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干旱区研究 >

2024 , Vol. 41 >Issue 5: 730 - 741

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2024.05.02

天气与气候

内蒙古半干旱区气溶胶散射特性及影响因素

  • 叶虎 , 1, 2 ,
  • 裴浩 , 2, 3 ,
  • 姜艳丰 2, 4 ,
  • 那庆 2, 5 ,
  • 张立伟 2, 6
展开
  • 1.内蒙古自治区气象服务中心，内蒙古 呼和浩特 010051
  • 2.内蒙古自治区荒漠生态气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051
  • 3.内蒙古自治区气象局，内蒙古 呼和浩特 010051
  • 4.内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051
  • 5.内蒙古自治区气象数据中心，内蒙古 呼和浩特 010051
  • 6.锡林郭勒盟气象局，内蒙古 锡林浩特 026000
裴浩. E-mail:

叶虎（1980-），男，高级工程师，主要从事气象服务技术研究与应用. E-mail:

收稿日期: 2023-08-29

  修回日期: 2023-11-06

  网络出版日期: 2024-06-20

基金资助

国家自然科学基金项目(41065003)

收起

Properties of aerosol scattering and its influencing factors in semiarid areas of Inner Mongolia

  • YE Hu , 1, 2 ,
  • PEI Hao , 2, 3 ,
  • JIANG Yanfeng 2, 4 ,
  • NA Qing 2, 5 ,
  • ZHANG Liwei 2, 6
Expand
  • 1. Inner Mongolia Service Center of Meteorology, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
  • 2. Inner Mongolia Desert Ecological Meteorological Center, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
  • 3. Inner Mongolia Meteorological Bureau, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
  • 4. Inner Mongolia Meteorological Science Research Institute, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
  • 5. Inner Mongolia Meteorological Data Center, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
  • 6. Xilin Gol League Meteorological Bureau, Xilinhot 026000, Inner Mongolia, China

Received date: 2023-08-29

  Revised date: 2023-11-06

  Online published: 2024-06-20

Fold

摘要

利用2020年7月9日至2023年7月8日锡林浩特市散射系数、黑碳（BC）、PM2.5、PM10、SO2、NO2质量浓度以及气象要素观测资料，从气溶胶散射特性的时间变化、概率密度分布、与不同类型气溶胶和气象因子的相关程度等方面展开分析，并针对该地区开展散射系数等级划分。结果表明：（1） 该地区气溶胶散射能力整体水平较低，但是春季沙尘输送、冬季及夜晚逆温出现频率较高会造成该地区气溶胶散射能力的明显增强。（2） 粒径越小的气溶胶与散射系数的相关程度越高，与散射系数的相关系数大小依次为BC>PM2.5>PM10，但同时具有季节差异性，此外秋、冬季硝酸盐颗粒是造成该地区散射能力增强的重要因素，夏、秋、冬季硫酸盐颗粒对该地区的散射能力也具有一定贡献。（3） 以相关系数的增幅作为当前气象因素对散射系数的贡献率，得到当前气象因素对散射系数的贡献率在1%~2%之间。

关键词： 半干旱区; 气溶胶; 散射系数; 等级划分; 贡献率; 内蒙古

本文引用格式

叶虎 , 裴浩 , 姜艳丰 , 那庆 , 张立伟 . 内蒙古半干旱区气溶胶散射特性及影响因素[J]. 干旱区研究, 2024 , 41(5) : 730 -741 . DOI: 10.13866/j.azr.2024.05.02

Abstract

From observational data of scattering coefficients, the mass concentrations of aerosols and pollutants, and meteorological elements, collected from July 9, 2020 to July 8, 2023 in Xilinhot, the characteristics of aerosol scattering coefficients—including the variation over time, probability density distribution, and correlation with different types of aerosols and meteorological impact factors—are studied. Consequently, the scattering coefficient levels are classified. The results show that: (1) the overall level of aerosol scattering is relatively low, but the transport of dust aerosol in spring and the high frequency of temperature inversions in winter and at night may increase aerosol scattering. (2) The smaller the aerosol, the higher the correlation between aerosols and scattering coefficients, with the correlation coefficients following the order BC>PM2.5>PM10, although seasonal differences are observed. In addition, NO2 is an important factor in increasing scattering in autumn, whereas SO2 contributes to scattering in summer, autumn, and winter. (3) The increases in correlation coefficients are considered as the contribution rates of current meteorological factors to scattering coefficients, with contribution rates of between 1% and 2%.

