引言

大气气溶胶一般是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。大气气溶胶颗粒物的直径多在10^-3~10² μm之间，它不但能通过散射和吸收作用改变太阳辐射而影响整个地气系统的辐射收支，直接或间接地影响着全球环境和气候的变化，还对人类健康有着重要影响^[1-2]。

气溶胶的消光系数为散射系数与吸收系数之和。在一般地区，颗粒物散射消光系数大于或远远大于颗粒物吸收消光系数，即相对于颗粒物的散射作用，其吸收作用对气溶胶消光作用的贡献较小^[3-4]，因此，测量颗粒物的散射系数能较好地估计气溶胶对总消光系数的贡献。国外的气溶胶散射试验开展得较早，NOAA早在20世纪80年代就开始了气溶胶散射性质的试验^[5-6]，1995年以来国际大气化学研究计划组织了多次气溶胶特性试验(ACE)，观测得到气溶胶散射性质的数据^[7-9]。国内的研究相对较少，Xu等^[10]利用本底站临安的浊度计观测数据研究长江三角洲的气溶胶辐射特性，柯宗建等^[11]利用北京上甸子大气本底站的观测数据详细分析了当地气溶胶的散射特征。胡波等^[12-13]研究了兰州市冬季气溶胶的散射特征及其变化规律。蔡斌彬^[14]对天津市的污染天气散射特征和消光系数的比例构成进行了实验与研究。

天津市位于环渤海经济圈的中心，是中国北方最大的沿海开放城市, 是我国北方的海运与工业中心。天津市近几年正处于大规模的建设中，气溶胶污染不容小觑，但对气溶胶散射特性方面的研究相对较少，对大城市气溶胶的散射特性规律的研究特别是空气质量较差的秋冬季是很重要的。

1 观测仪器与资料来源

试验使用澳大利亚ECOTECH公司的M9003型积分式浊度仪进行气溶胶散射系数的测定，利用浊度仪观测地面气溶胶散射系数是一种相对简单、经济并且有效的手段^[15]。观测仪器安装在天津市气象观测铁塔院实验室内，仪器距地高度1 m，观测地点位于天津市区东北方向(39°04′N、117°12′E)，海拔2.2 m，周围环境是城市建筑群，东临立交桥，三面被城市建筑包围。院内有天津市城市气候监测站，属于国家观测一般站，分析所用气象资料均来自该观测站。

此仪器用来测量波长为525 nm的气溶胶散射系数，采用加热进气管控制湿度影响，试验期间进行连续观测，通过统计天津市区2006年9月1日至2007年2月28日(北京时，下同)期间散射系数5 min一次的时间序列，计算得出散射系数小时平均值。其中2006年9月23日至10月10日的观测数据缺失。有效样本数3149个。

PM_2.5质量浓度的观测采用美国R & P公司生产的R & P 1400a大气颗粒物质量浓度监测仪，仪器安装在气象观测铁塔院内40 m高度处，在2006年11月1—30日期间进行观测，PM_2.5质量浓度每分钟一次的时间序列通过计算得出小时平均值。PM₁₀质量浓度观测数据均来自环保局监测结果，天津市区秋冬季PM₁₀质量浓度分析来源于2005年1月1日至2005年12月31日市监测中心站(39°05′N、117°09′E)观测数据，采样高度14.1 m；沙尘天气散射系数变化特征分析所用PM₁₀浓度数据来自天津市环保局梅江监测站(39°03′N、117°13′E)，采样高度12.2 m，两个采样点均位于天津市区内。

2 结果讨论 2.1 天津市区秋冬季大气气溶胶散射系数变化特征

天津市区秋冬季散射系数小时平均值变化范围在10⁰~10⁴ Mm^-1。有效样本中，最大散射系数值达到3149.7 Mm^-1，出现在2006年12月26日上午10时，最小散射系数值为2.9 Mm^-1，出现在2006年12月7日凌晨4时，小时散射系数平均值为412.4 Mm^-1，是北京上甸子的2.3倍^[11]。

