2016, Vol. 74
中国气象学会主办。
文章信息
- 孙俊英, 张璐, 沈小静, 车浩驰, 张养梅, 樊茹霞, 马千里, 岳毅, 俞向明 . 2016.
- SUN Junying, ZHANG Lu, SHEN Xiaojing, CHE Haochi, ZHANG Yangmei, FAN Ruxia, MA Qianli, YUE Yi, YU Xiangming . 2016.
- 大气气溶胶散射吸湿增长特性研究进展
- A review of the effects of relative humidity on aerosol scattering properties
- 气象学报, 74(5): 672-682.
- Acta Meteorologica Sinica, 74(5): 672-682.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2016.059
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文章历史
- 2016-01-29 收稿
- 2016-06-03 改回
2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 冰冻圈科学国家重点实验室, 兰州, 730000;
3. 中国科学院大学地球科学学院, 北京, 100049;
4. 临安区域大气本底站, 临安, 311307;
5. 临安市气象局, 临安, 311300;
6. 贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳, 550025
2. State Key Laboratory of Cryosphere Science, Cold and Arid Region Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;
3. College of Earth Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Lin'an Regional Atmosphere Background Station, Lin'an 311307, China;
5. Lin'an Meteorological Bureau, Lin'an 311300, China;
6. College of Resources and Environment Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China
大气气溶胶是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。但是，人们通常把“大气气溶胶”和“大气气溶胶粒子”两个概念等同起来，用来指代大气中悬浮的固态和液态颗粒物(唐孝炎，2006)。大气气溶胶对地气辐射平衡(Charlson et al, 1992; Jacobson et al, 2001)、成云致雨(Albrecht, 1989; Rosenfeld et al, 2008)、水循环(Ramanathan et al, 2001)、能见度改变(Seinfeld et al, 2012)及人体健康(Pöschl, 2005)等具有重要影响。但是由于气溶胶化学组成的复杂性以及气溶胶分布的时空多变性，大气气溶胶成为地球科学领域研究的难点和热点问题(Zhang et al, 2012)。大气气溶胶的吸湿特性反映了相对湿度对颗粒物理化特征的影响，是气溶胶的重要性质之一。它不仅与颗粒物的形状、相态、粒子谱分布紧密相关，还对气溶胶的光学性质(如散射系数、后向散射系数、复折射指数等)有重要影响(Covert et al, 1972；刘新罡等，2010)。通常，大气气溶胶吸湿增长有两种衡量方式：粒径吸湿增长和散射吸湿增长。粒径吸湿增长描述相对湿度对气溶胶粒子粒径的影响；而相对湿度对气溶胶散射特性的影响被称为气溶胶散射吸湿增长，侧重于从整体角度研究气溶胶吸湿增长。气溶胶散射吸湿增长通常用散射吸湿增长因子f(RH)、后向散射吸湿增长因子fb(RH)、后向散射比吸湿增长因子fβ(RH)来描述。散射吸湿增长因子f(RH)定义为一定波长、湿状态下气溶胶散射系数与该波长干状态下气溶胶散射系数的比值
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(1) |
