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气溶胶科学技术研究进展

大气气溶胶(简称气溶胶)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,尽管气溶胶只是地球大气成分中含量很少的组分,但由于其独特的理化性质及其在大气中发生的各种物理化学反应,对地球气候和环境系统造成了显著影响,成为国际大气化学研究中最前沿的领域。气溶胶被认为是与温室气体、土地利用、太阳活动等同等重要的全球气候变化的驱动因子,也是气候强迫中最不确定性的因子之一,是当前国际热门课题。近年来,有关气溶胶研究的文章呈指数增长。《Nature》,《Science》等国际顶尖科学杂志不断报道该领域的最新研究成果,2005年以来出版了有关气溶胶、空气污染和气候变化的论文每年达十数篇,这在2个杂志的历史上均属罕见。世界许多国家已投入巨额科研基金用于气溶胶的太空、地面及航空测量和模拟研究。如仅联合国环境署一个机构就在亚太地区的大气棕色云研究中投入了1500多万美元。

一、国内近五年的主要研究进展

1.气溶胶研究项目与投入

近5年,以国家重点基础研究发展计划973为支撑,我国开展 “长江、珠江三角洲地区土壤和大气环境质量变化规律与调控原理”、“燃烧源可吸入颗粒物的形成与控制技术基础研究”、“中国酸雨沉降机制、输送态势及调控原理”、“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”等气溶胶研究相关的理论研究,这些项目的经费投入均在3000万元左右。在资源环境技术领域,国家科技部于2007年开始重点支持北京大学牵头的863计划— “重点城市群大气复合污染防治技术与集成示范”重大项目,总经费投入由国家资助经费1.5亿元,广东省配套经费1亿元。此外,每年还有多项国家自然科学基金委的面上项目,重点项目乃至杰青项目以及有关部委的专门项目经费支持,开展前沿的气溶胶科学研究。

2.我国气溶胶研究的主要成果和进展

我国在大气气溶胶光学特性、超细粒子谱分布、化学成分在线测量,以及基于飞机观测、卫星遥感测量气溶胶等得到了显著的发展,基于网络化的气溶胶长期、业务观测系统建设以及实验室研究气溶胶特性和机制取得重要进展。

1)利用带电颗粒在电场中的电迁移测量(DMA)并结合APS技术获得更宽范围粒子谱分布的测试技术,对我国城市和乡村背景地区,如北京、南京、珠江三角洲地区、长江三角洲地区、以及全球大陆本底地区(青海瓦里关)开展了气溶胶超细粒子谱的直接观测。研究了细粒子和超细粒子的谱分布特征及新粒子生成、演变等。

2)利用气溶胶质谱仪(Aerosol Mass Spectrometer,AMS)或气溶胶飞行时间质谱仪(Aerosol Time-of-flight Mass spectrometer, ATOFMS)实时在线测量气溶胶亚微米粒子粒径和化学成分,研究了硫酸盐、硝酸盐、氯化物和有机物的在亚微米粒径段的化学成分粒径分布和快速变化,初步分析了有机气溶胶的来源和二次有机气溶胶产生和演变。

3)通过包括气溶胶光学特性和亲水增长的综合观测试验研究和网络化的长期监测,对我国大气气溶胶辐射特性及时、空分布特征有了进一步的认识。发现在我国许多城市地区,以及长江三角洲地区、珠江三角洲地区气溶胶散射系数、吸收系数都数值较高,且气溶胶具有较强的辐射吸收特点;气溶胶亲水增长的研究显示我国不同区域气溶胶亲水增长因子有较明显的地区差别和季节变化,气溶胶亲水增长特性与气溶胶化学成分有关,通常硫酸盐等含量较高有利于气溶胶的亲水增长。气溶胶颗粒物中细粒子比例越高,硫酸根离子、硝酸根离子、铵根离子等可溶性成分浓度越高,气溶胶颗粒的亲水能力则越强。有机碳对气溶胶亲水增长的影响较复杂,一般情况下,有机碳浓度越低,气溶胶的亲水能力越强。对30~400 nm粒径的粒子亲水增长测量发现,气溶胶在积聚模态粒子的粒径亲水增长因子最高,且随着粒径的减小亲水增长因子显著降低。但在大粒子端(350 nm),气溶胶亲水增长因子受到粒子中非亲水性成分的增加影响而出现降低。

