高相对湿度下华北地区气溶胶吸湿增长特性

【作者】 刘鹏飞； 赵春生； T.Gbel； E.Hallbauer； A.Nowak； 冉靓； 邓兆泽； 马楠； K.Mildenberger； S.Henning； F.Stratmann； D.S.Covert； A.Wiedensohler；

【机构】 北京大学物理学院大气科学系； Leibniz Institute for Tropospheric Research； Department of Atmospheric Science,University of Washington；

【摘要】 大气气溶胶是华北地区重要的大气污染物。这一地区常呈现的低能见度、高光学厚度现象,不仅与该地区气溶胶浓度较高有关,还和气溶胶在高相对湿度下的吸湿增长特性有密切关系。气溶胶的吸湿特性(Hygroscopicity)对气溶胶成为云凝结核活化能力、消光截面和生命时间均有显著影响,因而在国际受到大气科学界的广泛关注。然而,由于观测仪器复杂,国际上对环境气溶胶在90%以上相对湿度下的吸湿增长特性的直接测量研究仍极为少见。北京大学与德国莱布尼兹对流层研究所(Leibniz Institute for Tropospheric Research,ift)等单位合作,于2009年3月至4月以及7月至8月在天津市武清区对大气气溶胶物理化学特性进行了综合外场观测。观测期间,运用HH-TDMA(High Huimidity Tandem differential Mobility Analyzer)和LACIS(Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator)对干粒径为50、100、200、250nm的环境气溶胶在90%~99.8%相对湿度下的吸湿增长特性进行了测量。结果分析表明,对直径为50~250nm的环境气溶胶,即使同一粒径的粒子仍经常表现出不同的吸湿增长特性,表明环境气溶胶常呈现出外混合状态。在吸湿增长因子的概率密度分布中可区分出吸湿模态(hygroscopic mode)和几乎不吸湿模态(nearly hydrophobic mode),其中后者可占到5%~20%的比例。吸湿模态的气溶胶呈现较强的吸湿性,随着湿度从90%增长99.5%,气溶胶粒径可从干粒径的~1.6倍迅速增长到4倍左右;其增长行为可近似用Khler-κ模型描述,平均吸湿性参数κ值约为0.30~0.39,略低于硫酸铵盐的相应值(0.5~0.6);随着干粒径从50nm增加到250nm,吸湿模态的平均κ值呈现增加趋势。几乎不吸湿模态的气溶胶粒子随湿度增加粒径增长不大,在90%~98.5%湿度范围内吸湿增长因子一般<1.25。本文利用吸湿性参数κ对气溶胶吸湿增长特性提出了一个参数化方法,可以较好的描述观测结果。夏季的观测表明,几乎不吸湿模态的比例有较为明显的日变化特征,体现气溶胶混合状态在一天之中有显著变化;一般夜间不吸湿成分比例较大(~20%),外混合程度高;而白天不吸湿成分比例较小(~5%),外混合程度降低。这些气溶胶吸湿性的变化特征对云微物理及大气能见度的影响值得进一步深入研究。更多还原