式中σsp(RH, λ)为一定波长、湿状态下气溶胶的散射系数，σsp(dry, λ)为相同波长、干状态下气溶胶的散射系数。同样地，后向散射吸湿增长因子fb(RH)和后向散射比吸湿增长因子fβ(RH)可分别定义为
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(2) |
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(3) |
式中，σbsp(RH, λ)、β(RH, λ)分别为一定波长、湿状态下气溶胶的后向散射系数和后向散射比，σbsp(dry, λ)、β(dry, λ)分别为相同波长、干状态下气溶胶的后向散射系数和后向散射比。
研究气溶胶散射吸湿增长对于更好地了解相对湿度对大气能见度的影响、评估气溶胶的直接辐射强迫具有重要意义。本研究主要对近20年来气溶胶散射吸湿增长的监测方法、研究进展、参数化拟合和模型模拟进行了系统介绍与评述，并对未来研究方向做出展望。
2 气溶胶散射吸湿增长特性的研究意义按照气溶胶吸湿性的强弱，可将气溶胶分为吸湿性(亲水性)气溶胶和非吸湿性(憎水性)气溶胶两类。大气中的无机气溶胶(包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、海盐等)和部分吸湿性有机气溶胶，可以吸湿增长，属于吸湿性气溶胶；而黑碳、沙尘气溶胶及弱极性和非极性有机气溶胶不具有吸湿性，属于非吸湿性气溶胶(刘新罡等, 2010)。
含有吸湿性组分的气溶胶吸湿增长后，会有更多粒子长大到对可见光散射更加有效的范围内，增强气溶胶粒子群的散射能力；但与吸湿增长前相比，随气溶胶含水量的增大，气溶胶的复折射指数实部和虚部都将减小，散射能力和吸收能力减弱。虽然吸湿增长对气溶胶的光学性质具有上述双重影响(粒径增长、复折射指数降低)，但通常情况下吸湿增长会使气溶胶粒子群散射能力增强，主要表现为随相对湿度增大，气溶胶总散射系数、后向散射系数增大(程雅芳，2008；Fierz-Schmidhauser，et al, 2010a; Wang，et al, 2007; Carrico，et al, 2003)，从而影响大气能见度和气溶胶辐射强迫。
气溶胶的散射吸湿增长对于气溶胶消光、大气能见度具有显著影响，尤其在高相对湿度下，散射吸湿增长对大气能见度的影响更强。Liu等(2013)和Yang等(2015)通过对不同相对湿度下PM2.5和能见度分类拟合发现，由于气溶胶吸湿性影响，相对湿度越高，使能见度降低所需的颗粒物浓度越低。Liu等(2013)通过研究2011年9月发生在北京的一次重雾-霾天气过程中发现，为保证能见度高于10 km，环境相对湿度在40%以下时，PM2.5的质量浓度不得高于60 μg/m3；但当环境相对湿度升高至80%时，PM2.5质量浓度需维持在30 μg/m3以下(Liu et al, 2013)。Liu等(2012)对广州研究发现，7月广州平均相对湿度为73.5%，由于气溶胶吸湿增长，该湿度下气溶胶消光系数比干状态时增大了51%，能见度降低了35%。因此，研究气溶胶散射吸湿增长对于研究气溶胶对大气能见度影响、理解及防治近年来频发的雾-霾天气具有重要意义。
在评估气溶胶直接辐射强迫时，气溶胶的散射特征是重要输入参数，而相对湿度对散射能力的影响是不确定性的重要来源之一(Charlson et al, 1992; Kotchenruther et al, 1999; Carrico et al, 2003; Magi et al, 2003)。Fierz-Schmidhauser等(2010a)2008年5月在瑞士少女峰观测发现，该地气溶胶在相对湿度90%时的直接辐射强迫要比20%相对湿度下的直接辐射强迫高2.3倍。Liu等(2012)在广州观测发现，80%相对湿度下气溶胶直接辐射强迫是干状态下的2.8倍。Zhang等(2015)在长江三角洲背景区域研究发现，相对湿度85%时气溶胶的直接辐射强迫是干状态下的1.47倍。因此，了解相对湿度对气溶胶散射能力的影响对于更好地评估气溶胶的直接辐射强迫至关重要。