4)中国气象局系统和中国科学院系统都先后建立了相应的观测台站网,对不同波段气溶胶光学厚度展开了遥感观测。国际上相应网(AERONET)也在中国建立了若干观测点,用于校准卫星遥感气溶胶光学厚度的精度和改进反演方法,并用于气溶胶气候效应的研究以及大范围气溶胶的环境效应;利用激光雷达探测大气气溶胶垂直分布的能力有了较大发展。进入21世纪以来,我国己研制和引进了各种用于监测气溶胶的激光雷达,包括基于米散射的激光雷达,多波段激光雷达,有测量偏振波的激光雷达,也有带喇曼散射的激光雷达。这些装备除了能探测测站上方气溶胶消光系数的垂直分布以外,还能测量气溶胶粒子尺度分布特征在垂直方向的分布,以及气溶胶消光后向散射比在垂直方向的分布;由中国气象局、中国科学院气溶胶特性地基观测网、以及中国大气本底监测站网和大气成分监测网(包括中国气象局、中国科学院、国家环保部的站网建设)取得了重要的进展,具有不同程度对气溶胶连续质量浓度监测仪(PM10/PM2.5,TEOM)、散射系数/吸收特性(Nephelometer M9003/Tsi3563、Aethalometer/MAAP/PSAP)、气溶胶化学成分采样系统、气溶胶数浓度(CPC,TSI3010)、能见度仪(FD12,Vasaila)、气溶胶光学厚度(Sunphotometer,Cimel 318),以及干沉降等、激光雷达观测等长期观测能力。

5)在大气气溶胶飞机测量技术。通过先后引进了机载的PMS和DMT测量系统,在北京和华北地区的观测了不同天气条件下气溶胶数密度和粒子谱随高度分布;利用飞机搭载较综合的大气气溶胶及其前体物测量仪器,研究我国大气污染分布和传输,以及大气污染与云和降水影响等。揭示了区域性复合污染的时、空分布特征。

6)实验室模拟技术。在实验室利用多功能烟雾箱,结合其它在线测量技术研究机动车尾气排放、模拟不同环境条件下大气气溶胶生成、粒子谱变化以及反应机制、模拟不同环境因素条件(温度、湿度、酸碱度、光照强度、光照时间)对天然源二次有机气溶胶形成速率以及气相颗粒相化学组分的影响。

7)在碳气溶胶(OC/EC)研究方面,近几年我国取得了较大进展。这些成就包括:碳气溶胶排放状况研究;OC和EC的时空分布研究以及OC和EC的来源解析的研究工作。发现我国生煤的BC和OC排放因子最高,无烟蜂窝煤球排放因子最低;根据测量的农村居民使用生物质燃烧的排放因子和国家统计数据,获得了我国燃煤和生物质燃料排放的BC和OC量。在OC、EC分布上,发现我国大气中OC、EC含量明显偏高;OC与EC的含量一般在冬季达到最高值,夏季较低。这主要与我国北方冬季采暖和夏季降水清除和扩散能力较强有关。在城市大气中,如西安,秋冬季碳气溶胶不同来源的贡献有显著不同:秋季汽油车尾气比例最高,其次是柴油车尾气和生物质燃烧;冬季燃煤贡献与汽油车尾气贡献最高且大小相当,生物质燃烧和柴油车贡献相对较小。

8)随着国内外对我国沙尘暴研究的重视,采用新的分析技术对沙尘气溶胶的矿物成分特点以及有关沙尘气溶胶的来源以及沙尘气溶胶辐射特性和气候效应的研究也取得了显著的进展。①在沙尘气溶胶的源地示踪技术上,利用我国沙尘源区沙尘气溶胶源谱特征和元素与同位素分析示踪,研究城市和污染地区大气中沙尘气溶胶源。通过对不同区域沙尘气溶胶的碳氧同位素组成研究,发现碳氧同位素可以作为沙尘气溶胶来源指示的可靠指标;②初步形成我国沙尘暴地面、卫星监测预警系统;③在沙尘气溶胶气候效应研究方面,发现源于中国沙漠的沙尘气溶胶与其他沙尘模型相比复折射指数偏低,对太阳辐射的吸收性较弱。沙尘长距离输送过程,沙尘气溶胶和当地天气系统相互作用产生有意义的气候效应。扬沙和沙尘暴天气能增加大气中大核和巨核的浓度,促进云中水汽的活化,使降水提前出现。当矿物沙尘粒子同时作为有效的云凝结核和冰核参与云的发展时,冰核浓度增加使水成物有效半径减小,抑制了降水,云内存留的大量冰晶能增强云的光学厚度和反照率。二、国内外比较