Key words： the semiarid area; aerosol; scattering coefficient; gradation; contribution rate; Inner Mongolia

大气气溶胶通常是指悬浮在大气中的固态或液态微粒所形成的相对稳定的悬浮体系，其空气动力学直径为0.001~100 μm[1]。气溶胶主要通过吸收和散射太阳辐射造成光在大气传播方向上的衰减，产生消光作用，进而影响地气系统辐射平衡和气候变化。研究表明，边界层内的气溶胶可以引发气温、风场和降水分布的大规模变化，从而在中尺度天气系统中发挥重要作用[2]。因此，气溶胶的消光特性在评估气候辐射强迫、全球能量收支、气候变化及生态环境演变中起着至关重要的作用[3⇓-5]。气溶胶消光系数用来表征气溶胶的消光能力，为散射系数和吸收系数之和，其大小取决于颗粒物的大小、形状、成分、数浓度、谱分布、相对湿度以及复折射率等参数[6]。气溶胶消光尤其是散射消光是大气消光的主体[7-8]，周变红等[9]对宝鸡高新区冬季大气消光系数及其组成特征研究中指出，气溶胶消光系数占大气消光系数的93.93%，其中散射系数和吸收系数分别占91.92%和2.01%。由此可见，气溶胶散射特性研究对进一步了解气溶胶的辐射效应具有重要意义[10]。
二十一世纪初，随着工业化进程的不断推进，大气污染问题受到密切关注，国内外学者开始着手于大气气溶胶粒子散射特性及其与空气污染的关系研究。大量研究表明，气溶胶散射系数与PM10、PM2.5等污染物之间均具有较好的相关性[11⇓⇓-14]，且相关系数具有一定反映区域内大气污染的复杂程度和季节内气溶胶类型的能力。例如，塔克拉玛干沙漠腹地散射系数和PM10质量浓度具有明显正相关关系，各季相关程度达到了0.91~0.96。春、夏两季气溶胶类型较为单一，以沙尘气溶胶为主，相关系数较高，冬季受污染性和沙尘性两种气溶胶类型影响，季节内气溶胶类型比较复杂，相关系数相对较低[15]。乌鲁木齐污染物浓度与散射系数的相关性在0.799以上，其中PM10、NO2对散射系数的影响较大，分别为0.857和0.912[16]，而天津市城区气溶胶散射系数与PM2.5质量浓度线性相关性较好，相关系数为0.65[17]。
锡林浩特市位于内蒙古自治区中东部偏北地区，具有典型草原半干旱气候特征，四周高低丘陵环绕，中间地势低，土壤类型以沙土为主，邻近蒙古国西南部荒漠地区，锡林郭勒盟二连浩特市—浑善达克沙地西部—张北—北京也是影响北京地区沙尘天气的主要路径之一[18]。此外，随着城镇化建设的加快，锡林浩特市人口数量和机动车保有量呈明显上升趋势，加大了PM2.5、黑碳以及臭氧前体物等的排放，导致该地区气溶胶成分逐渐趋于复杂。
以内蒙古锡林浩特市为研究区，开展这一地区的气溶胶散射特性及其与污染物、气象条件的关系研究，从而掌握大气环流形势、气象条件变化以及内外源的影响对散射系数造成的季节性差异[19]，可以为我国北方地区大气污染防治以及开展区域大气消光、辐射强迫的相关研究和业务应用提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 数据资料