然而，在实际观测中，由于大气环境相对湿度是变化的，为得到相互间有可比性的观测资料，WMO建议在干状态(相对湿度小于40%)下对气溶胶特征进行观测。中国以往的很多观测中并没有对气溶胶样品的相对湿度进行严格控制，通常在环境相对湿度高于60%(或70%)时加热样气，进行气溶胶散射特性观测(Zhao et al, 2011; Tao et al, 2014)。但是，无论干状态或相对湿度小于60%(或70%)下的散射信息都不能代表其在环境状态下的特征，而气候模式、辐射传输模式，或是在研究大气能见度时，往往需要环境状态下气溶胶的散射信息(Pilinis et al, 1995; Haywood et al, 1995)。此外，遥感手段(雷达、卫星或多轴差分吸收光谱MAX-DOAS技术等)获得的气溶胶观测数据在与地面观测资料对比时，也需要了解相对湿度对气溶胶散射特征的影响(Voss et al, 2001; Morgan et al, 2010; Zieger et al, 2011, 2012)。为此，各大型观测实验(如第1次气溶胶特性实验(Aerosol Characterization Experiment Ⅰ，ACE1)、第2次气溶胶特性实验(Aerosol Characterization Experiment Ⅱ，ACE2)、亚洲气溶胶特性实验(Aerosol Characterization Experiment-Asia, ACE-Asia)、印度洋实验(Indian Ocean Experiment，INDOEX)、对流层气溶胶辐射强迫观测实验(Tropospheric Aerosol Radiative Forcing Observational Experiment，TARFOX)、巴西烟雾-云-辐射观测计划(Smoke, Clouds and Radiation-Brazil field project)等)纷纷将气溶胶散射特征随相对湿度的变化作为重要的科学问题予以观测研究。欧洲和北美在该领域也开展了大量观测研究工作，中国对气溶胶散射吸湿增长的研究也在逐步展开中。
3 气溶胶散射吸湿增长特性的监测方法早在1972年，Covert等(1972)便开始利用湿度控制装置和浊度仪对气溶胶散射吸湿增长特性进行研究。浊度仪用来测量气溶胶散射系数，湿度控制装置用来调节气溶胶的相对湿度。通常，测量干状态下气溶胶散射系数的浊度仪被称为“干”浊度仪，测量经湿度控制装置加湿后的气溶胶散射系数的浊度仪为“湿”浊度仪。很多学者通过并联(Gassó et al, 2000; Pan et al, 2009; Yan et al, 2009)或者串联(Eldering et al, 2002; Carrico et al, 1998, 2000, 2003)“干”、“湿”浊度仪对气溶胶散射吸湿增长进行了测量。常用的浊度仪主要分为单波段和多波段两种，单波段浊度仪只能在单一波长下测量气溶胶的散射系数，而多波段浊度仪可以在多个波长(如TSI 3563，其测量波长为450、550和700 nm)下对气溶胶散射系数同时进行测量，有的甚至可以测量后向散射系数。此外，试验中使用的湿度控制装置也可以分为两种，下面对这两种湿度控制装置分别进行介绍。
3.1 湿度控制装置湿度控制装置(图 1)的核心部件为加湿器，加湿器的加湿方法有很多(潘小乐，2007)，目前较为流行的是“水浴加热控制”方法(图 2)。其基本构造为一同心圆套管，通过加热内外管间的超纯水控制穿过内管(多为聚四氟乙烯半透膜)水分子的多少，调节气溶胶的相对湿度。该方法可以在不改变气溶胶浓度的情况下将颗粒物维持在某一特定相对湿度下，或者做加湿循环，将颗粒物从低相对湿度连续、逐步升高到某一较高相对湿度下，观察颗粒物的潮解情况。Eldering等(2002)、Carrico等(1998)、Kim等(2006)、Sheridan等(2002)、Yan等(2009)、Pan等(2009)利用该装置对气溶胶的散射吸湿增长特性进行了研究。
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| 图 1 湿度控制装置和“湿”浊度仪的示意 Figure 1 Flow diagram of the controlled RH nephelometry system |
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| 图 2 加湿器(“水浴加热控制”方法)的构造示意 Figure 2 Diagram of the humidifier using the water-heater humidifying method |
对于无潮解现象的颗粒物来说，它们在湿度升高和降低两种情况下的吸湿特性没有显著区别，但是对于具有潮解现象的颗粒物(或包含具有可潮解盐类的颗粒物)，受风化滞后影响，湿度升高和降低两种情况下气溶胶的吸湿能力存在差异。仅由加湿器组成的湿度控制装置可以反映颗粒物在湿度升高情况下的吸湿状况，但不能反映颗粒物在湿度降低情况下的吸湿状况。改进的湿度控制装置在一般湿度控制装置的基础上增加了冷却器(图 3)，用来降低颗粒物的相对湿度。第2次气溶胶特性试验和亚洲气溶胶特性试验中使用Peltier热电冷却器(Melcor Inc.)(Carrico，et al, 2000, 2003)将加湿后高相对湿度下气溶胶的相对湿度降低到较低数值，得到了吸湿(湿度升高)和脱水(湿度降低)两种情况下气溶胶的散射吸湿增长曲线(见Carrico等(2003)中图 6)，不仅给出了颗粒物的潮解信息，还观察到气溶胶的风化点及风化滞后现象。
