大气气溶胶监测与分析方法概述

第5卷第3期

Vol.5No.3

三峡生态环境监测

EcologyandEnvironmentalMonitoringofThreeGorgesSep.2020

2020年9月

DOI：10.19478/.2096-2347.2020.03.01

大气气溶胶监测与分析方法概述

张养梅，孙俊英，沈小静，吴玲燕，梁林林

*

（中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室&中国气象局大气化学重点开放实验室，北京100081）

摘要：

大气气溶胶不仅会通过吸收或散射太阳光影响大气能见度产生直接气候效应，对云凝结核、降水的形成等产生间

接气候效应，还会影响人类健康。对大气气溶胶特性的监测与分析是认识大气气溶胶，了解污染物形成与老化机

理，追溯污染物来源的主要途径。随着大气科学技术的不断发展，大气气溶胶的监测分析方法和仪器层出不穷。

不同分析方法和测量手段的工作原理不同，测量的参数不同，不同仪器之间的差别很大。为此，本文整理了目前

针对大气气溶胶特性测量广泛使用的监测仪器及主要分析方法，介绍这些监测仪器和分析方法的基本原理及其在

实际应用中的优点和缺点，并对未来大气颗粒物及特性监测分析方法进行展望，旨在提升科研工作者对这些监测

手段和方法的理解和认知。

关键词：

大气气溶胶；理化特性；光学特性监测与分析

中图分类号：文献标识码：A文章编号：2096-2347（2020）03-0001-10

X51

OverviewofAtmosphericAerosolMeasurementandAnalysisMethod

ZHANGYangmei,SUNJunying,SHENXiaojing,WULingyan,LIANGLinlin

*

(StateKeyLaboratoryofSevereWeather&KeyLaboratoryofAtmosphericChemistryofChinaMeteorologicalAdministration,

Chine,butalsohavedetrimateAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China)

Abstract:Atmosphericaerosolnotonlycaussubstantialvisibilityreductionanddirectclimateeffectbyabsorbingandscattering

sunlight,andhaveindirectclimateeffectfunctionontheformationofcloudcondensationnuclei(CCN)andprecipitation,butalso

havedetrimentaleffectsonhumanhealth.Monitoringvariouscharacteristicsofatmosphericaerosolisthekeywaytounderstandits

nature,andtheformationandsourcemechanismsofpollutionsassociatedwithit.Todateavarietyofmonitoringmethodsandin⁃

strumentshavebeendeveloped.However,therearesignificantdifferencesamongthemethodsandinstrumentsduetotheirdis⁃

tinctmeasurementandanalysisprinciples.Inthispaper,wesummarizesomewidelyemployedmonitoringinstrumentsandanalyz⁃

ingmethodsforatmosphericaerosol,especiallyfocusontheirbasicprinciple,meritsandshortcomingsforspecificapplications.Al⁃

so,fourpointofprospectiveviewforfuturestudiesandmeasurementsaresuggested.

Keywords：atmosphericaerosol;physicalandchemicalcharacteristic;opticalproperties;monitoringandanalysis

大气气溶胶是悬浮在大气中的液体或固体微大气物理和大气化学过程中的作用，需要详细地

粒组成的混合体系。与气体不同，由于大气气溶分析大气气溶胶的物理化学特征，包括气溶胶粒

[1]

胶相态组成不单一，要想定量研究大气气溶胶在子的尺寸、形貌特征、个数、质量和密度、掌握

收稿日期：2020-04-17

基金项目：国家自然科学基金项目（41675121，41775121）。

作者简介：张养梅（1971—），女，研究员，博士，主要从事气溶胶特性观测与研究。E-mail:***************

引用格式：张养梅，孙俊英，沈小静，等.大气气溶胶监测与分析方法概述[J].三峡生态环境监测，2020，5（3）：1-10.

CiteFormat:ZHANGYM,SUNJY,SHENXJ,etal.Overviewofatmosphericaerosolmeasurementandanalysismethod[J].EcologyandEnvi⁃

ronmentalMonitoringofThreeGorges，2020，5（3）：1-10.

