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南京地区大气气溶胶光学特性的多维度观测与解析

一、引言

1.1研究背景与意义

大气气溶胶作为悬浮在大气中的固态和液态颗粒所组成的气态分散系统，尽管是地球大气中的微量成分，却在全球气候变化、环境质量以及人类健康等领域发挥着举足轻重的作用。它主要通过燃烧过程、汽车尾气排放、工业废气和气候变化等因素产生，来源极为广泛，涵盖自然源与人为源。自然源包括火山喷发、植物排放、海洋气溶胶以及沙尘暴等；人为源则涉及工业排放、交通尾气、燃烧排放以及建筑施工等活动。这些气溶胶粒子大小通常在纳米到微米级别之间，却能对地球系统产生深远影响。

南京，作为中国东部重要的经济、文化和交通中心，近年来随着工业化、城市化进程的加速推进，大气污染问题日益凸显，其中气溶胶污染已成为备受关注的重要环境问题之一。研究表明，南京地区的霾日数和细粒子浓度呈上升趋势，颗粒物已然成为南京市危害最大的污染物之一。气溶胶在地球与大气辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着关键角色，其气候效应主要体现在两个方面：一是通过散射、吸收太阳辐射，直接影响到达地表的太阳短波辐射量和地气系统的长波辐射量，进而改变地气系统的辐射收支，直接作用于区域气候；二是作为云凝结核或冰核，影响云的含水量、光学性质和生存时间，以此间接影响气候。在南京，气溶胶对当地气候的影响也逐渐显现，例如改变了当地的气温、降水模式，使得气候的稳定性受到挑战，极端气候事件的发生频率和强度有所增加。

大气气溶胶对环境质量的影响也不容忽视。它会引起能见度降低，使南京的天空变得暗淡，严重影响城市景观和交通安全。南京市民常常会有这样的感受，在几天雨水冲刷后，天空会短暂地露出湛蓝透明的面孔，但好景不长，城市上空很快又会变成“毛玻璃”一样，暗淡无光。根据相关研究，亚洲地区的天空变暗现象较为明显，南京也未能幸免。从光学厚度测量数据来看，南京天空的透光性下降了几公里，过去在晴朗天空下可能看见20公里以外的景象，如今在天气状况非常配合的情况下，能看到最远的距离可能只有15公里左右，天空变暗让南京人在不知不觉中“近视”了。

大气气溶胶对人类健康有着极大的威胁。细小的气溶胶颗粒，尤其是直径小于2.5微米的颗粒物（PM2.5），可以深入肺部并进入血液循环，引发呼吸道疾病和心血管问题，对人体健康产生严重影响。飘浮在空气中的气溶胶粒子很容易被吸附并沉积在支气管和肺部，粒子越小，越容易通过呼吸道进入肺部，其中粒径小于1微米的粒子可以直达肺泡内。进入肺部的粒子，由于其本身的毒性（如硫酸液滴、PbO和PbBr等）或携带有毒物质（如烟炱吸附的SO?等多种有毒气体）会造成人体的危害。粒径在2.5微米以下的粒子对人体健康影响最大，这部分粒子粒径小，更容易进入人体的循环系统，比表面积大，更能吸附有毒有害物质。如小粒子上吸附的石棉和以苯并芘为代表的芳香族化合物进入人体后能引起组织细胞发生癌变，硫酸液滴进入人体后，能负载于肺泡上刺激肺泡，增加气流阻力，使呼吸困难。

鉴于大气气溶胶在全球气候变化及其环境效应和健康效应等方面的重要性，对其研究已成为大气科学、环境科学研究的热点和前沿。深入探究南京地区大气气溶胶的光学特性，不仅有助于揭示气溶胶的物理化学性质、来源及其在大气中的传输和转化规律，还能为评估气溶胶对南京地区气候、环境和人体健康的影响提供关键数据支持和科学依据，进而为制定有效的大气污染防治策略、改善区域环境质量以及保障居民健康提供坚实的理论基础和实践指导，具有极其重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在大气气溶胶光学特性研究领域，国外起步较早，取得了一系列丰硕成果。早在20世纪70年代，国外学者就开始利用地面观测、卫星遥感等技术手段对气溶胶光学特性展开研究。例如，美国国家航空航天局（NASA）的中分辨率成像光谱仪（MODIS）搭载于TERRA和Aqua卫星上，长期对全球气溶胶光学厚度（AOD）等关键参数进行监测，积累了大量的卫星遥感数据，为全球气溶胶光学特性的研究提供了重要的数据支撑。通过对这些数据的分析，研究人员发现全球气溶胶光学厚度呈现出明显的时空分布特征，在工业化地区和人口密集区域，气溶胶光学厚度普遍较高，如北美东部、欧洲以及亚洲部分地区。在对气溶胶粒子的吸收和散射特性研究方面，国外学者利用积分浊度计、黑碳仪等先进仪器，对不同类型气溶胶粒子的吸收系数、散射系数和单次散射反照率等参数进行了精确测量。研究表明，黑碳气溶胶由于其较强的吸光性，在近红外波段具有较高的吸收系数，对太阳辐射的吸收作用显著，从而影响大气的能量平衡；而硫酸盐气溶胶则主要表现为散射作用，在可见光波段散射系数较大，对大气能见度产生重要影响。

国内在大气气溶胶光学特性研究方面也逐渐深入，近年来取得了长足的进步。众多科研团队利用地基观测站、移动观