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| 图 3 不同无机盐气溶胶散射吸湿增长因子f(RH, 550 nm)随相对湿度的变化(由ISORROPIA和Mie模型模拟得到，气溶胶数谱分布假设为单峰型对数正态分布，几何平均粒径100 nm，标准差1.8 nm) Figure 3 Variations of the scattering enhancement factor with RH for various inorganic salts (simulated by the ISORROPIA and Mie Model. A mono-modal lognormal particle number size distribution was assumed with the geometric mean diameter of 100 nm and standard deviation of 1.8 nm) |
Fierz-Schmidhauser等(2010b)自行设计了一套散射吸湿增长测量系统，在该套装置中，用干燥管作为湿度控制装置中的冷却器。与加湿管相似，干燥管也是同心圆套管，气溶胶由内管通过，通过控制内外管干燥气流的流量和相应压强调节相对湿度。Fierz-Schmidhauser等(2010a, 2010b, 2010c)和Zieger等(2010, 2011, 2012, 2013, 2014)利用该套仪器在欧洲各地和北极地区开展了大量观测工作。
此外，气溶胶散射吸湿增长也可由综合观测法获得。Liu等(2008)和Yang等(2015)利用环境状态下测量(或由能见度计算)的气溶胶消光系数和吸收系数计算得到环境状态下的散射系数，再与干状态下的散射系数相比得到环境湿度下的散射吸湿增长因子，该方法可以在不配备湿度控制装置的情况下获得环境相对湿度下气溶胶的散射吸湿增长特征。
4 气溶胶散射吸湿增长特性研究进展 4.1 气溶胶散射吸湿增长基本特征气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)随相对湿度单调增大。图 4为利用无机气溶胶热力学平衡模式(ISORROPIA)和Mie模型模拟的不同无机盐气溶胶f(RH)随相对湿度的变化情况。其中假设气溶胶的数谱分布为单峰型对数正态分布，几何平均粒径为100 nm，标准差1.8 nm；复折射指数和密度见Tang(1996)。由图 4可见，不同物质其散射吸湿增长能力不同。在常见的化合物中，NaCl的散射吸湿增长能力最强，其次为各种可溶性盐(如(NH4)2SO4、NH4HSO4和NH4NO3等)，有机物的吸湿能力最弱。但化学组成并不是决定物质吸湿增长能力的唯一要素。对于同一种物质，不同粒径下其散射吸湿增长能力也不相同(图 5)。通常，颗粒物的散射吸湿增长能力会随粒径的增大而降低, 也就是说，对于吸湿性强的颗粒物，如果它的数谱分布倾向于大粒径，其散射吸湿增长能力可能会与吸湿性较弱但粒径较小的颗粒物的散射吸湿增长能力相当，甚至更弱，这种现象被称为气溶胶吸湿增长的补偿效应。Zieger等(2010)在对北极气溶胶进行研究时清晰地捕获到了这一现象。
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| 图 4 不同无机盐气溶胶散射吸湿增长因子f(RH, 550 nm)随相对湿度的变化(由ISORROPIA和Mie模型模拟得到，气溶胶数谱分布假设为单峰型对数正态分布，几何平均粒径100 nm，标准差1.8 nm) Figure 4 Variations of the scattering enhancement factor with RH for various inorganic salts (simulated by the ISORROPIA and Mie Model. A mono-modal lognormal particle number size distribution was assumed with the geometric mean diameter of 100 nm and standard deviation of 1.8 nm) |
