沈阳地区气溶胶光学性质研究
1.引言
大气气溶胶是指均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系，其中的微粒统称为气溶胶粒子。此类粒子的空气动力学直径在100μm以下，主要包括沙尘气溶胶、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6类气溶胶粒子。气溶胶在紫外、可见光、红外等波段对辐射的吸收和散射对全球天气过程和气候产生重要影响（Boucher etc. , 1995;Breon etc. , 2002;Satheesh etc. , 2005）。而气溶胶的增加会使空气质量恶化，进而影响人体健康。所以气溶胶对于气候变化和人体健康有着重要的意义。
AOD（Aerosol Optical Depth，气溶胶光学厚度），物理意义是沿辐射传输路径，单位截面上因气溶胶吸收和散射对太阳辐射产生的总削弱。它与垂直方向上大气柱总的气溶胶浓度有关，是表征大气浑浊度的重要物理量(Reddy and Venkataraman, 2000;Lata etc. ,2003;Kaskaoutis etc. , 2006)。
在地理上，沈阳市位于中国东北地区南部，辽宁省中部，以平原为主，山地、丘陵集中在东南部，而辽河、浑河、秀水河等途径境内，属于温带半湿润大陆性气候，平均海拔约50m。沈阳也是建国初期国家重点建设起来的以装备制造业为主的全国重工业基地之一，工业门类达到142个，到2013年为止规模以上工业企业4000多家，地区生产总值7000多亿元。在2015年4月3日沈阳市环保局发布了影响环境空气质量主要污染源有：工业污染、燃煤锅炉和生活炉灶、交通运输、城市扬尘。
目前，对于沈阳地区AOD的研究相对较少，而AOD的变化特征对研究大气环境有着重要意义。因此，笔者基于沈阳2004年8月至2011年10月光学厚度资料，结合地面常规气象观测资料，分析沈阳市AOD变化特征以及气象因子对其影响，希望能对沈阳市大气环境治理提供参考。
2.数据资料
中国科学院大气物理研究所联合国内外单位于2004年7月建立了中国地区太阳分光观测网CSHNET为定量评估中国区域气溶胶的气候和环境效应提供基础观测数据。观测网包括19个中国生态系统研究网络（CERN）定位站、4个典型城市站、香河站和拉萨站两个长期标定站。观测网统一采用新一代便携式LED太阳分光光度计，选取每天10:00~14:00进行观测，0.5h观测一次，每次3组数据，每天至少观测15组数据(天空总云量超过8时不可进行观测)。本文所使用地面光学厚度观测资料来自其中沈阳站。
沈阳站地处松辽平原南部，站点的地理位置为北纬41.52°，123.63°，海拔31m，位于辽中南城市群所在地，是我国重工业基地及乡镇企业迅速发展的地区之一，我国重要的商品粮基地。高投入农业和工业污染给本区农业持续发展带来一系列待解决的生态环境问题。从地理位置上讲，沈阳神态站正好处于由东到西水分因子驱动和由南到北热量因子驱动的横穿我国境内的两条样带上，具有很好的区域代表性和网络研究的重要性。沈阳气候类型属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温7.0~8.0℃，无霜期147~164天，年降水量650~700mm（辛金元，2006）。
Angstrom【1964】给出了气溶胶光学厚度与波长间的关系为
τaerosol(λ)＝βλ-α
τaerosol(λ)为波长为λ的AOD反映大气气溶胶光学厚度
β为Angstrom混浊系数，与测站上空垂直气柱内的气溶胶质粒总数有关，以代表大气
中气溶胶的相对浓度。
α为Angstrom波长指数，表示气溶胶粒径大小。较小的α代表较大粒径的气溶胶粒子为主控粒子；较大的α代表较小粒径的气溶胶粒自为主控粒子。α范围一般为0＜α＜2。
3.结果和讨论
图3-1. AOD和α随时间变化
Fig. 3-1 Variations in AOD and α
图1显示，α指数在逐年降低，从1~1.5之间降至0.5。一般而言，城市-工业气溶胶一般为1.1≤α≤2.4，沙尘气溶胶一般为-1≤α≤0.5。由此可以得知，该测站周围的主控粒子从小粒径的烟雾粒子向大粒径粒子转变。AOD在逐年增加，但仍未进入污染严重的范围。两者的变化规律符合公式呈现的负相关性。
图3-2.AOD和α年均值变化
