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氣溶膠科學技術研究進展

來源:點擊:20076發布時間:2015-10-14

大氣氣溶膠(簡稱氣溶膠)是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系,盡管氣溶膠只是地球大氣成分中含量很少的組分,但由于其獨特的理化性質及其在大氣中發生的各種物理化學反應,對地球氣候和環境系統造成了顯著影響,成為國際大氣化學研究中最前沿的領域。氣溶膠被認為是與溫室氣體、土地利用、太陽活動等同等重要的全球氣候變化的驅動因子,也是氣候強迫中最不確定性的因子之一,是當前國際熱門課題。近年來,有關氣溶膠研究的文章呈指數增長。《Nature》,《Science》等國際頂尖科學雜志不斷報道該領域的最新研究成果,2005年以來出版了有關氣溶膠、空氣污染和氣候變化的論文每年達十數篇,這在2個雜志的歷史上均屬罕見。世界許多國家已投入巨額科研基金用于氣溶膠的太空、地面及航空測量和模擬研究。如僅聯合國環境署一個機構就在亞太地區的大氣棕色云研究中投入了1500多萬美元。

一、國內近五年的主要研究進展

1.氣溶膠研究項目與投入

近5年,以國家重點基礎研究發展計劃973為支撐,我國開展 “長江、珠江三角洲地區土壤和大氣環境質量變化規律與調控原理”、“燃燒源可吸入顆粒物的形成與控制技術基礎研究”、“中國酸雨沉降機制、輸送態勢及調控原理”、“中國大氣氣溶膠及其氣候效應的研究”等氣溶膠研究相關的理論研究,這些項目的經費投入均在3000萬元左右。在資源環境技術領域,國家科技部于2007年開始重點支持北京大學牽頭的863計劃— “重點城市群大氣復合污染防治技術與集成示范”重大項目,總經費投入由國家資助經費1.5億元,廣東省配套經費1億元。此外,每年還有多項國家自然科學基金委的面上項目,重點項目乃至杰青項目以及有關部委的專門項目經費支持,開展前沿的氣溶膠科學研究。

2.我國氣溶膠研究的主要成果和進展

我國在大氣氣溶膠光學特性、超細粒子譜分布、化學成分在線測量,以及基于飛機觀測、衛星遙感測量氣溶膠等得到了顯著的發展,基于網絡化的氣溶膠長期、業務觀測系統建設以及實驗室研究氣溶膠特性和機制取得重要進展。

1)利用帶電顆粒在電場中的電遷移測量(DMA)并結合APS技術獲得更寬范圍粒子譜分布的測試技術,對我國城市和鄉村背景地區,如北京、南京、珠江三角洲地區、長江三角洲地區、以及全球大陸本底地區(青海瓦里關)開展了氣溶膠超細粒子譜的直接觀測。研究了細粒子和超細粒子的譜分布特征及新粒子生成、演變等。

2)利用氣溶膠質譜儀(Aerosol Mass Spectrometer,AMS)或氣溶膠飛行時間質譜儀(Aerosol Time-of-flight Mass spectrometer, ATOFMS)實時在線測量氣溶膠亞微米粒子粒徑和化學成分,研究了硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物和有機物的在亞微米粒徑段的化學成分粒徑分布和快速變化,初步分析了有機氣溶膠的來源和二次有機氣溶膠產生和演變。

3)通過包括氣溶膠光學特性和親水增長的綜合觀測試驗研究和網絡化的長期監測,對我國大氣氣溶膠輻射特性及時、空分布特征有了進一步的認識。發現在我國許多城市地區,以及長江三角洲地區、珠江三角洲地區氣溶膠散射系數、吸收系數都數值較高,且氣溶膠具有較強的輻射吸收特點;氣溶膠親水增長的研究顯示我國不同區域氣溶膠親水增長因子有較明顯的地區差別和季節變化,氣溶膠親水增長特性與氣溶膠化學成分有關,通常硫酸鹽等含量較高有利于氣溶膠的親水增長。氣溶膠顆粒物中細粒子比例越高,硫酸根離子、硝酸根離子、銨根離子等可溶性成分濃度越高,氣溶膠顆粒的親水能力則越強。有機碳對氣溶膠親水增長的影響較復雜,一般情況下,有機碳濃度越低,氣溶膠的親水能力越強。對30~400 nm粒徑的粒子親水增長測量發現,氣溶膠在積聚模態粒子的粒徑親水增長因子最高,且隨著粒徑的減小親水增長因子顯著降低。但在大粒子端(350 nm),氣溶膠親水增長因子受到粒子中非親水性成分的增加影響而出現降低。

