大气气溶胶读书报告

一、 引言

大气气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物组成的体系。由于它是由不

同相态物体组成，虽然其含量很少，但对大气中发生的许多物理化学过程都有重要的影响。例如，气溶胶对太阳辐射的吸收和散射会改变地球大气系统的行星反照率，从而影响到地气系统的能量平衡；大气气溶胶还起到云凝结核的作用；大量的气溶胶颗粒有可能使云滴的数密度增加，云滴的平均半径变小，这有可能使云对太阳辐射的反射率增加或使云的维持时间加长，甚至使降水减少。这些都会影响到地气系统的能量平衡，从而对气候变化有影响。

大气气溶胶有着众多的自然源和人为源，例如火山的喷发，海水的溅沫，地面的扬尘，

生物体的燃烧以及人类活动，燃料的使用等过程产生的各种颗粒物。但由于它在大气中的停留时间较短，其特性随空间和时间都有明显的变化，因此到目前为止，我们尚且还缺少足够的数据来研究大气气溶胶对气候系统的确切影响。根据目前的研究结果，由气溶胶引起的全球平均辐射强迫和温室气体引起的辐射强迫量级相等，而性质却相反，气溶胶引起的温度降低有可能局部抵消由于温室气体引起的全球温度升高。但相对于温室气体的研究来说，有关气溶胶辐射强迫研究的可信度都在低或者很低的水平，因此这还是一个需要进一步加强研究的领域。

二、 内容概述

所阅读的论文中，论述了大气气溶胶的尺度、分类、浓度分布等基本概念，大气气溶胶

辐射特性及其气候效应的研究，重点讨论了大气气溶胶的地面和卫星的遥感测量方法，地面遥感和多种卫星资料，包括AVHRR，SVISSR，TOMS，POLDER 等，被用来研究大气气溶胶的辐射特性，并提出了用消光和前向散射相结合和利用天空散射光分布反演粒子谱分布相函数等方法。开展了有关气溶胶气候效应的数值模拟研究，并对非球形粒子以及吸湿性粒子的作用做了专门的计算。对沙尘粒子的直接观测为研究其生成条件和输送特性提供了基础数据。文中对不同的研究方法进行了初步评述，并对气溶胶的研究提出几点建议。

三、 理论与方法

1.尺度

一般说来,半径小于1微米的粒子，大都是由气体到微粒的成核、凝结、凝聚等过程所生

成；而较大的粒子，则是由固体和液体的破裂等机械过程所形成。它们在结构上可以是均相的，也可以是多相的。已生成的气溶胶在大气中仍然有可能再参加大气的化学反应或物理过程。 液体气溶胶微粒一般呈球形，固体微粒则形状不规则，其半径一般为 10-3～102微米。粒径在10-1～101微米的气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等方面具有重要作用。

小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制，而大粒子的浓度则受沉降作用所限制。微粒在

大气中沉降的过程中， 受的阻力和重力的作用达到平衡时， 各种粒子的沉降速度不同。

2.分类

气溶胶按其来源可分为一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）和二次气溶胶

（在大气中由一次污染物转化而生成）两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源，也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源。

按粒径的大小分类：

①总悬浮颗粒物(TSP)：用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，

通常称为总悬浮颗粒物。 Dp(粒径)在100m以下，其中多数在10 m以下，是分散在大气中的各种粒子的总称。

②飘尘： Dp ＜10m能在大气中长期飘浮的悬浮物质，如煤烟、烟气、雾等。 ③降尘：能用采样罐采集到的大气颗粒物。在TSP中直径大于30 μm的粒子由于自身的

重力作用会很快沉降下来，这部分颗粒物称为降尘。

④可吸入粒子：易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子。目前国际标准化组织(ISO)建

议将其定为Dp≤10 μm。

⑤细粒子：其粒径小于2.5 μm，记为：PM2.5 按颗粒物成因分:

