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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

大气气溶胶颗粒是指均匀分散在大气中的固体气溶胶粒子和液体气溶胶粒子所构成的稳定的混合体系。气溶胶能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射和吸收体的散射体，并参与各种化学的循环，是大气的重要组成部分。我们常见的雾、烟、霾、微尘、烟雾等都是大气气溶胶。气溶胶按粒径的大小可分为以下5种：（1）总悬浮颗粒物：粒径在100mm以下，其中多数在10mm以下，是分散在大气中的各种粒子的总称。（2）飘尘：粒径小于10mm能在大气中长期漂浮的悬浮物质，如煤烟、烟气、雾等。（3）降尘：在总悬浮颗粒物中直径大于30μm的粒子由于自身的重力作用会很快沉降下来，这部分的颗粒物称为降尘。（4）可吸入粒子：粒径小于10μm。（5）细粒子：粒径小于2.5μm，记为PM2.5， 主要来源于燃料燃烧，机动车尾气，还有散发到空气中的灰尘，硫酸，硝酸，有机碳酸化合物等粒子经过一系列光化学反应形成二次污染物。此外，PM2.5极易吸附多环芳烃等有机污染物和重金属，是致癌，致畸，致突变的几率明显的升高。

大气中气溶胶的来源可以分两类：自然源和人为源。自然源主要是火山的喷发，海水的渐沫，地面的扬尘，生物体的燃烧等。而人为源主要是人类生产生活活动所造成的，如汽车尾气排放，燃料的使用，工厂工业排放等。

大气气溶胶除了对身体健康影响之外，还对气候环境也有一定的影响。空气中的气溶胶颗粒物会散射或吸收阳光，使得达到地表的辐射减少或加热大气，从而影响全球气候。还通过气溶胶与云的相互作用，影响云的反射率和降水，从而改变云的辐射性质，影响气候。

综上所述，大气气溶胶对人体健康，气候环境等产生了很大的危害，而且程度也越来越深。这样看来，对大气气溶胶光学性质的研究具有重要的意义，而消光系数是大气气溶胶光学特性的重要参数，是反映大气的消光能力，其中消光包含了气溶胶对光的散射与气溶胶对光的吸收两部分。当气溶胶吸水后，由于其自身的组成成分容易发生物理化学反应，故吸水性是联系其物理性质与化学性质的关键参数，更是它光学性质的决定性参数之一，因此研究气溶胶的吸湿增长对消光特性的影响是具有实际意义的。

国内外研究现状

大气气溶胶颗粒通过散射和吸收对光进行削弱。相对湿度对光学特性有很重要的影响，因为气溶胶的粒径谱、折射率、质量浓度等参数是相对湿度的函数。相对湿度影响颗粒粒径谱分布、形态和复折射率等。

目前有很多材料里提到的对气溶胶的理论计算是一种平均的计算方法，可是事实上气溶胶不可能是仅有一种成分的颗粒组成的，每种成分的浓度、自身的分布、折射率、消光效率因子，还有每种颗粒所占所有总颗粒的浓度都不同，所以这种计算方法是不能准确计算不同成分的气溶胶的消光系数。因此，在这基础上戴兵等^[1]加以发展导出了对多种成分颗粒的大气气溶胶消光系数的平均计算方法。同时利用容积占比等效折射率，建立了消光系数的等效计算方法，验证了该等效法的可靠性。

在实验测量方面，由于消光系数包含了气溶胶对光的散射与对光的吸收，所以首先要测这两个量。测量大气气溶胶散射系数的仪器主要有^[5]：（1）高灵敏积分浊度计；( 2) 9003 系列积分浊度计；( 3) M903 积分浊度计。Heintzenberg和Mller对各种积分浊度计工作参数进行了描述，指出它们具有非理想的波长及角度敏感响应，如果要更精确地反映实际气溶胶的总散射和半球后向散射系数，需参照Anderson 和Ogren的校正公式对原始数据进行校正． 与仪器原理和设计所引起的误差相比，相对湿度的测量偏差及气溶胶化学组分的吸湿增加等所引起的测量误差要大得多。

气溶胶吸收系数测量方法^[5]: ( 1) 滤膜采样法: 通过光透射性或光反射性测量滤膜光学性质，根据滤膜采集前后光学性质的变化来确定气溶胶的吸收系数。( 2) 原位测量法，主要包括（a）光声法: 用强度可调制的单光照射气溶胶样品，样品释放的热能使周围介质加热，导致介质产生压力波动，用传声器检测波动，可得到粒子的光吸收系数。 ( b) 热学法: 利用激光诱导对黑碳颗粒进行加热升温使之汽化产生白炽光，其辐射强度和黑碳质量浓度呈正比，该方法无需滤膜，克服了传统滤膜方法改变颗粒物悬浮状态、多散射效应、颗粒损失等问题。( c) 差值法: 从气溶胶消光中扣除散射系数得到吸收系数，该方法常作为校正的参考方法，比较适用于吸收能力较强的气溶胶，其要求气溶胶粒子的紊乱程度要小。( d) 基于雅满原理的干涉仪对折射率的测量，推算气溶胶的吸收系数，该方法精度高。 ( 3) 遥感测量法: 包含空基和地基遥感两种。 空基遥感使用卫星遥感数据，通过对表观反射率和地表反射率以及太阳、卫星的高度角、方位角等参数进行查算，得出大气气溶胶的复折射指数，通过复折射指数的虚部推算吸收系数。 地基遥感原理与卫星遥感基本一致，不同的是地基遥感可以直接反演气溶胶复折射指数的虚部，减小地表反射率的计算误差，主要仪器有激光雷达和太阳光度计。