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| 图 5 不同无机盐气溶胶散射吸湿增长因子f(85%, 550 nm)随粒径的变化(数谱假设为单峰型对数正态分布，标准差1.8 nm) Figure 5 Variations of the scattering enhancement factor at 85% RH and 550 nm wavelength with the dry particle diameter for various inorganic salts (A mono-modal lognormal particle number size distribution with the standard deviation of 1.8 nm was assumed) |
潮解现象是气溶胶散射吸湿增长的另一重要特征。具有潮解点的物质，当相对湿度超过潮解点后，颗粒物会迅速吸湿，散射系数突然变大，f(RH)随相对湿度呈现明显跳跃(图 4)。对于没有潮解点的物质，其散射吸湿增长能力随相对湿度连续增长，没有跳跃现象。与潮解现象相对应的是气溶胶的风化现象，当相对湿度降低到风化点时，颗粒物迅速脱水、f(RH)突然降低。一般来说，风化点比潮解点低，换句话说，风化点滞后于潮解点，因此，这又被称为气溶胶的风化滞后效应。但在环境大气中，气溶胶成分复杂，含有大量微溶、不溶的有机物，一般不呈现明显的潮解/风化点，因此很少在外场观测中观察到气溶胶的潮解/风化现象。Carrico等(2003)曾在ACE-Asia中观察到海盐气溶胶有明显的风化滞后现象(原文的图 6)，Zieger等(2014)在德国Melpitz观测时也发现当PM10中NaCl的质量分数高于30%时，气溶胶的滞后效应随着NaCl质量分数的增大而更为显著(原文的图 2)。
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| 图 6 散射吸湿增长因子f(RH)闭合方案 Figure 6 The closure scheme for the prediction of aerosol scattering enhancement factor f(RH) |
目前，学者们对于单一组分和多组分无机气溶胶散射吸湿增长特性的研究已经较为透彻，且能较好模拟(Tang, 1996, 1997; Ansari et al, 1999; Topping et al, 2005; Sjogren et al, 2007)，但是对有机/无机混合气溶胶的散射吸湿特性了解较少，是目前实验室研究的重点和难点问题。
在环境大气中，气溶胶的无机组分和有机组分以不同方式相互混合，混合状态多样，化学组成复杂，一般通过湿度控制装置配合浊度仪对环境大气气溶胶的散射吸湿特性进行观测。根据大气气溶胶的来源、后向轨迹、质量浓度等将其分为不同类型，再针对不同类型气溶胶，研究其散射吸湿增长特性。表 1是对近年来气溶胶散射吸湿增长特性观测结果的总结。总体来说，海盐气溶胶散射吸湿增长能力最强，并随人为影响的增加气溶胶散射吸湿能力减弱(Zieger et al, 2010; Fierz-Schmidhauser et al, 2010a; 刘新罡等，2009；Wang et al, 2007; Carrico et al, 1998, 2000, 2003; Gassó et al, 2000; McInnes et al, 1998)；城市型气溶胶(Yan et al, 2009; McInnes et al, 1998)或大陆型气溶胶(Zieger et al, 2013, 2014; Fierz-Schmidhauser et al, 2010a)散射吸湿增长能力次之；而沙尘气溶胶和生物质燃烧型气溶胶(Zieger et al, 2013; Fierz-Schmidhauser et al, 2010a; Carrico et al, 1998)散射吸湿增长能力最弱。与欧洲和北美地区相比，中国气溶胶散射吸湿增长测量结果较少，仅在广州、临安、北京等地开展过观测，且测量结果多为总散射系数的吸湿增长，很少涉及后向散射或者后向散射比的吸湿增长。
| 序号 | 文献 | 时间 | 地点 | 类型 | f(RH) | fb(RH) | fβ(RH) | 相对 湿度 | 切割 粒径 | 观测 平台 | |