所用数据资料包括2020年7月9日至2023年7月8日内蒙古锡林浩特市的散射系数、黑碳（Black Carbon，BC）质量浓度逐小时数据、大气污染物（PM2.5、PM10、SO2、NO2）质量浓度以及气象要素（温度、风速、相对湿度和降水量）逐日数据。
其中，散射系数采用积分式散射测量设备（M9003浊度仪）观测获得，仪器测量波长为525 nm，测量范围为0~2000 M·m-1，积分角度为0°~170°。BC质量浓度数据采用AE-31型黑碳仪观测获得，该仪器有7个测量通道（370 nm、470 nm、525 nm、590 nm、660 nm、880 nm、940 nm），但是由于在测量过程中880 nm通道受到滤膜和其他气溶胶的影响较小，该波段的近红外光为黑碳浓度的标准监测光，因此，本次研究结果由该波段BC质量浓度数据分析得出。散射系数和BC质量浓度采样频次均为5 min，对负值、超出测量范围的异常值、缺测值甄别处理后，BC质量浓度逐小时数据由5 min数据算术平均得出，散射系数逐小时数据采用算术平均和中位数两种计算方法得出。
PM2.5、PM10、SO2、NO2大气污染物质量浓度和温度、风速、相对湿度和降水量气象要素逐日数据分别来源于锡林浩特城区环境监测子站逐小时观测资料的日平均和锡林浩特市国家级气象监测台站的逐日观测资料。经过质量控制后，各资料的有效样本率见表1。
表1 数据的有效样本率

Tab. 1 The valid sample rate of used data

数据类型 样本容量/个 有效样本量/个 有效样本率/%
散射系数 26280 25513 97.1
黑碳质量浓度 26280 25735 97.9
大气污染物质量浓度 1095 1020 99.5
日平均气温 1095 1088 99.4
日平均相对湿度 1095 1088 99.4
日平均风速 1095 1088 99.4
日最大风速风向 1095 1091 99.6
日降水量 1095 1079 98.5

1.2 方法

1.2.1 小时尺度散射系数计算方法

算术平均数和中位数均为度量数据水平常用的统计量。算术平均数易受一组数据中极端数值的影响，而中位数由于不易受其影响，常用来描述一组数据的集中趋势。从前期研究结果[20]来看，锡林浩特市PM10、PM2.5、SO2、NO2质量浓度水平普遍较低，均低于同期周边城市水平，来自西北方向和正北方向的沙尘天气是锡林浩特市的主要污染来源。为了更好地了解当地气溶胶散射系数的变化特征，评估不同方法计算结果的合理性与差异性，本文分别采用算术平均（M1）和中位数（M2）两种方法，对质控后的5 min数据进行小时尺度散射系数计算，并统计两组小时尺度散射系数的标准差、峰度、偏度、变异系数及置信度（95.0%），结果见表2。两组小时数据总体差异并不明显，M2计算结果的峰度、偏度及变异系数略大于M1计算结果，而标准差和置信度略小于M1计算结果。可见，两组小时数据均呈偏态分布，离散程度较高，M2计算结果的离散程度略高于M1计算结果，这表明M2计算结果的极大值总体上较M1偏大，而其余值更集中在众数周围。
表2 两种小时尺度散射系数计算方法对比

Tab. 2 Comparison of two calculation methods for the hourly scale scattering coefficient

计算方法 标准差 峰度 偏度 变异系数 置信度（95.0%）
M1 109.18 259.49 12.82 1.82 1.34
M2 106.01 275.84 13.30 1.87 1.30
通过计算M1、M2与大气污染物质量浓度的相关性发现，M2与污染物的相关程度较M1更高（表3）。因此，本文认为M2更能凸显气溶胶输送导致该地区散射能力增强的这一特征。本文将M2计算结果作为散射系数小时值，依次进行散射系数日、月、季尺度和完整研究周期的平均值以及中值计算。
表3 两种小时尺度散射系数计算方法与气溶胶相关性对比

Tab. 3 Comparison of the correlation between hourly scale scattering coefficients by two calculation methods and aerosol

计算方法 PM10 PM2.5 BC SO2 NO2
M1 0.481** 0.652** 0.814** 0.045 0.198**
M2 0.487** 0.661** 0.815** 0.045 0.190**

注：**表示通过了α=0.01的相关性检验。下同。

1.2.2 Person相关系数

Person相关系数（ R，以下简称为相关系数）用来描述两个连续型变量之间的线性相关程度，取值在[-1，1]之间，计算方法见公式（1）。本文通过计算分析不同类型气溶胶与散射系数的相关关系，估计不同类型气溶胶对散射系数的影响程度。
R = ∑ N i = 1 ( x a - x ' a ) ( x p - x ' p ) ∑ N i = 1 ( x a - x ' a ) 2 ∑ N i = 1 ( x p - x ' p ) 2
式中： x a、 x p分别表示散射系数和各大气污染物； x ' a 、 x ' p 分别表示散射系数和各大气污染物的平均值； N表示统计时段内样本总量； i表示统计时段内样本序号。