近几年，国内外对大气消光性质开展了大量的实验室分析、外场观测和数值模型计算研究。结果表明，气溶胶消光性质不仅与颗粒物的浓度与粒径的大小有关而且依赖化学组分和混合状态。

在2001 年大型观测实验计划“亚洲气溶胶特性观测实验( ACEAsia)”中，Xu 等分别对沙尘以及污染天气溶胶的光散射系数与其质量浓度进行相关性分析，也得出很好的线性关系。因此尽管气溶胶化学组分存在时空尺度的变化，但其散射系数与细粒子( PM1或者PM2． 5) ，甚至是PM10之间都具有很好的线性相关性。

干状态下( Ｒelative humidity，ＲH ＜ 60%) 颗粒物浓度是影响气溶胶光学性质的最重要因素，其次是气溶胶粒子谱分布和复折射指数，最后是颗粒物形态; 而在湿状态下( ＲH ＞ 60%) ，相对湿度对光学特性有重要影响，因为气溶胶的粒径谱、折射率、质量浓度等参数是相对湿度的函数。化学组分随相对湿度的变化可进行潮解和风化，在高湿度下干粒子吸湿增长，ＲH 达到80% 时吸湿水分可占到气溶胶总质量50%，粒径可增大到对可见光散射更加有效的粒径范围内． 达到潮解点之后，粒径迅速增大，散射、吸收或者消光截面会增大，根据Mie 理论前向散射率会迅速增大，尤其是含有硫酸盐和硝酸盐的亲水性气溶胶粒子， 因此湿度对气溶胶的消光系数有很大影响。

通常用气溶胶粒子散射吸湿增长因子f（RH）来表示相对湿度对散射效率的影响，其气溶胶粒子散射吸湿增长因子f（RH）的公式如下：

上式中，是干燥状态下的气溶胶散射系数，为吸湿之后的气溶胶散射系数。

在美国三个不同农村国家公园（大雾山，大峡谷，大弯国家公园）中已经研究了大气中的细颗粒气溶胶的吸水性，使用perma pure 干燥管，将样品气溶胶的相对湿度从小于20%变化到大于90%，用radiance research M903浊度计测量气溶胶的散射系数。这些研究数据显示，在所有三个位点处的生长曲线在形状上相似，但是生长的量级可以每天都变化很大。比较化学成分数据的12h过滤器样品与气溶胶生长曲线，我们发现，较高分数的可溶性无机化合物（硫酸盐和硝酸盐）产生的生长曲线比较浓度的有机碳或土壤物质的曲线更大。

化学组成和气溶胶生长因子曲线的比较显示，当无机盐的级分最高时，出现最大的生长曲线。当有机碳和土壤的分数较高时，生长因子曲线较低。这表明土壤化合物和有机碳化合物通常不会像无机盐那样贡献于气溶胶吸收水。

气溶胶颗粒在环境大气中经历吸湿生长，因此它们的光学性质，特别是气溶胶光散射强烈依赖于环境相对湿度（RH）。长期观察的原位光散射测量通常在干燥条件下进行。这种效应的知识对于气候强迫计算或用于比较遥感与原位测量时非常重要的。2008年7月在萨帕林的茨佩林斯坦实验室进行了实地运动。

下图^[10]是对城市、乡村和海洋的气溶胶吸湿增长因子与相对湿度关系的分析图，黑色、红色、蓝色分别代表城市、乡村与海洋，由图可知，在80%时其吸湿增长因子增加的较为缓慢，当80%时，其吸湿增长因子的增长就极为迅速。海洋地区环境下的气溶胶颗粒随相对湿度的影响最大，这是由于海洋地区的气溶胶颗粒中含有大量丰富的海盐粒子，其中例如等物质具有很强的吸湿性，而城市空气中由于人类活动等原因气溶胶成分较为复杂，有大量不溶于水的气溶胶颗粒，故其受相对湿度的增加影响在三种气溶胶中最小。

气溶胶吸湿增长因子与相对湿度的关系图

由上述国内外消光系数的研究可知，有很多的有很多的研究是围绕着这个参数去计算和测量的。事实上，消光系数的计算和测量还受颗粒成份、环境湿度等方面的影响，本文将基于Mie散射理论，详细讨论球形颗粒消光系数与相对湿度之间的关系。

2. 研究的基本内容

2） 掌握气溶胶消光系数的计算方法；

3） 理解相对湿度对气溶胶消光系数的影响，学会采用matlab程序编写消光系数与相对湿度关系的计算程序，画图分析相对湿度与气溶胶气溶胶消光系数的关系。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案：

首先掌握mie散射理论，掌握气溶胶消光系数的计算方法，然后学会采用matlab程序编写消光系数与相对湿度关系的计算程序。

进度：

4. 参考文献

[1]戴兵,罗向东,常鹤鸣.大气气溶胶消光系数的计算方法研究[j].南通大学,2008，31(1):12-15.

[2] 于凤莲, 刘东贤, 胡英.有关气溶胶粒子对城市能见度影响的研究[j].气象科技, 2002, 30(6): 379- 383.

[3] ven de hulst h c. light scattering by small particles [m].new york: dover, 1981.