| 1 | Kotchenruther等(1998) | 1995年 | 巴西a Brasilia Cuiaba Porto Velho Maraba | 生物质燃烧 区域霾 区域霾 区域霾 区域霾 | 1.286±0.051 1.069±0.009 1.101±0.005 1.318±0.009 | - 0.959* 0.979* 1.098* | - 0.896±0.052 0.889±0.024 0.833±0.042 | 80% | PM4 | 空基 | |
| 2 | Malm等(2005) | 2003年 7—9月 | 美国 Turtleback Dome | 生物质燃烧 | 1.26±0.15 | - | - | 80%—85% | PM2.5 | 地基 | |
| 3 | Magi等(2003) | 2000年 8—9月 | 南非、 莫桑比克、 博茨瓦纳、 赞比亚 | 生物质燃烧 | 1.59±0.04 | 1.14* | 0.72±0.04 | 80% | PM5 | 空基 | |
| 4 | Sheridan等(2001) | 1999年 1—12月 | 美国SGP CART站b | 生物质燃烧 沙尘影响 总体平均 | 1.55 1.59 1.83 | - | - | 85% | PM10 | 地基 | |
| 5 | Pan等(2009) | 2006年 4—5月 | 中国天津宝坻 | 沙尘影响 清洁型 污染型 | 1.2±0.02 1. 31±0.03 1.57±0.02 | - | - | 80% | 无 | 地基 | |
| 6 | Kim等(2006) | 2001年 4月 | 韩国Gosan站c | 沙尘 人为源(中国) 人为源(韩国) 生物质燃烧 | 2.00±0.27 2.75±0.38 1.91±0.16 1.60±0.20 | - | - | 85% | PM10 | 地基 | |
| 7 | Carrico等(2000) | 1997年 6—7月 | 葡萄牙 Sagresd | 污染型 清洁型 | 1.46±0.10 1.48±0.10 1.69±0.16 1.86±0.24 | 1.22±0.06 1.23±0.06 - - | 0.82* 0.83* - - | 82% | PM10 PM1 PM10 PM1 | 地基 | |
| 8 | Koloutsou-Vakakis等(2001) | 1995年 1—12月 | 美国 Bondville | 大陆型 | 1.4—1.5 | 1.1—1.2 | - | 82.5% | PM10/1 | 地基 | |
| 9 | Zieger等(2014) | 2009年 2—3月 | 德国Melpitz | 大陆型 | 2.77±0.37 | - | - | 85% | PM10 | 地基 | |
| 10 | Fierz-Schmidhauser等(2010a) | 2008年 5月 | 瑞士 Jungfraujoch站 | 大陆型(高海拔) 沙尘 | 2.23 1.0—1.2 | 1.6 - | 0.089* - | 85% | PM10 | 地基 | |
| 11 | Fierz-Schmidhau-serdeng(2010c) | 2007年 8月 | 德国 Heselbach | 大陆型 | 1.2—1.8 | - | - | 80% | PM10 | 地基 | |
| 12 | Liu等(2008) | 2006年 7月 | 中国广州 | 城市型 混合型 海洋型 | 2.04 2.29 2.68 | - | - | 80% | 无 | 地基 | |
| 13 | Liu等(2009) | 2006年 8—9月 | 中国北京大学 | 城市型 | 1.63±0.19 | - | - | 80% | 无 | 地基 | |
| 14 | Yan等(2009) | 2005年 12月— 2006年1月 | 中国北京西三环 中国上甸子 | 城市型 乡村型 | 1.26±0.15 1.24±0.11 | - | - | 80%±1% | 无 | 地基 | |
| 15 | Zhang等(2015) | 2013年 | 中国临安 | 乡村型 沙尘影响 | 1.58±0.12 1.46 | 1.25±0.07 - | 0.79±0.04 - | 85% | PM10 | 地基 | |
| 16 | Xu等(2002) | 1999年 10—11月 | 中国临安 | 乡村型 | 1.7—2.0 | - | - | 80% | PM2.5 | 地基 | |
| 17 | Cheng等(2008) | 2004年 10—11月 | 中国新垦 | 乡村型 | 1.54 2.31 | 1.24 1.59 | 0.81 0.69 | 80% 90% | PM10 | 地基 | |