1.分散性气溶胶：指固态或液态物质经粉碎、喷射形成微小粒子分散在大气中形成的气

溶胶，如海浪分溅、农药喷洒等。

2.凝聚性气溶胶：由气体或蒸汽遇冷凝聚成液态或固态微粒而形成的气溶胶 按颗粒物的物理(凝聚)状态分: 1.固态：烟、尘 2.液态：雾

3.固液混合：霾、烟雾 3.浓度分布

气溶胶的浓度，可以用一定体积中微粒的总质量来表示，基本单位是微克/米，也可以

用数密度即单位体积内的粒子数目来表示。气溶胶的分布特性通常可用其粒子数目(n)、粒子表面积(S)、粒子的体积(V)或质量(m)按粒径大小 (D)的分布来描述，一般作dn/d lgD、dS/d lgD和dV/d lgD对lgD的分布图,它们基本上呈正态分布。对于半径(r)在0.1微米和10微米之间的粒子，一般用容格(Junge)分布来表示，即：

n(r)＝Cr

式中v近似等于3,C 是正比于粒子浓度的常数。但是20世纪70年代以来,有人提出三模态

大气气溶胶的分布(爱根核模、积聚模和粗粒子模)。爱根核范围的粒子是由高温过程或化学过程产生的蒸汽凝结而成；积聚作用范围的粒子是由核模中的粒子凝聚或通过蒸汽凝结长大而形成，80％以上的大气硫酸盐微粒属于此模；粗粒子则是由液滴蒸发、机械粉碎等过程形成。细粒子和粗粒子的分界线通常直径为2微米左右。从对人体呼吸道的危害看来,10微米以上的粒子,常阻留在鼻腔和鼻咽喉部；2～10微米的粒子大部分留在上呼吸道,而2微米以下的粒子随着粒径的减小在肺内滞留的比率增加,0.1微米以下的粒子随着粒径的减小在支气管内附着的比率增加。 半径小于0.1微米的粒子,其数密度随离地面高度的增加而减小，这表明它们来源于地表；但半

径0.1～1微米的粒子,其数密度在对流层顶上部随高度逐渐增加,并且在15～20公里附近出现极大值，形成平流层内的气溶胶层，这层气溶胶可能是火山喷出物气体在平流层中经氧化成固体而形成的。它虽然只占大气中气溶胶总量的百分之几，但对于大气的气温有重要的影响。通过大气遥感可探测气溶胶粒子的平均谱分布。

4.特性

由于气溶胶的分散介质是气体，气体的粘度小，分散相与分散介质的密度差很大，质点

相碰时极易粘结以及液体质点的挥发，使气溶胶有其独特的规律性。气溶胶质点有相当大的比表面和表面能，可以使一些在普通情况下相当缓慢的化学反应进行得非常迅速，甚至可以引起爆炸，如磨细的糖、淀粉和煤等。

气溶胶质点能发生光的散射，这是使天空成为蓝色，太阳落山时成为红色的原因。在动

力性质方面，其布朗运动非常剧烈，当质点小时具有扩散性质；当质点大时，由于与介质的密度差大，沉降显著。因介质是气体，这些动力性质与气体分子自由路程有关。在电学性质方面，气溶胶粒子没有扩散双电层存在，但可以带电，其电荷来源于与大气中气体离子的碰撞或与介质的摩擦，所带电荷量不等，且随时间变化；质点既可带正电也可带负电，说明其电性决定于外界条件。在稳定性方面，气溶胶粒子没有溶胶粒子那样的溶剂化层和扩散双电层，相碰时即发生聚结，生成大液滴(雾)或聚集体(烟)，此过程进展极其迅速，所以气溶胶是极不稳定的胶体分散体系，但由于布朗运动的存在，也具有一定的相对稳定性。