1.2.3 多元线性回归方法

多元线性回归指一个因变量与两个或两个以上自变量之间的线性数学模型，即由多个自变量的最优组合共同来预测或估计因变量，计算方法见公式（2）。本文采用多元线性回归方法建立散射系数与不同类型气溶胶、气象要素的拟合模型，进而确定散射系数与影响因子之间的定量关系。
y = a 0 + a 1 × x 1 + a 2 × x 2 + ⋯ + a n × x n
式中： y为散射系数的拟合值； x 1， x 2， ⋯ ， x n为散射系数的影响因子； a 0， a 1， a 2， ⋯ ， a n为待估参数；文中采用最小二乘法进行参数估计。

2 结果与分析

2.1 气溶胶散射特性

2.1.1 散射系数的时间变化特征

锡林浩特站散射系数平均值为56.0 M·m-1。从月平均散射系数及其距平可知（图1），冬半年月平均散射系数高于夏半年，最大值出现在3月，为84.1 M·m-1；最小值出现在6月，为28.8 M·m-1。
图1 气溶胶月平均散射系数及距平

Fig. 1 Monthly average scattering coefficient and anomaly of aerosol

采取以月份划分季节方式[21]，各季散射系数平均值表现为冬季（68.3 M·m-1）>春季（60.9 M·m-1）>秋季（55.0 M·m-1）>夏季（39.7 M·m-1）。夏季由于湍流垂直扩散较为剧烈，湿沉降过程增多，使散射系数维持在较低水平，春季沙尘气溶胶的输送与冬季取暖，加之冬季日照时间短湍流发展弱，逆温出现频率较高，气溶胶不易扩散，均加大了气溶胶散射能力[22]。
研究期内散射系数中值为32.2 M·m-1，散射系数中值表现为冬季（40.6 M·m-1）>秋季（31.4 M·m-1）>春季（30.6 M·m-1）>夏季（25.9 M·m-1），明显小于散射系数平均值，说明该地区气溶胶散射能力整体水平较低，但是受大气环境变化等因素影响，会造成短时间内气溶胶散射能力的增强。
年平均散射系数日变化呈“双谷”型（图2），与乌鲁木齐的散射系数日变化特征较为一致[16]，春、秋、冬3季的变化特征也与之基本吻合，谷值出现两个时段（05:00—07:00和16:00—19:00）内散射系数差异并不明显，而峰值出现的两个时段（23:00—次日00:00和10:00—14:00）差异较大。20:00—次日02:00散射系数的快速变化规律表明此时当地主要受污染性气溶胶的影响，且污染性气溶胶总量相较于其他时次较多，在逆温层结下，散射系数峰值较高[23]，这一特征在冬季表现尤为明显。12:00前后散射系数次高峰的出现，可能是二次气溶胶引起的[24]。
图2 气溶胶年平均散射系数的日变化

Fig. 2 Diurnal variation of aerosol annual average scattering coefficient

夏季散射系数呈“单谷型”变化，00:00—07:00散射系数由峰值缓慢下降至谷值，07:00—16:00维持在较低水平，16:00以后又由谷值缓慢上升至峰值，这是由于该地区夏季大气中气溶胶含量较低，且白天受太阳辐射影响，近地面大气表现为不稳定层结，大气扩散能力加强，导致散射系数下降，夜晚大气趋于稳定，散射系数出现缓慢增加。

2.1.2 散射系数的概率密度

从散射系数的概率密度可知（图3），随着散射系数的增大，概率密度呈快速下降趋势，散射系数介于0~1941.9 M·m-1之间，但主要集中在0~400 M·m-1，占全部样本的99.4%。表4为散射系数为（400，1000]和大于1000 M·m-1时的样本总数以及各季节占比。可见，散射系数>400 M·m-1主要出现在春、冬两季，与春季沙尘、冬季燃煤取暖有关。而散射系数>1000 M·m-1全部出现在春季，这与春季沙尘环境下，沙尘气溶胶质量浓度急剧上升有关。
图3 散射系数概率密度