| 18 | Carrico等(1998) | 1997年 6—7月 | 澳大利亚 Tasmaniae | 海洋型 | 1.98±0.08 2.46±0.2 | 1.48±0.09 1.83±0.4 | 0.75* 0.75* | 82% | PM10 | 地基 | |
| 19 | Kotchen-ruther等(1999) | 1996年 7月 | 美国东海岸f | 海洋型 | 2.15±0.36 | 1.42* | 0.66±0.11 | 80% | - | 空基 | |
| 20 | Sheridan等(2002) | 1999年 2—3月 | 印度洋g | 海洋型 | 1.58 | - | - | 85% | PM10 | 空基 | |
| 21 | Gassó等(2000) | 1997年 6—7月 | 西班牙加 那利群岛d | 沙尘影响 污染海洋型 清洁海洋型 | 1.33 2.04 2.37—2.50 | - | - | 80% | PM2.5 | 轮船 | |
| 22 | Carrico等(2003) | 2001年 3—4月 | 西北太平洋 日本海海域c | 海洋型 污染型 火山灰影响 沙尘影响 | 2.45±0.27 2.95±0.39 2.22±0.20 2.52±0.27 2.55±0.22 2.61±0.17 1.18 1.39 | 0.55* 0.75* 0.64* 0.75* | - | f为 82%RH下； fb为 85%RH下 | PM10 PM1 PM10 PM1 PM10 PM1 PM10 PM1 | 地基 | |
| 23 | Doherty等(2005) | 2001年 3—5月 | 日本海c 韩国高山郡 日本海 | 海洋型 | 1.78±0.28 2.27±0.55 2.37±0.32 | - | - | 85% | PM10 | 空基 地基 轮船 | |
| 24 | Fierz-Schmidhauser等(2010b) | 2007年 8月 | 爱尔兰Mace Head | 海洋型 污染型 | 2.22±0.17 1.77±0.31 | 1.80* 1.43* | 0.81* 0.81* | 85% | PM2 | 地基 | |
| 25 | Zieger等(2011) | 2009年 6—10月 | 荷兰Cabauw | 清洁海洋型 污染海洋型 大陆型 总体 | >3 <2 <2 1.4—3.4 | - | - | 85% | PM10 | 地基 | |
| 26 | Zieger等(2010) | 2008年 7—10月 | 挪威Ny-Alesund， Spitsbergen | 极地 | 3.24±0.34 | - | - | 85% | 无 | 地基 |
气溶胶散射吸湿增长因子f(RH)有多种参数化拟合方式，最为经典的是Kasten(1969)年提出的γ-模型
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(4) |
式中, γ为经验参数，与气溶胶的化学成分及数谱分布有关，c为比例系数(Hänel, 1976)。该模型对无潮解现象的气溶胶吸湿增长曲线描述较好(Gassó et al, 2000; Carrico et al, 2003; Zieger et al, 2011, 2010)，且公式形式简洁(Hegg et al, 1993)，被广泛应用于卫星遥感、辐射传输模型及全球气候模式中(Fraser et al, 1984; Kiehl et al, 1993; Gassó et al, 2000)。但是该公式对有机物含量较高，吸湿增长能力较弱的颗粒物(如生物质燃烧型气溶胶)的散射吸湿增长曲线描述不好，为此，Kotchenruther等(1998)提出了另一种双参数拟合模型
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(5) |
式中，a、b为经验参数，a决定了相对湿度为100%时气溶胶散射吸湿增长因子所能达到的最大值，b决定了吸湿增长曲线的曲率(Zhang et al, 2015)。该模型对生物质燃烧型气溶胶(Kotchenruther et al, 1999)、沙尘气溶胶(Carrico et al, 2003; Magi et al, 2003)、人为源排放气溶胶和城市气溶胶(Carrico et al, 2003; Pan et al, 2009; Zhang et al, 2015)拟合效果较好。但是以上两种参数化模型均不能很好地模拟颗粒物的潮解点和风化点，为此，Kotchenruther等(1998)提出了更为准确的多参数拟合模型