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第5卷

气溶胶单位体积内的质量浓度、粒子数浓度及化现对单粒径粒子的筛分，用于大多数气溶胶测量

学成分等。大气颗粒物的粒径可以在几纳米到仪器的标定中，并与其他的计数器联用测量大气

[2-3]

几百微米范围内变化。大气颗粒物的许多重要性气溶胶的粒径分布谱。

质如体积、质量和沉降速度等都与粒子大小有在19世纪后期，人们主要利用重力沉降方法

关，而大气颗粒物如此广泛的粒径分布特点又与来被动收集大气颗粒物，随后该方法很快被主动

[4]

粒子的来源息息相关。大气气溶胶按其来源一般采样所取代，并成为至今仍然广泛使用的收集大

分为自然源和人为源，按其形成过程可以分成一气颗粒物非常重要的方式之一。起初收集的是总

次气溶胶和二次气溶胶。自然源气溶胶主要指与悬浮颗粒物（totalsuspendedparticle,TSP），并没

自然活动有关的气溶胶，包括海水溅沫、生物排有对颗粒物进行粒径区分。随着粒子切割技术的

放、火山喷发等。人为源则与人类活动有关，包不断发展，科学家们根据颗粒物在人体呼吸系统

括工业排放、机动车排放、生物质燃烧排放、建中的渗透效率，逐渐将颗粒物细化为空气动力学

筑扬尘以及餐馆排放等。一次气溶胶是指直接排直径小于或等于10μm和2.5μm的大气颗粒物，

放到大气中的颗粒物，除了包括通过机械过程如即PM。Chow在对大气颗粒物质量浓度

风化或者其他磨损过程形成的大气颗粒物外，还测量的综述中，不仅提出了要重点关注2~3μm粒径

包括燃烧过程直接排放的大气颗粒物。而二次气范围内的大气颗粒物，同时也提出了测量大气颗

溶胶则主要由气态前体物包括氮氧化物、硫氧化粒物化学成分的重要性，为美国国家环境保护局

物和挥发性有机物等通过一系列的二次转化过程（EnvironmentalProtectionAgency，EPA）制定相应

生成。由于气溶胶的来源和排放特点不同，不同的空气质量标准做出了重要贡献。

[4][12]

来源和种类的气溶胶化学成分也有所不同。例如，随着现代仪器技术的发展，监测和分析大气

有些一次排放粒子主要成分可能包括与土壤有关气溶胶物理化学和光学特性的仪器种类繁多，方

的矿物质（例如Fe、Si、Ca、Mg），有机物（花粉法多样。大气气溶胶的收集技术，大气气溶胶物

或孢子），无机盐（海盐）以及黑碳（烟炱）等。理、化学和光学特性测量等技术的更新也在不断

而二次气溶胶中的化学成分主要包括有机物、硫推动着大气科学领域的基础研究和应用研究的发

酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物等。大气气溶胶粒展和进步。然而，由于与大气气溶胶监测和分析

[5]

子除了直接影响环境大气对光的散射与吸收，改相关的仪器设备和方法很多，容易引起不必要的

变到达地面的太阳辐射强度外，也是决定云凝结混淆，本文重点梳理了一些广泛使用的监测大气

核形成的重要因素，对云、雾降水特性以及气候气溶胶特性的仪器及分析方法，包括大气气溶胶

变化均产生一定的影响。为了进一步了解大气气的采样方法、质量浓度测量方法与技术、大气气

[6]

溶胶的来源、组成、生成机理及其对人体健康和溶胶中化学成分测量和实验室分析，以及气溶胶

气候变化的影响，对大气气溶胶粒子大小、形状、光学特性监测等。从不同仪器的工作原理、技术、

质量浓度、化学成分及散射和吸收等特性的观测应用等角度探讨不同监测分析方法的优、缺点，

方法和测量仪器应运而生。分析影响各个仪器在实际工作中测量不确定性的

最早用于测量颗粒物数浓度的设备是由Aitken因素，为科研工作者客观认识和全面了解这些监

发明的“粉尘计数器”。粉尘计数器是将颗粒物测分析方法提供参考。

[7]