Fig. 3-2 Variations in annually-averaged AOD and α
图3-2显示，α年均值逐年下降；而AOD均值逐年上升。值得留意的是，α年浮动基本保持在±0.5，而AOD年浮动基本保持在±0.2。这可以初步看出，虽然α和AOD年均值都在单调变化，但是在同一年中的季节性周期变化应该是相对稳定的。
图3-3.沈阳GDP年增长曲线
Fig. 3-3 Variations in annually-grown GDP of Shenyang
图3-3显示，沈阳地区GDP呈现单调上升状态，在2004年至2011年间，GDP总增长率达到200%，这体现沈阳地区产业发展态势良好。前文提及，测站所处地区为我国重要的商品粮基地，而该地区农业发展应呈上升趋势，这意味着农作物的增加。农作物的增加带来的影响是：
① 更多的植物产生的大量吸湿性粒子与空气中水汽结合形成大粒径粒子
② 植物的呼吸作用使得空气中水汽含量增加
③ 灌溉过程用水变大使得空气中水汽含量增加
④ 更大范围的农业活动将产生更多的沙尘粒子
同时，测站所在地区为重工业基地。地区水汽含量的增加使得工业生产过程中产生的硫酸盐、硝酸盐等工业气溶胶更多与水汽稀释，从小粒径的烟雾粒子转化为大粒径粒子
由此可以得出该区的大粒径粒子在逐渐增多，而小粒径粒子在减少，这与α指数在逐年下降的现象相符。
图3-4.AOD和α月均值变化图（折线图）
Fig. 3-4 Variations in monthly-averaged AOD and α(line chart) 图3-4显示，α的月均值变化有两个明显的极小值点，分别是3月份和9月份。这主要受测站周围的农业活动影响。3月和9月正是农业活动上春耕秋收最频繁的月份，农业活动将会产生大量的扬尘，大量的大粒径粒子使得α值下降。而AOD值和与α值呈明显的负相关性，α值上升的月份里，大气中细粒子增加，AOD值下降；α值下降的月份里，大气中粗粒子增加，AOD值上升。
图3-5.AOD和α每年的各个月均值变化
Fig.3-5 Variations in monthly-averaged AOD and α(each year) 图3-5显示，每年年底冬天的时候，α都会经过一个极大值点。变大，意味着大气中的小粒径烟雾粒子增多，究其原因是冬天沈阳地区需要通过燃煤等方式供暖，这个过程中将会排放大量的小粒径烟雾气溶胶；而每年的春秋季节α相对较低的原因是农作过程中产生的扬尘使得大气中粒径粒子的增多。
而AOD的变化则基本符合与α的负相关性。α增大的月份，AOD减少；α减少的月份，
图3-6.AOD和α的值的频率分布
Fig.3-6 Frequency of occurrences of value of AOD and α
图3-6显示α值频率分布呈右偏分布，图中蓝色曲线从左至右分别代表大粒径粒子频率分布、混合粒子频率分布以及小粒径粒子频率分布。由此可以明显看出，大粒径粒子频率峰值最小，混合粒子频率次之，小粒径粒子频率峰值最大且所占总比例最大。
而AOD值得频率分布则呈左偏分布且大部分处于0.8以下，说明该地区污染情况不是特别严重。
结合上下图看不难发现，总体上α值偏大，即使小粒径粒子较多，而AOD值偏小，这进一步说明α值和AOD值得负相关性。
图3-7.三种粒径粒子每年所占比例
Fig.3-7 Frequency of three modes(each year)
图3-7显示，2004~2006年间，细粒径粒子所占比例均在75%以上，其余均为混合粒子；而2007年~2011年间，混合粒子占主导地位，细粒径粒子从不到40%开始逐年减少，而粗粒径粒子逐年增加至超过30%。
其中特别值得留意的地方是，粗粒径粒子是从2007才开始出现的。而2007年，正是我国商品粮基地发展重要的一年。2002年4月正式开始的“扬州市优质稻米生产基地建设项目”在项目实施的两年多时间内，每年产生的综合经济效益超过两亿元，超过了预期目标，因此国家发改委批复同意拨款，江苏省及扬州市按照“完善提高、集中连片、扩大规模、示范辐射”的要求在2007年底前在18个乡镇新建了20万亩优质稻米生产基地。由于建立商品粮基地有助于稳定的农业生产，对于作为人口大国的我国的经济发展有着重要的经济意义。因在全国掀起了建立商品粮基地的热潮，其中就包括测站所在地区。所以从2007年开始，该地区农业活动持续增加，而农业活动带来的扬尘等使得该地区的大粒径粒子显著增加，从而自2007年之后大粒径粒子比例持续增长，而小粒径粒子比例下降，混合粒子较之前的年份增多。
