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近年來,隨著城市化進(jìn)程的加快和城市機(jī)動車數(shù)量的增加,由氣溶膠粒子引起的大氣能見度下降、灰霾天氣增加等大氣污染問題受到廣泛關(guān)注.氣溶膠的分布特征通常可以用粒子數(shù)目(N)、粒徑大小(Dp)、數(shù)濃度譜(dN/dDp)、質(zhì)量濃度譜(dC/dDp)、光散射特性、理化特性等來描述.其中,大氣氣溶膠的數(shù)濃度是檢驗(yàn)空氣清潔度的重要指標(biāo)之一.為測量大氣氣溶膠的譜分布,首先必須對其進(jìn)行尺度分離或分辨,尺度分離或分辨大氣氣溶粒子的方法主要有靜電分級法(常用于0.5μm 以下的細(xì)粒子)和光散射法(常用于0.5μm以上的粗粒子).微分遷移率分析儀(DMA)是利用電遷移技術(shù)將氣溶膠按粒子大小分類,并將分類后的粒子計(jì)數(shù)[3-5].隨著人們對氣溶膠的研究由亞微米及向納米級的方向發(fā)展,傳統(tǒng)的粒子計(jì)數(shù)方法已經(jīng)不能滿足要求.Agarwal 等[6]設(shè)計(jì)了凝結(jié)核計(jì)數(shù)器(CNC,后稱CPC),主要測量小于10nm 的氣溶膠粒子,其工作原理是讓粒子通過一熱氣流發(fā)生器使之變?yōu)轱柡偷哪Y(jié)蒸汽,隨后在冷凝器中冷卻,這樣粒子就能增長到可被光散射測量到的約10μm[7].由DMA-CPC組成的粒子分級和計(jì)數(shù)系統(tǒng)是后來大部分氣溶膠測量儀器的基礎(chǔ),其中就包括本次觀測使用到的3081/3085 型氣溶膠粒徑譜儀(SMPS)和寬范圍粒徑譜儀(WPS).國內(nèi)外學(xué)者[8-11]利用上述DMA-CPC 系統(tǒng)對氣溶膠的微物理特征及顆粒物的成核過程開展了大量研究.Wang 等[12]基于DMA-CPC 系統(tǒng)對靜電遷移率光譜儀(SEMS)的測量原理及儀器性能做了系統(tǒng)的研究,而SEMS 是SMPS 的前身.Gao 等[13-15]利用WPS 對中國幾個特大城市氣溶膠細(xì)粒子進(jìn)行了觀測,分析了氣溶膠濃度的日夜變化、分布特征和可能的來源.3321 型空氣動力學(xué)粒徑譜儀(3321-APS)是美國TSI 公司利用空氣動力學(xué)原理和光散射特性開發(fā)出的專利儀器,它的前身(3300-APS、3310APS、3320-APS)早已在實(shí)驗(yàn)室及各領(lǐng)域應(yīng)用了近30 年,被公認(rèn)具有突出的測量精度.隨著科研水平的提高,觀測氣溶膠的儀器種類越來越多,儀器性能越來越先進(jìn),測量精度也越來越高.但關(guān)于這些儀器之間細(xì)微差異及受環(huán)境因素影響的觀測研究較少.本研究選取APS、SMPS、WPS 對南京北郊夏季氣溶膠數(shù)濃度進(jìn)行觀測,并結(jié)合自動氣象站等觀測資料,對氣溶膠數(shù)濃度、日變化和譜分布以及降水對儀器的影響進(jìn)了比較和相關(guān)性分析,可為相關(guān)儀器的使用提供參考.本次觀測采用美國MSP 公司生產(chǎn)的寬范圍粒徑譜儀(WPS)、美國TSI 公司生產(chǎn)的3321 型空氣動力學(xué)粒徑譜儀(APS)和3081/3085型氣溶膠粒徑譜分析儀(SMPS),其中以WPS 作為標(biāo)準(zhǔn)儀器.WPS 主要測量直徑在0.01~10μm之間的氣溶膠粒子濃度.儀器主要由微分遷移率分析儀(DMA)、凝結(jié)核計(jì)數(shù)器(CPC)和激光顆粒光譜儀(LPS)組成,其中DMA的測量范圍為0.01~0.5μm,LPS 的測量范圍為0.35~10μm.前者主要采用電遷移技術(shù)將符合條件的氣溶膠粒子輸送至CPC中來測量其濃度和譜分布;而LPS 采用激光方法來測量單個粒子的散射強(qiáng)度,即用球形反光鏡將粒子折射的激光收集,通過光電增強(qiáng)管(PMT)將信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?并測量其脈沖幅度.這種測量的前提是假設(shè)粒子的折射率相同,且為某一特定值,該值由人為設(shè)定.由于原理不同,兩者在其交叉范圍內(nèi)(0.35~0.5μm)的觀測值也有所差異,采樣用的時間尺度為5min,即5min 掃描0.01~10μm 的粒徑范圍并測量出氣溶膠粒子的個數(shù).SMPS 與WPS在0.01~0.5μm 粒徑段采用相似的測量原理,不同的是SMPS 可以選擇兩種不同的DMA,測量范圍分別是2.5~85nm 和0.01~0.5μm,即SMPS的測量下限更低.TSI 公司生產(chǎn)的3081/3085 型SMPS 包括3080 型靜電分級器(EC)、3776 型超細(xì)凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器(CPC)和與之相對應(yīng)的DMA(model 3081 Long DMA、model3085 Nano DMA).本次觀測對兩種DMA 分別進(jìn)行了對比,時間分辨率同為5min.與WPS 略微不同的是SMPS 采用的EC 是高精度的單分布粒子發(fā)生系統(tǒng),可產(chǎn)生穩(wěn)定的、單分散的、粒徑從2~1000nm 的亞微米級氣溶膠.而3776-CPC 能夠高效地測量這些細(xì)微顆粒物的數(shù)濃度:由于蒸汽鞘流能夠有效控制氣溶膠的流線在冷凝器的中心線附近,全部顆粒物都將經(jīng)歷幾乎完全相同的過飽和狀態(tài),其結(jié)果就是使得檢測結(jié)果具有一個非常精確的檢測下限值.這種設(shè)計(jì)可以將反應(yīng)時間和細(xì)微顆粒物的擴(kuò)散損失大大減小.3321 型APS 主要測量空氣動力學(xué)粒徑在0.5~20μm 范圍內(nèi)的氣溶膠粒子,時間分辨率可以達(dá)到1s,能有效地呈現(xiàn)出氣溶膠的連續(xù)變化和瞬時變化.它的理是測定每一粒子通過兩束近距離激光束的飛行時間,以此來換算粒子的空氣動力學(xué)粒徑.測量結(jié)果受顆粒物折射率、密度、形狀等因素影響較小.本次觀測的采樣頻率設(shè)為30s.由于是對比觀測,APS 的數(shù)據(jù)主要分析了范圍在0.5~10μm 的粒子.表1 為3 種儀器的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)對比.