5.作用

气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳

辐射的吸 收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。

气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷

却大气，并会使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。

研究称气溶胶对全球变暖的“冷却效应”很微弱。一位挪威科学家表示，他已经估测出

了气溶胶到底能对气候产生多大影响。

6.气溶胶与全球变暖

散布在大气中的气溶胶微粒对太阳光具有反射效应，进而可以“遮蔽”全球变暖的影响。

而这位挪威科学家的研究项目的目的是要综合运用反应这种“直接气溶胶效应”的各类模型和观测结果，以准确评估这一冷却效应的作用。

据英国广播公司消息，挪威国际气候和环境研究中心的气候科学家冈纳〃迈尔（Gunnar

Myhre）在《科学》杂志上报告说，他的研究发现冷却效应并不像此前研究预测的那么强烈。迈尔说，这能清楚地表明到目前为止人类到底给气候带来了多大的改变。他研究的污染微粒包括硫酸盐等工业气溶胶、燃烧农业废弃物所排放的硝酸盐以及柴油发动机和其它燃烧形式所产生的黑碳（煤烟）。“气溶胶排放的全球模型显示，温室气体造成的全球变暖有大约10%被它们（气溶胶）的冷却效应消除了。” 参与该项研究的英国气象局气溶胶研究员吉姆〃海伍德（Jim Haywood）解释说，“但利用卫星手段探测到的大气气溶胶的含量却表明，冷却效应消除了大约20%（的全

球变暖）。”

迈尔协调了两种方法，最终得到了一个更为精确的评估数据——冷却效应接近10%。这

一结果比联合国政府间气候变化专家委员会(IPCC)此前所预测的要弱。“硫酸盐和有机碳反射太阳辐射，而黑碳在很大程度上却会吸收太阳辐射。”他解释说。“模型考虑到了黑碳（排放）增幅多于其它两种气溶胶的情况。但基于观测的方法却难以将其考虑在内，因为我们只有针对当前状况的观测数据，而且不是在人类活动开始之前的。这将对以后的气候预测产生影响。” 海伍德说。

不过，气溶胶对气候的影响远不止于此。气溶胶微粒会改变云层，增加大气中液滴浓度，

从而增加云量。迈尔说，这种“间接气溶胶效应”引起的遮蔽或者冷却作用仍然存在“很多不确定”。海伍德对此表示同意。“气溶胶对云量的影响让我们很伤脑筋，”他说，“这给我们的数据采集留下了一个大空白。”他和英国气象局的同事已经开始研究是否可以利用气溶胶来有意地遏制全球变暖。

在最近的一项研究中，他通过气候模型来预测，利用海盐颗粒增加云层的反照率这种故

意使云层变亮的手段将对全球气温产生什么样的影响。研究小组发现，全球变暖将被延缓多达25年，但他们同时发现，这种方法也会带来很多不利影响。研究人员说，其中最严重的后果就是，南美地区的降雨量将大幅减少，这很可能会加速亚马逊雨林的枯萎，给这一世界主要碳汇造成损失。“采用这种方法，你必须非常谨慎地选择云层。”海伍德说。迈尔指出，同温室气体相比，气溶胶对气候的影响最终将变得无足轻重。

“气溶胶的寿命很短，而温室气体的寿命却很长——二氧化碳可以存在100多年。”他

说，“在将来，温室气体才是全球变暖真正的大问题。它们的影响将越来越重要。”

7.气溶胶的测量

气溶胶粒子对入射辐射的散射和吸收作用可以使入射辐射的性质和强度发生变化，通过

测量入射辐射的变化可以反演气溶胶粒子特性，这是遥感气溶胶的基本原理。利用遥感方法可以直接得到气溶胶辐射特性，并用于气候研究过程。

7.1地基遥感

目前国内开展的地基遥感方法主要有：太阳直接辐射的宽带分光辐射遥感、多波段光度

计遥感、根据天空散射亮度分布遥感、全波段太阳直接辐射遥感、华盖计遥感以及激光雷达遥感等。

①太阳直接辐射的宽带分光辐射遥感

根据Angstrom 公式，气溶胶的光学厚度与波长的关系符合： τ（λ）=βλ-α （1）

其中τ为大气气溶胶光学厚度，β 表示整层大气气溶胶的浓度，称为Angstrom 大气浑

浊度参数，α与气溶胶的粒子谱分布有关。按照式（1），如果已知气溶胶在两个波段的消光，即可求出β 和α 的值。根据世界气象组织（WMO）的推荐，利用波长范围分别为：0 . 53 ～ 2 . 80μm，0 . 63 ～ 2 . 80μm，0 . 7 ～ 2 . 8μm 的OG1，RG2，RG8 3 种滤光片测量太阳直接辐射，然后把3 种滤光片测得的太阳直接辐射相减，可以获得到达地面的0 . 53 ～ 0 . 63