Fig. 3 The probability density of scattering coefficient

表4 散射系数在不同区间内的样本总数及各季占比

Tab. 4 The total number of scattering coefficient samples and their quarterly proportions in different intervals

取值区间
/（M·m-1）		 样本总数 春季占比/% 夏季占比/% 秋季占比/% 冬季占比/%
（400,1000] 153 39.9 3.9 11.8 44.4
>1000 32 100 0 0 0

2.2 不同类型气溶胶与散射系数的相关性

2.2.1 散射系数与PM10、PM2.5的相关性分析

PM10、PM2.5与散射系数呈正相关关系，相关系数分别为0.49和0.66，通过了0.01显著性水平检验。由各季散射系数随可吸入颗粒物质量浓度的变化分布可知（图4），细粒子质量浓度的增加对散射系数的影响更大，除冬季相关程度相当外，PM2.5与散射系数的相关性均明显高于PM10。春季沙尘环境下沙尘气溶胶的输送占主导地位，散射系数与PM10、PM2.5均呈较高的相关性，虽然PM10质量浓度明显高于PM2.5质量浓度，但是由于沙尘气溶胶粒子传输过程中，在干沉降的作用下，粗粒子的沉降速度大于细粒子的沉降速度，导致了细粒子对散射系数的贡献高于粗粒子[25]。
图4 各季散射系数随可吸入颗粒物质量浓度的变化分布

Fig. 4 Distribution of scattering coefficients in different seasons as a function of inhalable particle mass concentration

2.2.2 散射系数与BC的相关性

从BC质量浓度及其距平的月变化可知（图略），其月变化特征与散射系数具有明显一致性。研究期内BC质量浓度与散射系数呈显著正相关关系，相关系数达0.82，通过了0.01显著性水平检验。从各季散射系数随BC质量浓度的变化分布看（图5），两者相关性为春季>秋季>冬季>夏季，除夏季低于PM2.5与散射系数的相关性外，其余季节均表现出更高的相关性。可见，BC是影响该地区散射的一个重要组成因素，即粒径较小的气溶胶对散射影响较大。封秋娟等[26]在对山西夏季气溶胶散射特征的飞机观测研究中指出粒径0.1~0.5 μm的气溶胶粒子对散射影响最大。
图5 各季散射系数随黑碳气溶胶浓度的变化分布

Fig. 5 Distribution of scattering coefficients in different seasons as a function of black carbon aerosol mass concentration

2.2.3 散射系数与SO2、NO2的相关性

周海军等[20]指出，燃煤取暖、电厂排放、机动车尾气等污染源排放对锡林浩特市环境空气质量有一定影响，因此，本文进一步开展了气态污染物对散射系数的影响研究。通过各季散射系数与SO2、NO2质量浓度的相关系数发现（表5），气态污染物NO2、SO2与大气中细小的颗粒物质结合，形成硝酸盐和硫酸盐，造成对气溶胶散射系数的影响，该地区冬季散射作用较大的硝酸盐、硫酸盐颗粒含量相对较高，导致气溶胶散射能力进一步增强。
表5 各季散射系数与NO2、SO2质量浓度的相关性对比

Tab. 5 Comparison of correlation between scattering coefficients and the mass concentrations of NO2 and SO2 in different seasons

大气污染物 春季 夏季 秋季 冬季
NO2 -0.105 -0.132 0.401** 0.649**
SO2 -0.141 0.215** 0.210** 0.246**

2.3 散射系数与气溶胶的定量关系

采用多元线性回归方法，分季节建立散射系数与不同类型气溶胶质量浓度的定量拟合关系（表6），拟合值与实测值的相关系数均在0.8以上，通过了0.01显著性水平检验，呈显著正相关。由此说明，PM10、PM2.5、BC在春季是影响该地区散射系数的主要因素，这三种类型气溶胶质量浓度的变化能够较好地反映出散射系数的演变，而夏、秋、冬三季受硝酸盐和硫酸盐等污染性气溶胶影响加大。但是通过各季拟合值和实测值的时序图发现（图6），除春季拟合值与散射系数峰值有很好的对应关系以外，其余各季散射系数峰值普遍明显高于拟合值，这可能与大气中的其他类型气溶胶或气象等因素影响有关，有待进一步分析研究。
表6 各季散射系数与不同类型气溶胶的拟合关系