4)中國氣象局系統和中國科學院系統都先后建立了相應的觀測臺站網,對不同波段氣溶膠光學厚度展開了遙感觀測。國際上相應網(AERONET)也在中國建立了若干觀測點,用于校準衛星遙感氣溶膠光學厚度的精度和改進反演方法,并用于氣溶膠氣候效應的研究以及大范圍氣溶膠的環境效應;利用激光雷達探測大氣氣溶膠垂直分布的能力有了較大發展。進入21世紀以來,我國己研制和引進了各種用于監測氣溶膠的激光雷達,包括基于米散射的激光雷達,多波段激光雷達,有測量偏振波的激光雷達,也有帶喇曼散射的激光雷達。這些裝備除了能探測測站上方氣溶膠消光系數的垂直分布以外,還能測量氣溶膠粒子尺度分布特征在垂直方向的分布,以及氣溶膠消光后向散射比在垂直方向的分布;由中國氣象局、中國科學院氣溶膠特性地基觀測網、以及中國大氣本底監測站網和大氣成分監測網(包括中國氣象局、中國科學院、國家環保部的站網建設)取得了重要的進展,具有不同程度對氣溶膠連續質量濃度監測儀(PM10/PM2.5,TEOM)、散射系數/吸收特性(Nephelometer M9003/Tsi3563、Aethalometer/MAAP/PSAP)、氣溶膠化學成分采樣系統、氣溶膠數濃度(CPC,TSI3010)、能見度儀(FD12,Vasaila)、氣溶膠光學厚度(Sunphotometer,Cimel 318),以及干沉降等、激光雷達觀測等長期觀測能力。

5)在大氣氣溶膠飛機測量技術。通過先后引進了機載的PMS和DMT測量系統,在北京和華北地區的觀測了不同天氣條件下氣溶膠數密度和粒子譜隨高度分布;利用飛機搭載較綜合的大氣氣溶膠及其前體物測量儀器,研究我國大氣污染分布和傳輸,以及大氣污染與云和降水影響等。揭示了區域性復合污染的時、空分布特征。

6)實驗室模擬技術。在實驗室利用多功能煙霧箱,結合其它在線測量技術研究機動車尾氣排放、模擬不同環境條件下大氣氣溶膠生成、粒子譜變化以及反應機制、模擬不同環境因素條件(溫度、濕度、酸堿度、光照強度、光照時間)對天然源二次有機氣溶膠形成速率以及氣相顆粒相化學組分的影響。

7)在碳氣溶膠(OC/EC)研究方面,近幾年我國取得了較大進展。這些成就包括:碳氣溶膠排放狀況研究;OC和EC的時空分布研究以及OC和EC的來源解析的研究工作。發現我國生煤的BC和OC排放因子最高,無煙蜂窩煤球排放因子最低;根據測量的農村居民使用生物質燃燒的排放因子和國家統計數據,獲得了我國燃煤和生物質燃料排放的BC和OC量。在OC、EC分布上,發現我國大氣中OC、EC含量明顯偏高;OC與EC的含量一般在冬季達到最高值,夏季較低。這主要與我國北方冬季采暖和夏季降水清除和擴散能力較強有關。在城市大氣中,如西安,秋冬季碳氣溶膠不同來源的貢獻有顯著不同:秋季汽油車尾氣比例最高,其次是柴油車尾氣和生物質燃燒;冬季燃煤貢獻與汽油車尾氣貢獻最高且大小相當,生物質燃燒和柴油車貢獻相對較小。