图 1a反映了天津市区秋冬季节散射系数日变化特征。日变化曲线呈典型的双峰型，日平均散射系数峰值出现在早6时和晚22时，分别为508.5和431.4 Mm^-1。冬季散射系数要高于秋季，峰值出现时间略有差别，冬季散射系数峰值出现在早9时和晚21时，分别为553.1和541.7 Mm^-1；秋季散射系数峰值出现在早7时和晚23时，分别为491.9和354.2 Mm^-1。

从天津市区秋冬季PM₁₀浓度的日变化(图 1b)和气象因子相对湿度、风速的日变化(图 2)可知，散射系数的日变化特征和PM₁₀等主要污染物的日变化趋势一致，PM₁₀浓度在早晚出现峰值，主峰出现在早晨^[16]。这与城市大气层结的日变化规律有很好的相关性，城市的早晨容易出现逆温，也是城市交通的高峰时间，此外早晨的风速较小相对湿度较高都会影响气溶胶的散射，污染物聚集条件下气溶胶散射系数增长。随着近地层对流活动逐渐增强，污染物扩散散射系数会逐渐减小。夜间对流减弱，风速减小，相对湿度增大，大气层结稳定不利于气溶胶的扩散，又导致散射系数较高^[17]。

图 3为天津市区秋冬季节散射系数小时平均值统计分布图，区间间隔设为100 Mm^-1，由图可知，散射系数小时平均值主要出现在800 Mm^-1以内，每个级别出现的时次都超过100，大于800 Mm^-1每个级别出现时次都低于90。其中100 Mm^-1以下散射系数小时平均值出现频次最集中，达到900时次以上。

2.2 散射系数与PM_2.5的相关分析

刘新民等^[18]对北京市夏季大气消光系数研究得出，颗粒物的散射作用大约占对大气消光系数的70%，颗粒物的消光贡献可以达到总消光的90%，而PM_2.5在气溶胶散射中又占了大部分；董海燕^[19]通过实验观测数据计算得出，天津市初夏PM_2.5浓度占PM₁₀浓度的百分比为51.1%；刘新罡等^[3]对广州市大气观测结果计算得到：粒径小于2.5 μm的气溶胶粒子在λ=0.55 μm处对太阳辐射的散射占总散射的89%，粗粒子的散射比例仅为11%。散射系数与PM_2.5之间存在着很好的关系，有研究通过相关分析得出二者相关系数均超过0.9^{[11, 14]}。

利用2006年11月观测的散射系数数据和气象观测铁塔40 m高度处观测的PM_2.5浓度数据进行相关分析，有效样本701个。2006年11月天津市区出现大雾的天数较往年多，合计出现大雾5天，轻雾16天，霾1天，降水3天，故做了相对湿度的分组统计。

随着相对湿度的增大，PM_2.5浓度增加，气溶胶散射系数值相应增大，由图 4可知，相对湿度小于20%时，PM_2.5的浓度平均值为0.02 mg·m^-3，散射系数平均值只有32.9 Mm^-1，相对湿度大于80%时PM_2.5浓度和散射系数都偏高，PM_2.5浓度平均值达到0.14 mg·m^-3，散射系数平均值达到499.3 Mm^-1。

PM_2.5浓度日变化与散射系数日变化曲线趋势接近(图 5)，特别是00—12时两者变化曲线更为吻合，日变化同为早晚双峰形，主峰出现在早晨，日最大值和最小值出现时间相同，PM_2.5浓度和散射系数的日最大值都出现在09时，分别达到0.12 mg·m^-3和374.1 Mm^-1，最小值都出现在15时，分别为0.06 mg·m^-3和135.9 Mm^-1。两者呈正相关，相关系数达到0.78，通过了α= 0. 05的显著性检验。气溶胶细粒子浓度对气溶胶散射系数变化影响较大。PM_2.5是PM₁₀的重要组成部分，北京地区PM_2.5与PM₁₀的比值全年平均为0. 55^[20]，与天津市的研究结果相近^[19]，可见PM_2.5对气溶胶散射的贡献不小。

2.3 雾霾日散射系数变化特征

雾日定义为排除日降水量大于0.0 mm的日期，只要出现轻雾和大雾则记为雾日；霾日定义为排除日降水量大于0.0 mm的日期和雾日，只要出现霾则记为霾日；晴天定义为无视程障碍现象和降水现象出现，三次观测时天空云量均≤8成。散射系数观测期间2006年9月1日至2007年2月28日，合计雾日69天，霾日8天，晴天31天。