Tab. 6 The fitting relationship between scattering coefficients and aerosols in different seasons

季节 拟合关系 相关系数
春季 Y=-0.303XPM10+3.333XPM2.5+0.519XBC-13.755 0.931
夏季 Y=-1.172XPM10+5.741XPM2.5+0.178XBC+1.556XSO2-8.227 0.803
秋季 Y=0.173XPM10+2.763XPM2.5+0.334XBC+0.973XSO2+1.379XNO2-30.410 0.821
冬季 Y=0.386XPM10+0.525XPM2.5+0.344XBC-0.968XSO2+4.267XNO2-13.997 0.848
图6 各季散射系数实测值与拟合值时序图

Fig. 6 The sequence diagram of measured and fitted scattering coefficients in different seasons

2.4 散射系数等级划分

从气溶胶散射特性分析结果来看，研究区气溶胶散射能力整体处于较低水平，但日平均散射系数最大可达960.0 M·m-1。对逐日散射系数与污染物浓度变化分布特征进行分析，最终选取50%、80%分位数进行气溶胶散射系数等级划分，将气溶胶散射系数划分为低、中、高3个等级。对比《环境空气质量指数（AQI）技术规定》（试行）（HJ633-2012）[27]中污染物浓度阈值，发现高气溶胶散射系数等级下，污染物浓度变化范围较大，因此，进一步采取K-means聚类分析，将高等级气溶胶散射系数进一步划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个等级，并最终确定不同散射系数等级可能造成的影响（表7）。
表7 气溶胶散射系数等级划分

Tab. 7 Classification of aerosol scattering coefficient grades

等级 散射系数阈值
/（M·m-1）		 可能影响
低
 ≤30
 PM2.5空气质量分指数为优，BC质量浓度基本在100 ng·m-3以下
中
 （30,70]
 PM2.5空气质量分指数为良，BC质量浓度基本在200 ng·m-3以下
高Ⅰ
 （70,100]
 污染物浓度可能达到轻度污染等级，短时可达中度或以上污染等级
高Ⅱ
 （100,600]
 污染物浓度可能达到中度污染等级，短时可达重度或以上污染等级
高Ⅲ
 >600
 PM10污染物浓度可能达到重度或以上污染等级

2.5 气象因素对散射系数的影响

2.5.1 地面风对散射系数的影响

由图7可知，散射系数大值主要发生在NW、SW、SSE风向下，除春季散射系数较大值（>150 M·m-1，下同）对应的日平均风速较大（4 m·s-1以上时的大值样本占61.1%）以外，其余季节均对应较小的日平均风速（基本小于4 m·s -1）。可见，春季大风加强了沙尘气溶胶的输送，导致气溶胶散射能力增强，而夏、秋、冬季气溶胶输送能力较弱，散射系数的增大可能主要以本地污染源排放为主。由于观测站位于锡林浩特市东北方向，因此，在该地区主导风向（NW）作用下，沙尘气溶胶与城市内污染性气溶胶输送造成了监测站点位置散射系数的增大，且城市污染源排放可能是造成散射系数较大值主要发生在偏南气流控制下的重要原因。
图7 各季散射系数随风速风向的变化分布

Fig. 7 Distribution of aerosol scattering coefficient under different wind directions and speeds in different seasons

2.5.2 相对湿度对散射系数的影响

相对湿度是影响气溶胶散射能力的重要因素。剔除降水日，由散射系数随相对湿度的变化可见（图8），相对湿度高于60%后，气溶胶散射系数呈增大趋势，尤其当相对湿度大于75%时，气溶胶散射能力明显增大，这与王开燕等[7]的研究结论一致。在相对湿度低于60%时，由于沙尘气溶胶的输送，会导致某次沙尘过程散射系数显著增大，进而提高了这一相对湿度等级下的平均散射系数水平，使得相对湿度在60%以下时不具有明显的规律性。
图8 不同相对湿度等级下散射系数的变化趋势