图3-8.三种粒子在不同季节中所占比例
Fig.3-8 Frequency of three modes(each season)
图3-8显示，在春秋季节的粗粒子比例相对较多，秋冬季节细粒子比例相对较多，这也是符合我们的常规认知的。春耕秋收的农业活动导致扬尘较大使得粗粒子较多，而秋冬季节该地区通过燃煤供暖，因此大气中的的细粒子较多。
图3-9. AOD在不同季节中与能见度的关系
Fig.3-9 The relationship between values of AOD and atmospheric visibility(each season)
图3-9显示，无论在哪个季节中，AOD与能见度呈负相关性。在气象学中，能见度用气象光学视程表示。气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。而AOD表示大气气溶胶对光的衰减作用，因此不难理解，当AOD越大时，大气气溶胶对光的衰减作用越大，气象光学视程越短，能见度越低；相反，AOD越小，大气气溶胶对光的衰减作用越小，气象光学视程越长，能见度越高。从拟合直线斜率以及R来看，夏季中AOD对能见度的影响最为明显。因为夏季以晴天为主，相对其它季节而言天气现象较为简单，发生雨雪等可以影响能见度的天气现象较少。
图3-10.AOD在不同季节中与风速的关系
Fig.3-10 The relationship between the values of AOD and wind velocity(each season)
图3-10显示，在春夏秋三季中，AOD与风速均呈正相关性变化，而在冬季中AOD与风速呈负相关性变化。在春夏秋三季，由于该地区地表较为裸露，较大的风速会引起更多的扬尘，AOD上升。而由图上分析可知，相比于其他三季，冬季风速偏小，而且点分布较为集中在风速小AOD小的局域。发生这种现象的原因是冬季边界层高度相对其它三季而言较低，使得粒子发生沉积现象，AOD下降。而在风速较小的情况下加大风速，会使得沉积物分布更为均匀，状态更为稳定，AOD进一步下降。而在春夏秋季中AOD拟合直线最终值达到0.8以上，已经属于轻度污染范围。
图3-11.AOD与相对湿度的关系
Fig3-11. The relationship between the values of AOD and relative humidity(each season) 图3-11显示，在四季中AOD与相对湿度始终呈正相关。其中夏季的R较大，即夏天相对湿度对AOD的影响较大，是因为夏季气温较高，在水分较多大气中的一次热污染物容易发生化学反应产生新的污染物，形成二次污染。这样原本的细粒子粒径变大，α减小，AOD 上升。AOD拟合直线最终值接近1，而样本数据中有10个值在1以上，最大值达到1.4以上这说明了该地区夏季大气污染问题还是比较突出的。
图3-12.AOD、α和相对湿度的关系
Fig.3-12 The relationship among the values of AOD ,the values of αand relative humidity(each
season)
图3-12显示，该地区春季相对湿度在67%以下，夏季相对湿度在50%到100%之间，秋季相对湿度在37%到84%，冬季相对湿度在72%以下。最值得注意的一点是，无论在哪个季节，在某一个恒定的α下，颜色随着纵轴变蓝，即在某一个恒定的α下，相对湿度越大，AOD越大。
4.小结
1.总体上AOD值随着时间升高，α值随着时间下降，这意味着气象光学厚度增大，
环境呈恶化趋势。
2.AOD与α月平均值存在波动，AOD平均值极大值出现在夏季，达到0.8以上；α平
均值极大值出现在冬季，最高能达到 1.5。说明夏季环境污染情况最为严重。而在
夏季具体AOD值分布可以看出，夏季AOD值有很大一部分超过0.8，也存在超过
1.0，即已进入轻度污染范围。
3.农业产业的飞速发展带来的扬尘等为大气补充固体颗粒物的问题是影响AOD持续
升高的重要原因。
4.风速、相对湿度、大气能见度等气象条件对当地的AOD影响显著，分别为正相关，
正相关和负相关
[1]如果不遇上下雪或极端天气现象等外力，冬季是治理环境问题的好时机，因为冬季粒子
分布较为集中稳定。