雾日、霾日时大气气溶胶的散射系数要明显高于晴天时(图 6)，雾日、霾日和晴天时的日平均散射系数分别为588.8，403.7和172.5 Mm^-1，雾日的散射系数最大，晴天的散射系数最小，不到雾日的三分之一。

雾日、霾日时的散射系数日变化呈早晚双峰形，晴天时散射系数在夜晚较高，散射系数高值主要出现在19—02时，小时平均值都超过了200 Mm^-1，夜间23时最高，达到255 Mm^-1。雾日的主要峰值出现在上午，05—09时散射系数平均值都超过了700 Mm^-1，07时最高达到736.6 Mm^-1。霾日散射系数最大值出现在23时为554.7 Mm^-1，日变化曲线没有雾日和晴天时光滑，主要是因为单纯霾出现的时间不定，早晨和夜间出现的频率相对大些，由图 1b和图 5可知PM₁₀、PM_2.5浓度水平呈早晚高下午低的趋势。而雾是在湿度较大时才会出现，主要在早晨观测到，其次是夜间出现较多(图 2a)。

2.4 沙尘天气散射系数变化特征

天津地区每年出现沙尘天气的次数不多，这里分析2007年的一个典型大风扬沙过程的散射系数以及PM₁₀浓度变化情况。分析所用PM₁₀浓度数据来自天津市环保局梅江监测站(39°24′N、117°12′E)。2007年2月13日天津市区早晨观测到轻雾，能见度仅为2.5 km，下午出现了扬沙和大风天气(表 1)。图 7为出现大风扬沙时散射系数、PM₁₀浓度和风速的逐时变化，从变化曲线可以看出散射系数与PM₁₀浓度和风速的变化存在相应关系。12时以前小时平均风速值均不超过2.1 m·s^-1，从13时开始明显增大，16时42分出现大风，极大风速达到17.7 m·s^-1，随后风速逐渐减弱，23时回落到3.4 m·s^-1。散射系数与PM₁₀浓度变化情况不同，散射系数在风速增大前维持着较高水平，随着风速增大而大幅减小，以12时为分界线，12时以前散射系数都超过1000 Mm^-1，09时达到峰值1654.7 Mm^-1，13时散射系数大幅减小至129.7 Mm^-1，PM₁₀浓度在起风前保持在0.2~0.3 mg·m^-3，13时风速增大浓度开始增加，17时达到峰值0.78 mg·m^-3。大风扬沙天气导致PM₁₀浓度增大，而散射系数却减小。对于固定质量浓度的气溶胶, 散射效率最高的粒子尺度在0. 2~1. 0 μm^[21], 即对总散射系数的贡献最大, 而粒径大于1.0 μm的粒子对质量浓度的贡献较大, 扬沙天气导致空气中的大粒子浓度增加，当PM₁₀质量浓度表现为高值时, 散射系数并没有表现为高值^[22-23]。

3 结论

天津市区秋冬季大气气溶胶散射系数日变化曲线呈典型的双峰形，日平均峰值出现在早6时和晚22时，散射系数分别为508.5和431.4 Mm^-1。冬季散射系数要高于秋季。

雾日、霾日和晴天时的平均散射系数分别为588.8，403.7和172.5 Mm^-1，雾日的散射系数最大，晴天的散射系数最小，不到雾日的三分之一。雾日和霾日时的散射系数日变化呈早晚双峰形，霾日散射系数日变化曲线没有雾日和晴天时光滑。

出现大风扬沙天气时散射系数与PM₁₀浓度变化相反，扬沙天气带来的大粒子导致PM₁₀浓度增加，而小粒子对散射系数的贡献最大，扬沙天气并没有使散射系数表现出高值。

PM_2.5浓度日变化与散射系数日变化曲线非常接近，同为早晚双峰形，两者呈正相关，相关系数达到0.78，通过了α= 0. 05的显著性水平检验。气溶胶细粒子浓度对气溶胶散射系数变化影响较大。