由于气溶胶在全球的分布具有高度的时空变化特征,我国是沙尘、黑碳、硫酸盐等气溶胶的高排放区域,气溶胶研究的国际合作较为活跃。1999年由国际大气化学委员会(IGAC)发起组织的亚洲气溶胶特征实验(ACE-Asia)就是一项颇具代表性的国际合作研究成果,由美国、日本、韩国、中国、加拿大、俄罗斯等国参加。ACE-Asia的最主要科学目标是减小气溶胶引起的气候影响计算中的不确定性,并定量分析这一地区复杂的大气、气溶胶和云组成的多相系统。ACE-Asia实验较大地带动了国内一些研究单位的气溶胶研究水平,并通过国际合作发表一批学术研究论文,包括在《Journal of Geophysical Research》出版一本有史以来最厚的一本专辑,具有很高的国际影响。2005年重大国际合作计划-季风亚洲区域集成研究计划(MAIRS)中有专门进行气溶胶集成研究的项目,目前也正在促进国内气溶胶研究的观测与模拟研究。此外,还有一些单位积极参加国际组织的气溶胶联合观测与研究计划,也较好推动了国内气溶胶的合作研究,如北京大学在珠三角地区牵头开展的综合观测计划PRIDE-PRD,有德国、日本等国科学家参加,他们联合在《Atmospheric Environment》上发表了一期专辑论文。

三、存在问题

与国际先进气溶胶研究相比,国内气溶胶研究尚存在较大差距,如在先进分析仪器的设计开发、功能先进齐全的数值模式开发、新的理论研究思路、综合观测网络与数据同化技术,空间气溶胶观测技术如遥感卫星、航测飞机等方面明显不如,这些都是需要国内气溶胶研究者大力发展的领域。此外,国内学者在国际顶尖杂志《Nature》、《Science》等刊物上独立发表原创性研究论文的能力还亟待提高。

四、 展望本学科发展趋势

气溶胶研究是一个既有重要理论需求,又有紧迫实际应用需求的学科。从近期气溶胶及其对环境、气候效应研究的需求上,除了进一步加强我国自主气溶胶测量仪器研发能力,提升我国气溶胶综合探测能力和研究水平,下面几个方面也是目前迫切需要解决的问题:

(1)气溶胶吸收特性测量还存在很大不确定性。通过对不同观测技术的比较、分析,定量评估气溶胶吸收系数测量的不确定性是下一步亟待解决的问题。

(2)我国具有综合气溶胶探测能力的飞机观测平台与国际发达国家相比还有较大的差距。建立具有多种功能的综合飞机观测平台/飞行实验室是下一步亟待解决的问题。

(3)大气光氧化剂与气溶胶颗粒物间复杂的耦合相互作用,是国际大气化学研究的前沿和热点课题。二次光化学氧化剂和气溶胶颗粒物之间非均相过程的实验室研究是深入认识这两者间耦合相互作用的关键。未来需要加强二次光化学氧化剂与气溶胶间的非均相过程的实验室研究和相关技术的发展。

(4)与国外已有的工作相比,我国系统深入的碳气溶胶研究尚嫌不足,有关碳气溶胶标准采样和精确测量、特征和源谱的系统深入研究比较缺乏。未来研究应注重有机碳和元素碳的综合对比研究、加强对水溶性有机碳研究、开展主要碳气溶胶来源的定量解析,加强碳气溶胶化学分析技术和方法的研究,规范碳同位素的测量及其它气溶胶的化学测量方法同步使用等。

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