1 引 言

2002 年 8 月，聯合國環境署 （ UNEP） 正式啟動了大氣棕色云項目。2008 年 11 月，UNEP 正式發布 《大氣棕色云： 亞洲區域評估報告》 （ Atmos-pheric BrownClouds - Regional Assessment Report withFocus on Asia ）[1].報告對亞太地區 AtmosphericBrownClouds （ ABCs） 的現狀作了較為詳細的評估。

其中北京、上海、深圳被列為 ABCs 熱點地區。大氣環境污染已經成為我國當前最嚴峻的環境問題之一[2].大氣棕色云又稱為 “霾”,其內部含有大量的工業與生活污染造成的煙塵、微小金屬顆粒等。

由于存在散射和反射等作用，霾對大氣光學特征影響明顯，也使到達地表的陽光熱量減少。近年來，城市灰霾天氣發生頻率日益增加，且影響范圍不斷擴大。據資料報道，天津、上海、廣州、深圳等城市，灰霾天數占到了全年天數的 30% ~ 50%,我國大部分地區細顆粒物平均濃度，超出世界衛生組織規定的污染指標 8 倍 （ 接近 80 μg/m3）[3,4].根據中國環境質量狀況公報中的調查情況看出，2013年全國開展 PM2. 5環境監測的 74 座重點城市中，僅有三座城市 PM2. 5年均濃度達到國家二級標準，74座城市 PM2. 5平均濃度卻高達國家二級標準的 2. 06倍[5].現如今大氣環境污染已受到國內民眾的廣泛關注。

灰霾天氣不僅會導致能見度降低，而且嚴重影響正常的交通運輸與工農業活動； 更嚴重的是，灰霾天氣將導致空氣中的細顆粒物濃度急速增加，從而導致二次氣溶膠的形成，使得氣溶膠中攜帶的毒害成分對人體健康造成極大危害。國際癌癥研究機構 （ IARC） 組織在 2013 年 10 月 17 日首次宣布將室外空氣污染整體評定為一級致癌物[6].目前，國內對于灰霾期間氣溶膠的研究仍處于初期階段，主要研究方向主要集中在： 粒徑分布污染現狀、時空分布等方面。對于灰霾期間氣溶膠的光學特征，如消光系數，散射系數，單次反照率，氣溶膠光學厚度等因素的研究較少。近幾年的研究中，吳國平等[7]對我國蘭州、重慶、武漢、廣州等城市大氣顆粒物污染的季節變化特征進行了研究，多數情況下均是冬春季污染最重，秋季次之，而夏季則最輕； 吳兌等[8]研究表明，廣州市灰霾天氣主要出現在 10 月至次年 4 月，冬季灰霾發生頻率較高； 盛立芳等[9]觀測到一次海霧過程中，氣溶膠消光系數為 1. 21 km- 1,其中消光作用的主要因素是大于 0. 5 μm 粒子； 閔敏等[10]觀測河北香河在灰霾暴發期間的氣溶膠光學厚度，測得光學厚度增長 4 倍，Angstrom 波長指數下降三分之一，焦艷[11]的結果顯示出，散射系數與 PM2. 5質量濃度有較好的相關性； 吸收系數的季節變化較為明顯，將夏秋季和冬春季的吸收系數分別與 PM2. 5濃度作線性擬合，也能得到較高的相關系數。從上面的例子中發現，灰霾期間的氣溶膠光學特征的變化十分顯著，研究氣溶膠的光學特征能更全面的了解污染物對于灰霾天氣的影響，例如從氣溶膠光學特征的譜分布來了解其中顆粒物的性質； 從吸收、散射系數、Angstrom 波長指數的變化了解灰霾的爆發與顆粒物粒徑之間的關系?？傮w而言，灰霾是易于定量的，且是直觀的視覺空氣質量指標，進而也能為今后灰霾天氣的預警打下基礎。

2 灰霾期間氣溶膠的光學特征變化

氣溶膠一般是指大氣中懸浮著的各種細小固體與液體粒子，粒徑范圍為 0. 001 ~ 100μm.雖然氣溶膠在大氣中的含量相對較少，但是對大氣輻射、光學特性等物理性質起著重要的作用。氣溶膠粒子一方面充當棕色云的凝結核，使云滴數密度增加，從而增強云層對太陽輻射的反射，削弱 （ 吸收和散射） 太陽輻射，并且將少部分太陽輻射散射（ 反射） 回宇宙，從而減少入射到地面上的能量，降低了低層大氣的溫度； 另一方面氣溶膠粒子本身也會吸收太陽輻射的能量使自身增溫，通過大氣運動傳輸提高大氣溫度。因此氣溶膠顆粒物已成為大氣污染中十分重要的因素之一，同時由于灰霾中氣溶膠含有的細顆粒物對光的傳播過程有一定阻礙作用，所以灰霾天氣過程對氣溶膠的光學厚度、單次散射反照率等光學特性都有一定程度的影響。