μm，0 . 63 ～ 0 . 7μm 波长范围内的太阳直接辐射，根据这两个波段的大气上界太阳辐射常数，可以解方程组得到β和α的值，从而得到气溶胶浓度和粒子半径的信息。

②多波段光度计遥感

多波段光度计是利用可见到近红外波段范围内一系列窄波段滤光片（通常半波宽度小于

20 nm）测量大气对太阳直接辐射的消光，然后反演大气气溶胶光学厚度和粒子谱。这是目前在气溶胶遥感方法中比较准确，也是应用较多的一种方法。

③根据天空散射光亮度分布遥感

来自太阳的入射光被大气分子和大气气溶胶散射，使整个天空都呈现光亮的状态，天空

亮度的分布是由太阳位置和大气中的散射质点特性决定的，分析天空的亮度特征，可以得到气溶胶信息。

④利用全波段太阳直接辐射遥感

邱金桓等全波段太阳直接辐射对气溶胶光学厚度及粒子谱敏感性的基础上提出了从晴

天全波段太阳直接辐射信息确定0 . 7μm 波长气溶胶光学厚度的方法；1997 年他又对这个方法作了改进，在加上了能见度信息的基础上，提出了利用全波段太阳短波直接辐射和能见度信息，同时反演整层大气气溶胶光学厚度和平流层光学厚度的方法，并用于长时间序列大气气溶胶特性的研究。

⑤激光雷达遥感

激光雷达可以遥感气溶胶粒子随高度的分布特征，近几年利用激光雷达遥感气溶胶的研

究得到了很大重视，但由于激光雷达设备费用较高，目前仅在合肥、北京等地利用激光雷达进行长期遥感气溶胶的工作。

7.2卫星遥感

地面遥感气溶胶可以得到较为准确的气溶胶信息，但是目前这种方法只能在有限的区域

进行，不能用来遥感大范围气溶胶光学特性。利用卫星遥感可以弥补这个不足，特别是在环境恶劣的边远地区和广阔的海洋地区，卫星遥感方法更能显出它的优势。

四、扩展讨论

在大气气溶胶的研究方面，已经进行了大量的研究工作，也提出了很多有价值的研究方

法，得到了大量的有价值的数据。根据目前的研究状况，还应开展以下几方面工作：

（1）数据资料的收集整理。现有的观测数据大部分分散在各研究单位，虽然资料很多，

但没有形成整体优势。系统分析气溶胶的时空特征，找出目前研究的不足，然后有针对性的开展一些研究工作。

（2）不同遥感方法的综合比较试验。可以考虑进行一次综合的仪器和方法的比较试验，

通过分析同时观测的结果，评价不同方法的准确性、适应范围，为以后的气溶胶研究提供可行方法和并评价结果可信性。

（3）在有条件的地方进行长时间的气溶胶观测，一方面可以得到气溶胶长期变化趋势，

另一方面可以为气溶胶研究提供基本的参考数据。

五、评论及结语

许多直接和间接的遥感技术已被用于测量气溶胶的光学厚度, 其中利用卫星图像反演

气溶胶光学厚度已经成为快速、有效地获得大气气溶胶光学厚度的手段。虽然原则上讲美国已经能用图像给出全球大部分地区的气溶胶光学厚度, 但是包括我国在内的许多陆地类型和海岸带地区给出的气溶胶光学厚度明显与实际不符。其主要原因是地表反射率假设不正确或气溶胶模型的选择不符合实际。

我们已对卫星遥感气溶胶进行了一些研究，但相对于国际上在这个领域的研究工作来说，

我们还需要加大研究力度，特别应注重利用卫星遥感中国地区大范围气溶胶光学特性，发挥卫星遥感的优势，此外还要注意利用新的探测器（如：POLDER，MODIS 等）来研究大气气溶胶。

参考文献

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