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(6) |
该模型由函数将以上两个模型(式(4)、(5))结合得到，式中d代表潮解点(或风化点)所对应的相对湿度。虽然模型(6)对气溶胶散射吸湿增长的模拟更为准确、拟合效果更好，但模型(4)、(5)形式更为简洁，应用更广泛。
4.3.2 以化学组分为自变量的拟合Quinn等(2005)通过总结INDOEX、ACE-Asia和ICARTT(International Consortium for Atmospheric Research on Transport and Transformation)3次大型气溶胶观测实验发现，气溶胶的散射吸湿增长因子可以近似简化为有机物-硫酸盐(POM-SO42-)混合气溶胶的散射吸湿增长因子。文中将f(RH)参数化为f(RH)=((100-RHref)/(100-RH))γ, 化学成分F0表示为POM/(POM+SO42-)，其中POM和SO42-分别为有机物和硫酸盐的质量浓度，研究发现γ与F0呈较强线性相关，这说明仅仅根据有机物和硫酸盐的质量浓度便可以对散射吸湿增长因子进行较好预测。
Zhang等(2015)在长江三角洲背景区域研究发现，将气溶胶简化为有机物-硝酸盐混合气溶胶可较好地预测该地气溶胶的散射吸湿增长因子，而有机物-硫酸盐混合气溶胶并不能用来代表当地气溶胶，这说明临安地区的大气气溶胶中硝酸盐对气溶胶吸湿增长影响更为显著。
4.4 散射吸湿增长因子闭合研究将观测得到的散射吸湿增长因子和计算得到的散射吸湿增长因子进行比较，开展散射吸湿增长因子的闭合研究，具体流程见图 6。通常利用Mie模型(Bohren et al, 2008)对气溶胶散射吸湿增长因子进行模拟，假设粒子球形且均匀内混，将干状态和湿状态下气溶胶的数谱(d Ñ(Ddry)/d lgDdry、d Ñ(Dwet)/d lgDwet)和复折射指数(mdry、mwet)分别输入Mie模型，得到干状态和湿状态下气溶胶的散射系数(σdry、σwet)，再根据式(1)可得气溶胶散射吸湿增长因子(f(RH)cal)。若计算所得散射吸湿增长因子(f(RH)cal)与观测得到散射吸湿增长因子(f(RH)mea)吻合，则闭合成立；反之，闭合不成立。
干状态下气溶胶数谱多由仪器测量(如TDMPS)得到，复折射指数一般由Zdanovskii-Stokes-Robinson(ZSR)方法计算得到。模拟的重点是对一定相对湿度下气溶胶散射系数的计算，而这一计算的重点是粒径吸湿增长因子g(RH)的确定。如果有g(RH)观测数据(如HTDMA观测得到)，其测量值一般只针对某几个粒径段，多采用插值和假设大粒径g(RH)恒定等方法将其分散到全粒径段。对于没有g(RH)观测资料的情况，多根据化学组分数据及已有文献中各盐类、酸类等g(RH)的模拟值和观测值，采用ZSR方法，得到总体的粒径吸湿增长因子(Zieger et al，2013, 2014；Fierz-Schmidhauser et al, 2010)。有了粒径吸湿增长因子，根据式(7)、(8)便可得到该湿度下的数谱分布及复折射指数，根据Mie模型即可计算输出湿状态下气溶胶散射系数
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(7) |
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(8) |
需要注意的是，在计算中假设粒子球形且均匀内混，这有可能会造成低相对湿度下外混型气溶胶吸湿增长能力的高估。此外，如果模拟中使用气溶胶质谱仪测量得到的化学成分数据，需要对粗模态颗粒物(空气动力学粒径>1 μm)的化学成分进行假设。对受海洋影响小的颗粒物，可以假设粗模态粒子为矿物气溶胶，不吸湿；对于受海洋影响严重的气溶胶，可假设其均由海盐组成，强烈吸湿。
5 研究的不足和展望气溶胶散射吸湿增长特性反映了相对湿度对气溶胶散射特征的影响，对于评估气溶胶辐射强迫、更好地了解气溶胶对大气能见度的影响具有重要意义。与国际上研究相比，中国对气溶胶散射吸湿增长开展的研究较少，多为在吸湿情况下散射系数的吸湿增长，缺少脱水情况下气溶胶的吸湿增长特征及后向散射系数的吸湿增长数据，而气溶胶的后向散射能力与气溶胶辐射强迫息息相关。为此，建议广泛开展吸湿及脱水两种情况下气溶胶散射吸湿增长的研究，同时要加强后向散射吸湿增长的观测研究。
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