Fig. 8 The variation trend of scattering coefficients under different relative humidity levels

2.5.3 气象因素对散射系数的贡献

通过分析，筛选日平均气温、日平均风速、日平均相对湿度作为影响气溶胶散射能力的主要气象因子，结合各季主要气溶胶类型，进一步建立散射系数与不同类型气溶胶、气象因子的定量关系，发现各季散射系数实测值与拟合值的相关系数为0.936、0.818、0.836、0.857，较增加气象因子前相关系数分别提高0.005、0.015、0.015、0.009。以相关系数的增幅作为当前气象因素对散射系数的贡献率，由此可见，除前期气象条件对气溶胶的输送、扩散等影响之外，当前气象因素对散射系数的贡献率在1%~2%之间，表现为夏、秋季气象要素贡献率较高，冬季次之，春季最小。

3 讨论

研究期内锡林浩特站散射系数平均值为56.0 M·m-1，冬季最高（68.3 M·m-1）；BC质量浓度平均值为78.3 ng·m-3，同样表现为冬季最高（95.6 ng·m-3）。而章秋英等[28]在内蒙古锡林浩特地区气溶胶散射和吸收特征研究中指出，2005年1—9月平均日散射系数为127.12 M·m-1，春季BC质量浓度日平均值为2052 ng·m-3，与本研究结果差别较大。王慧清等[22]对锡林浩特地区大气BC质量浓度年际变化的分析中发现，2010—2021年该地区BC质量浓度存在显著下降趋势，年际变化差异明显，最低值出现在2021年，为73.09 ng·m-3，最高值与最低值相差7倍多，与本文结果吻合。散射系数与BC质量浓度的明显下降与近年来锡林浩特周边采矿治理等大气污染防治工作可能存在联系。
散射系数的“双谷”型日变化特征与王天舒等[12]的研究结论有所不同。王天舒等[12]指出，锡林浩特地区背景大气散射系数日变化呈“双峰型”分布，峰值分别出现在07:30与19:30，扬沙天气过程中，散射系数近似双峰分布，但日变化幅度与背景大气相比较小，沙尘暴天气过程中散射系数趋于单峰分布，强沙尘暴天气过程中单峰分布更为明显。
散射系数与气溶胶、气象因子拟合关系的建立，为定量评估两者对散射系数的贡献提供了参考，也为开展相关预报工作提供了技术支撑。从夏、秋、冬三季的拟合值和实测值对比分析，散射系数实测峰值普遍明显高于拟合值，其成因有待深入研究，而且从前期研究来看，散射系数的年际变化较大，因此，需要结合工业化及大气污染防治背景，进一步明确气溶胶散射能力与大气污染的关系，通过散射系数等级阈值的确立，为区域能见度预报提供参考，从而为相关部门提供更具指导性的气象服务产品。

4 结论

本文以锡林浩特市为研究区，开展内蒙古半干旱区的气溶胶散射特性及影响因子研究，得出如下结论：
（1） 散射系数平均值的季节特征为冬季（68.3 M·m-1）>春季（60.9 M·m-1）>秋季（55.0 M·m-1）>
夏季（39.7 M·m-1），中值的季节特征为冬季（40.6 M·m-1）>秋季（31.4 M·m-1）>春季（30.6 M·m-1）>夏季（25.9 M·m-1），小于散射系数平均值。
（2） 年平均散射系数呈“双谷”型日变化特征，峰值出现在23:00—00:00和10:00—14:00，谷值出现在05:00—07:00和16:00—19:00。
（3） 散射系数与PM10、PM2.5、BC的相关性为BC>PM2.5>PM10，春、秋、冬三季与BC的相关程度最高，夏季与PM2.5的相关程度最高，且冬季NO2与散射系数的相关程度仅次于BC。
（4） 风速和相对湿度是影响散射系数的主要气象因素，春季散射系数的大值多发生在4 m·s -1以上风速，秋季多发生在4 m·s -1以下风速，而夏、冬季发生在3 m·s-1以下风速区间；相对湿度高于60%后，气溶胶散射系数呈增大趋势，相对湿度大于75%时，增大趋势更为明显。
（5） 当前气象因素对散射系数的贡献率在1%~2%，夏秋季最高，春季最低，冬季次之。

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