2. 1 灰霾期間氣溶膠的時空分布

由于各地氣候及地理環境的差異，灰霾產生的季節與時間分布也不相同，尤其我國冬季出現灰霾天氣的情況較為普遍。北方冬季主要由于燃煤集中供暖產生了大量的顆粒物，為灰霾天氣的產生提供了來源。Li 等[12]研究發現，烏魯木齊冬季大氣污染比較嚴重； 吳國平等[7]發現，蘭州地區也是冬季大氣污染最為嚴重。由于冬天天氣干燥、氣溫低、空氣濕度低、季風等因素，冬天也是我國南方地區灰霾高發時期。金均等[13]通過研究杭州市灰霾天氣的基本特征，發現杭州市灰霾天數冬春季明顯高于夏秋季； 張立多等[14]在探討灰霾天氣對廈門市能見度影響的研究中發現，灰霾多發生在秋冬季，1 月份最多，7 月份最少； 同時 Tan 等[15]對廣州市冬夏兩次灰霾事件的顆粒物進行分析，發現兩次灰霾期間 PM10對總懸浮顆粒物 （ TSP） 的貢獻率不同，冬季 PM10所占 TSP 比例也高于夏季。綜上所述，我國冬季灰霾的發生頻率較高，可能是冬季由于較低的相對濕度、較高的顆粒物質量濃度與其他氣象因素等決定，秋季和冬季主要受大陸高壓系統控制，大氣層結穩定，逆溫出現頻率高，污染物擴散條件差。而夏季灰霾出現的幾率較低，可能正好與夏季相對濕度偏高有關。在較高的相對濕度下，細粒子相互碰轉化成粗粒子，最終沉降而使得灰霾發生的幾率降低，同時夏季也是降雨的高發季節，雨水的沖刷對于空氣的清潔也是有利的條件。

2. 2 灰霾期間氣溶膠對能見度的影響

大氣能見度的變化可以間接反映大氣污染狀況，能見度越高說明空氣越潔凈。而大氣能見度降低是氣象因素和空氣污染共同作用的結果，除部分氣象因素外，能見度的降低主要是由于大氣污染物的積累造成的，尤其是大氣氣溶膠顆粒對可見光吸收和散射所產生的消光作用所致。張新玲等[16]對比了 1993 年和 2002 年觀測期間的南京大氣環境質量，發現 TSP 的質量濃度無明顯差異，但顆粒物總數顯著增加，從而可以看出 TSP 中細顆粒物所占比例有所增加，會為能見度惡化及灰霾天氣形成提供了有利條件； Kim 等[17]觀測了 2004 年韓國光州城區和遠郊出現灰霾天氣的污染特征，認為氣溶膠顆粒物產生的二次污染物對消光的貢獻最大，這與 Shen 等對西安市大氣環境研究的結果有相似之處。Shen[18]在文中指出： 能見度與 PM2. 5質量濃度有好的相關性，灰霾中的二次污染物不僅是 PM2. 5的主要產生來源，也是氣溶膠中細顆粒物濃度升高的主要因素。因此，大氣能見度的變化與氣溶膠細粒子 （ 如 PM2. 5等） 污染有十分密切關系，能見度降低的主要原因是由于氣溶膠顆粒物對光的散射，而其中細顆粒物與可見光的波長相近，對于光的散射有明顯作用，從而對能見度也起抑制作用。同時能見度也是普通老百姓對空氣質量的一個最直觀的感受，因此能見度是當前大氣測量的重要指標。

2. 3 氣溶膠質量譜分布的觀測研究

氣溶膠粒子譜分布是通過計算氣溶膠粒子的輻射強迫和研究氣溶膠的氣候效應基本參數的輸入，因此不同類型的氣溶膠也具有不同的粒度分布特征，而大氣氣溶膠顆粒的數濃度以及質量濃度不僅影響著大氣的能見度，達到一定程度后還會危害人類健康，因此氣溶膠質量的譜分布是氣溶膠重要的性質之一，質量譜分布描述了不同粒徑下的數濃度分布特征。Zhang 等[19]對 1999 年北京氣溶膠譜分布進行了觀測，發現峰值主要存在于 0. 5 ~ 0. 7μm之間，同時得出當相對濕度大于 75% 時，氣溶膠質量譜分布數濃度與相對濕度正向相關，而當相對濕度小于 75% 時，兩者反向相關； 胡敏等[20]選取了 2004 年 7 月中一次 3 種連續不同天氣條件 （ 高溫悶熱晚、日間高溫高濕和雨后清潔） ,測量了顆粒物的質量濃度分布，結果表明細粒子質量濃度占到 PM10的 68%,50 ~ 100nm 粒徑處顆粒物的數濃度最高。Yang 等[21]分析了南京市 2007 年發生的一次灰霾事件中細顆粒物的性質，發現灰霾中PM2. 5的平均質量濃度是非灰霾天氣的 1. 19 倍，此次灰霾中 PM2. 5污染比非灰霾期間嚴重得多，而且所有 PM2. 5日平均濃度均超過 EPA （ EnvironmentalProtection Agency） 的最低標準。由上述研究可以得出，氣溶膠質量譜中偏重于細顆粒物，且細顆粒物占到總質量濃度中的絕大多數，灰霾期間細顆粒物所帶來的污染嚴重，同時大氣氣溶膠顆粒物導致能見度降低的主要貢獻來自于細顆粒物； 然而細顆粒物不僅是誘發灰霾的原因之一，同時也是灰霾期間影響大氣氣溶膠光學特性的主要因素。

2. 4 氣溶膠光學厚度與 Angstrom 波長指數的變化

氣溶膠光學厚度 （ aerosol optical depth,AOD）是衡量氣溶膠粒子對太陽輻射衰減強弱能力的重要參數，而 Angstrom 波長指數 （ α） 是一個用來衡量氣溶膠粒子大小的重要光學參數，兩個參數都是在不同的波長條件下測量出來的結果，都是和粒徑大小有關的光學參數。氣溶膠光學厚度 （ AOD） 和Angstrom 波長指數 （ α） 是氣溶膠光學特征 2 個基本的光學參數，也是研究氣候變化的關鍵因素。