利用角散射浊度仪观测研究气溶胶细粒子谱分布

【作者】 张霖逸； 颜鹏； 毛节泰；

【机构】 中国气象科学研究院； 中国气象局探测中心； 北京大学物理学院；

【摘要】 气溶胶粒子谱分布是研究气溶胶辐射强迫、云、降水以及能见度的重要物理参数。本文利用2014年夏季在河北饶阳开展的"华北区域光化学立体试验"得到的气溶胶角散射系数（10-90度）和半球后向散射系数,研究获取气溶胶粒子谱分布的反演方法,进一步结合观测期间膜采样获得的PM_2.5、PM₁质量浓度数据,对提出的反演方法进行检验,分析了反演结果与膜采样偏差较大的可能原因。同时,还与文献报道的粒子谱反演迭代方法进行对比,分析了不同反演粒子谱方法的适用性。观测采用ECOTech生产的商业化三波段角散射浊度仪（Aorora 4000）。该仪器能够测量450nm、525nm、635nm波长10-90度17个角度上的角散射系数和半球后向散射系数。观测时,对进样口安装PM_2.5粒径切割器,并对进样气进行干燥,因此测量和反演结果反映了干气溶胶细粒子的光散射和粒子谱特征。角散射系数和半球后向散射比拟合反演粒子谱的方法是:假设气溶胶细粒子谱符合对数正态分布,建立粒子谱参数（包括中值粒径,标准偏差）,半球后向散射比,相函数的查算表;寻找表中与Aurora4000三波长浊度仪测量的10°⁹0°散射相函数(P_10-90°)和半球后向散射比（b）数据相差最小的数值,表中粒子谱参数作为气溶胶谱分布的参数。试验结果表明,用该方法反演的气溶胶谱分布计算的PM₁/PM_2.5与膜称重的PM₁/PM_2.5基本一致,表明该方法得到的细粒子谱分布较好的反映了测点气溶胶的粒径分布特征。但在湿度较高时,利用反演的气溶胶谱分布计算得到的PM₁/PM₂.略高于膜称重结果,这可能是由于膜采样采集的气溶胶粒子为环境条件下的粒子,在湿度较高时,粒子吸湿增长造成粒径增大,可能会导致一部分干粒径较小（小于1微米）的粒子被切割,从而导致膜采样的PM₁粒子相对减少。该方法与文献报道的迭代方法反演粒子谱分布对比发现:用两种反演方法得到的粒子谱计算的PM₁/PM_2.5比值与膜采样PM₁/PM_2.5比值在PM₁/PM_2.5比值较低时一致性较好,而在PM₁/PM_2.5比值较高时偏差较大,其中用迭代方法得到的比值偏离程度更大。反映了基于光学散射测量反演粒子谱的方法对更小粒子的探测能力有限。此外,试验还发现,用Aurora4000测量角散射系数（相函数）迭代反演得到的粒子谱与反演时采用的初始粒子谱假设关系很大,而用本文提出的方法不需要假设初始谱分布,且得到的结果相对更为稳定。更多还原