8)隨著國內外對我國沙塵暴研究的重視,采用新的分析技術對沙塵氣溶膠的礦物成分特點以及有關沙塵氣溶膠的來源以及沙塵氣溶膠輻射特性和氣候效應的研究也取得了顯著的進展。①在沙塵氣溶膠的源地示蹤技術上,利用我國沙塵源區沙塵氣溶膠源譜特征和元素與同位素分析示蹤,研究城市和污染地區大氣中沙塵氣溶膠源。通過對不同區域沙塵氣溶膠的碳氧同位素組成研究,發現碳氧同位素可以作為沙塵氣溶膠來源指示的可靠指標;②初步形成我國沙塵暴地面、衛星監測預警系統;③在沙塵氣溶膠氣候效應研究方面,發現源于中國沙漠的沙塵氣溶膠與其他沙塵模型相比復折射指數偏低,對太陽輻射的吸收性較弱。沙塵長距離輸送過程,沙塵氣溶膠和當地天氣系統相互作用產生有意義的氣候效應。揚沙和沙塵暴天氣能增加大氣中大核和巨核的濃度,促進云中水汽的活化,使降水提前出現。當礦物沙塵粒子同時作為有效的云凝結核和冰核參與云的發展時,冰核濃度增加使水成物有效半徑減小,抑制了降水,云內存留的大量冰晶能增強云的光學厚度和反照率。二、國內外比較

由于氣溶膠在全球的分布具有高度的時空變化特征,我國是沙塵、黑碳、硫酸鹽等氣溶膠的高排放區域,氣溶膠研究的國際合作較為活躍。1999年由國際大氣化學委員會(IGAC)發起組織的亞洲氣溶膠特征實驗(ACE-Asia)就是一項頗具代表性的國際合作研究成果,由美國、日本、韓國、中國、加拿大、俄羅斯等國參加。ACE-Asia的最主要科學目標是減小氣溶膠引起的氣候影響計算中的不確定性,并定量分析這一地區復雜的大氣、氣溶膠和云組成的多相系統。ACE-Asia實驗較大地帶動了國內一些研究單位的氣溶膠研究水平,并通過國際合作發表一批學術研究論文,包括在《Journal of Geophysical Research》出版一本有史以來最厚的一本專輯,具有很高的國際影響。2005年重大國際合作計劃-季風亞洲區域集成研究計劃(MAIRS)中有專門進行氣溶膠集成研究的項目,目前也正在促進國內氣溶膠研究的觀測與模擬研究。此外,還有一些單位積極參加國際組織的氣溶膠聯合觀測與研究計劃,也較好推動了國內氣溶膠的合作研究,如北京大學在珠三角地區牽頭開展的綜合觀測計劃PRIDE-PRD,有德國、日本等國科學家參加,他們聯合在《Atmospheric Environment》上發表了一期專輯論文。

三、存在問題

與國際先進氣溶膠研究相比,國內氣溶膠研究尚存在較大差距,如在先進分析儀器的設計開發、功能先進齊全的數值模式開發、新的理論研究思路、綜合觀測網絡與數據同化技術,空間氣溶膠觀測技術如遙感衛星、航測飛機等方面明顯不如,這些都是需要國內氣溶膠研究者大力發展的領域。此外,國內學者在國際頂尖雜志《Nature》、《Science》等刊物上獨立發表原創性研究論文的能力還亟待提高。

四、 展望本學科發展趨勢

氣溶膠研究是一個既有重要理論需求,又有緊迫實際應用需求的學科。從近期氣溶膠及其對環境、氣候效應研究的需求上,除了進一步加強我國自主氣溶膠測量儀器研發能力,提升我國氣溶膠綜合探測能力和研究水平,下面幾個方面也是目前迫切需要解決的問題:

(1)氣溶膠吸收特性測量還存在很大不確定性。通過對不同觀測技術的比較、分析,定量評估氣溶膠吸收系數測量的不確定性是下一步亟待解決的問題。

(2)我國具有綜合氣溶膠探測能力的飛機觀測平臺與國際發達國家相比還有較大的差距。建立具有多種功能的綜合飛機觀測平臺/飛行實驗室是下一步亟待解決的問題。

(3)大氣光氧化劑與氣溶膠顆粒物間復雜的耦合相互作用,是國際大氣化學研究的前沿和熱點課題。二次光化學氧化劑和氣溶膠顆粒物之間非均相過程的實驗室研究是深入認識這兩者間耦合相互作用的關鍵。未來需要加強二次光化學氧化劑與氣溶膠間的非均相過程的實驗室研究和相關技術的發展。

(4)與國外已有的工作相比,我國系統深入的碳氣溶膠研究尚嫌不足,有關碳氣溶膠標準采樣和精確測量、特征和源譜的系統深入研究比較缺乏。未來研究應注重有機碳和元素碳的綜合對比研究、加強對水溶性有機碳研究、開展主要碳氣溶膠來源的定量解析,加強碳氣溶膠化學分析技術和方法的研究,規范碳同位素的測量及其它氣溶膠的化學測量方法同步使用等。

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