置于一个膨胀装置中，让其逐渐长大形成液滴，

再利用一个玻璃放大器辅助计数，这也是现代凝

结核粒子计数器（condensationparticlecounters，大气颗粒物采样方法主要有两种，一种是膜

CPC）的雏形

[8]

。电迁移技术的引进使粒子测量技采样，一种是在线采样。膜采样是利用动力作用

术有了突破性进展。差分淌度仪（differential将环境大气引进采样系统，将其中的大气颗粒物

[9]

mobilityanalyzer，DMA）利用粒子电迁移特性可实

102.5

和PM

[10][11]

1大气颗粒物采样方法

截留到采样膜上，以达到收集大气颗粒物的目的。

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在线采样法是利用动力作用，将环境大气直接引粒子的分离。在惯性作用下粒子沿着原始轨迹运

入在线测量仪器中，达到直接对大气气溶胶不同动，撞到收集器上而被截留。这种切割装置主要

特性进行测量的目的。膜采样是收集大气颗粒物用于滤膜收集中的单级采样器[图1（a）]和多级采

既简单又经济的方法。由于该方法成本低，操作样器[图1（b）]。旋风式切割器[图1（c）]是利用

简单，比较容易满足在不同采样点同时采集的需离心分离的原理，按粒径选择性分离粒子。较大

求，但是膜采样法时间分辨率较低，一般为24h的粒子在惯性作用下撞击到离心装置的管壁上停

或12h，使得气溶胶特性研究受到一定的限制。留下来，待收集粒子沿着事先设计好的流体轨迹

与膜采样法相比，在线采样需要配备相应的在线保留在气路中。

测量仪器来实现，成本相对较高，但可以获得高常见的便携式采样器（MiniVolairsampler）、

时间分辨率的气溶胶特性，对研究气溶胶特性变中流量采样器（TH-150）、大流量采样器（TH-

化很有帮助。

不论是膜采样还是在线采样，在采样期间，（AH-600）、MOUDI撞击式分级采样器

如果采样系统前没有安装粒径切割装置，则收集（MOUDI100S4）等都是撞击式切割器。URG公司

到的大气颗粒物粒径组成未知。若在采样系统前研发的2000-30DBQ/2000-30EQ型PM

安装了粒径切割装置，则收集到的即为已知粒径器，BGI公司研发的VSCC型PM

范围的颗粒物，例如PM式切割器。在实际工作中，撞击式切割器和旋风

102.5

或PM。

粒径切割装置在设计上一般分为撞击式和旋式切割器在膜采样和在线测量中均有应用，有时

[1]

102.5

/PM切割

2.5

切割器均是旋风

单独使用，有时两种切割器也可能组合使用。风式两种。撞击式是基于惯性撞击的原理实现对

1000H；ThermoScientific）、安德森分级采样器

限流器

一级切割

颗粒物轨迹气流轨迹

撞击板

撞击板

（a）

二级切割

颗粒物轨迹

气流轨迹

N级切割

滤膜

（c）

图1单级撞击式切割器（a），多级撞击式切割器（b）和旋风式切割器（c）工作原理

Fig.1Workingmechanismofsingle-stageimpactor(a),multi-stageimpactor(b)andcycloneimpactor(c)

接真空泵

（b）

2物理特性测量

2.1质量浓度测量

质量浓度测量方法分为称重法和在线测量两时间分辨率一般为12～24h。该方法时效性差，

种。称重法是利用微量天平称量采样前和采样后

滤膜的质量，再除以采样体积，来计算采样时段

大气气溶胶的质量浓度。称重法获得的质量浓度

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无法监测到大气气溶胶质量浓度的快速变化特征，正系数1.3来校正因挥发而损失掉的颗粒物质

