝加尔湖附近乌兰乌德约10000公里的飞行，对沿途访问的城市的气溶胶光学特性进行了分析，并对欧亚大陆各地的城市气溶胶光学特性进行了首次比较^[7]。激光雷达仪器配备了N2拉曼和去极化通道，能够在11个城市的城市行星边界层或剩余层中恢复355 nm消光-后向散射比(也称为激光雷达比( LR ) )和线性粒子去极化比( PDR )。发现污染粒子的光学性质在整个过程中是均匀的: LR没有观察到经度依赖性，大多数值落在67 - 96 Sr范围内。欧洲和俄罗斯城市之间的PDR仅略有增加，这归因于从不良柏油路面和未植被的地形中抬升的较高比例的粗陆源颗粒，这导致例如巴黎和莫斯科的大城市之间的PDR增加了1.7 %。在西伯利亚的两个中等城市和一个孤立的羽流中发现了一些低LR值( 38 - 50sr )，这表明在较小的城市中混合的陆源气溶胶的相对重量可能会增加。2013年夏季在俄罗斯同一城市上空从正交偏振云气溶胶激光雷达( CALIOP )获取的空间观测证实了被归类为"污染尘埃"的气溶胶的流行。最后，他们在俄罗斯气溶胶混合物中遇到了一个特殊的特征，因为他们很有把握地观察到一个异常的气溶胶层，它同时显示出非常高的LR ( 96 Sr )和非常高的PDR ( 20 % )，尽管这两个特征都使得很难识别气溶胶类型。这些结果表明，俄罗斯大城市中的污染颗粒与欧洲城市中的污染颗粒大致相似，即具有高LR值和低PDR值，反映了以碳源(交通、供热、发电厂等)为主的气溶胶混合物，仅在较低PBL中具有稍高分数的粗陆源颗粒。在俄罗斯，混合的确切比例似乎取决于城市的规模:规模越大，碳源可能越重要，这解释了为什么检索到的西伯利亚中等规模城市如：阿西尔库茨克和乌兰乌德(约50万居民)的LR值低于乌法、车里雅宾斯克和鄂木斯克(约110万居民)的LR值。工业活动当然也将发挥作用:拥有大型炼油和石化设施的城市(例如乌法和鄂木斯克)碳质颗粒排放量较高，而拥有冶金和露天采矿活动的城市(例如车里雅宾斯克和乌兰乌德)矿物颗粒排放量较高。然而必须记住，天气条件将覆盖源效应(由先前的骤雨造成的气溶胶洗涤，例如在雅尔采沃、湿度、云层覆盖的边界层等)。

2011年3月，谢银海、曹念文等人使用安置于内的中国气象局综合观测实验基地 (118.7°E, 32.2°N)的Rayleigh-Raman-Mie三通道激光雷达Rayleigh-Raman-Mie三通道激光雷达Raman通道实测数据反演分析南京北郊气溶胶光学特性^[8]。他们通过小波去噪的方法解决了Raman信号波动大、起伏多给信号反演计算消光系数带来的困难，提高了反演计算的准确性。他们对实验观测数据进行了分析，推断出确定时间的具体云层厚度，经查阅资料，发现与实验结果相吻合。说明Rayleigh-Raman-Mie激光雷达系统能观测到云层, 并且通过消光系数或后向散射系数这一特征参数给出云层的高度及厚度信息。

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