看不见的小颗粒为何与大气能见度有关？丨大气悟理
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pm2.5指环境空气中空气动力学等效直径小于等于 2.5 微米的颗粒物，也称为细颗粒物，肉眼不可见。人们现在经常提到的“雾霾”天准确来说应该是细颗粒物污染天（详见：）。细颗粒物污染有两个影响：危害人体健康和降低大气能见度。也许你会有疑问，细颗粒物不是肉眼不可见吗？那它是怎么影响到能见度的呢？
这主要是因为大气散射。大气散射是非常重要且普遍发生的现象，如果没有大气散射，那么太阳光直射以外的地方都是一片黑暗。太阳光通过大气遇到云滴和气溶胶等小颗粒时，部分光线会改变原本的直射方向，朝其他方向散射。光和小颗粒的这种相互作用，与入射光波长和遇到的“拦路”颗粒的相对大小有关。
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当入射光波长比遇到的颗粒尺度大得多时，可认为是比较简单的瑞利散射；当波长与颗粒尺度相当或小于颗粒尺度时，就是较复杂的米散射；当颗粒尺度比波长大得多时，则采用几何光学处理。可见光波长约为0.38~0.78μm，小于细颗粒物尺度。因此，大气较为干净细颗粒物较少时以瑞利散射为主，我们会有一个晴朗的好天气。瑞利散射的强度与波长四次方成反比，波长越短瑞利散射强度越强，因此波长较短的蓝光被强烈散射，使得天空呈现蔚蓝色。当大气中细颗粒物较多时，由于米散射的散射光强与波长没有显著的关系，使得天空呈现灰白色。
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大气能见度的好坏受到大气对太阳光散射和吸收的消光效应影响。细颗粒物和气态污染物对光的吸收和散射使能见度降低，其中颗粒物消光带来的影响大约有60%~95%。有一个专业术语叫气溶胶光学厚度，英文名称为aod（aerosol optical depth）或aot（aerosol optical thickness），就是用于描述气溶胶对光的削减作用。
近年来，细颗粒污染备受关注，相关的观测站点也越来越多。然而，现有观测在时间和空间上的覆盖面都有所不足。pm2.5观测站点主要集中在城市区域，且多数站点开展观测的时间不长，而能见度作为基础观测项目具有较全面的空间观测和较长的历史数据。因此，利用能见度与颗粒物质量浓度间的关系，探寻基于能见度获取pm2.5质量浓度是值得尝试的方向，有利于在较大时空尺度上增进对颗粒物污染演化过程的理解。
能见度的好坏直接影响到人们的生活，低能见度对交通和一些观测活动有着极大的影响。能见度受到多种因素的影响，如大气成分、风速和空气湿度等。其中空气湿度是影响能见度与颗粒物质量浓度关系的重要参数，影响着大气颗粒物的粒径、质量、密度、折射指数等物理参数。大气气溶胶可以分为吸湿性（亲水性）气溶胶和非吸湿性（疏水性）气溶胶。当干粒子吸湿后，粒径有明显的增长，前向散射迅速增大。不少研究已经表明，大气能见度受到空气湿度和颗粒物质量浓度的共同影响。
（图片来源：uci气溶胶光化学小组研究）
《大气科学进展》（advances in atmospheric sciences，aas）近期发表的文章中，中科院大气所lageo团队利用能见度获取的环境消光系数和干气溶胶散射系数，分析了观测期间两个污染过程中的气溶胶吸湿性，建立了基于能见度估算pm2.5质量浓度的方法，可以很好地估算pm2.5质量浓度。
研究人员在西南地区外场观测中进行了能见度、环境湿度、pm2.5质量浓度和干气溶胶散射系数等的观测研究。为了解释 pm2.5质量浓度和能见度变化的差异，研究了水汽对气溶胶散射的影响，并用拟合公式建立了干状态和湿状态下气溶胶光学参数的关系。研究发现干气溶胶的散射系数与pm2.5质量浓度有很好的线性关系，由此建立了基于能见度估算pm2.5质量浓度的方法。
用能见度估算的pm2.5质量浓度与直接测量的对比
大气气溶胶的质量浓度的分布在时空尺度上差异很大，因此给我们认识气溶胶的时空分布特征和演变过程带来了困难。利用较为容易获得的大气能见度、空气湿度数据估计 pm2.5质量浓度是一种很有前途的方法，有望弥补pm2.5质量浓度直接监测时空覆盖不足的问题，还可以结合卫星和激光雷达改进pm2.5质量浓度的遥感反演。建立长的时空尺度上pm2.5数据库有利于进一步理解细颗粒污染物的形成演化过程，为大气污染防治和改善空气质量提供基础数据和科学依据。但是由于环境大气中的相对湿度具有明显的日变化、季节变化过程，因此仍然需要探求不同季节、不同地区、不同气象条件下该方法的适用性，寻找大气能见度和pm2.5浓度之间的本质联系。
参考文献：
1. ji, d. h., and coauthors, 2020: estimation of pm2.5 mass concentration from visibility. adv. atmos. sci. , 37(7), 671-678, https://doi.org/10.1007/s00376-020-0009-7
2. 谢子钊,张淑娟.气溶胶细粒物对大气能见度影响的研究
3. 陈晓佳,大气细颗粒物化学组分对能见度下降的影响及其源解析
4. 白志鹏,董海燕,蔡斌彬,朱坦,姚学祥.灰霾与能见度研究进展
来源：中国科学院大气物理研究所