但是由于这种称重方法成本低，对采样人员的要量，但该方法仍不能作为欧盟标准方法的等效

求不高，仪器维护简单，对了解采样点长期质量方法。为了解决这个问题，美国热电公司开发了

浓度变化规律依然具有重要的意义。新型膜动态测量系统（taperedelementoscillating

与称重法相比，在线测量则具有时间分辨率

高，时效性强，可以捕捉到大气气溶胶质量浓度。没有

的迅速变化等特点而被广泛应用。目前，常见大安装FDMS系统的TEOM监测仪的测量值较β射线

气气溶胶质量浓度在线测量方法有锥管微量振荡监测仪的测量值偏低15%左右。安装了FDMS系

天平法（taperedelementoscillatingmicrobalance,统的TEOM监测仪可以实现颗粒物中半挥发性物质

TEOM）、β射线吸收法和激光散射单粒子法（仪器

型号GRIMM180）。其中TEOM和β射线吸收法是的稳定性仍需要改善。李菲等比较了TEOM

美国环保部认证的标准方法，也是我国空气质量和GRIMM180观测结果，发现有46.5%的数据点

标准中PM

102.5

、PM质量浓度测量推荐的标准方法。TEOM测量值大于GRIMM180值，有53.5%的数据

TEOM1400A系列仪器和GRIMM180仪器主要应用

于中国气象局沙尘暴观测网、大气本底站网和大气果的原因包括GRIMM180的除湿模块流量设计较

成分站网开展大气气溶胶质量浓度在线观测业务。小，该仪器对高相对湿度环境的除湿效果不如

样膜构成）振荡频率和系统质量存在定量关系的如果GRIMM180长期持续观测后光源出现衰减的

原理，连续测量大气气溶胶质量浓度。该方法情况，就会造成其测量值偏低的情况发生。此外，

[13]

从测量原理上更符合气溶胶质量浓度的传统概念。在计算质量浓度时，需要对气溶胶的密度进行假

β射线法是利用β射线的衰减量来测定颗粒物质量

增加量的监测方法。由于颗粒物的吸收会导致β射变化而变化，因此，其最终的计算结果也存在一

线的衰减，通过β射线的衰减量与截留在滤膜上颗定的不确定性。

粒物质量增加量的关系计算颗粒物的质量浓度。

[14]

这种分析方法，人工维护量较小，但对仪器标校大气中的颗粒物的粒径范围从几纳米到几百微

的要求很高。大气中除了存在例如黑碳类气溶胶米，不同粒径颗粒物的物理化学特性不同，所遵循

外，有机物、硫酸盐、硝酸盐等无机气溶胶会对β的规律也不相同。目前，没有一种仪器能够同时

射线造成散射的效应，是造成该方法对大气颗粒测量如此宽范围的颗粒物的粒径分布。要想实现

物质量浓度测量偏差的主要原因。激光散射单粒颗粒物粒径分布的测量，首先要对粒径进行分级

子法采用激光散射单粒子测量原理实现测量。激分离，然后再对分离出来的粒子进行计数。通常

光照在气溶胶上发生散射，根据检测器接收到散采用DMA和CPC联用来测定颗粒物的数谱分布。

射光脉冲信号的频次和强弱，计算气溶胶的数量

和粒子粒径，进而得出颗粒物的质量浓度。是高精度的单分布粒子发生系统，主要根据颗粒

[15]

汽蒸发来解决水汽凝结的问题，但同时加热方法某一电极电压下，只有电迁移淌度值在很窄范围

TEOM在设计上采用对进样管加热的方法让水

TEOM是利用弹性振荡体系（由空心锥管和采TEOM，导致GRIMM180测量值高于TEOM测量值。

[17]

microbalance-filterdynamicsmeasurementsystem,

TEOM-FDMS），可以满足等效标准要求

[14]

[14]

的质量补偿，但是该系统仪器的协同性以及运行

[18][18]

点TEOM测量值小于GRIMM180的值。造成这个结

设，但是气溶胶的密度会随着气溶胶化学组成的

2.2数浓度测量

DMA中的气溶胶静电分级器（electrostaticclassifier）

物的电迁移淌度，将不同粒径的颗粒物分开。在

的颗粒物能够从DMA流出，筛选出的粒径为电迁也导致了气溶胶中一些易挥发性成分包括有机物

移等效直径。在实际观测中，采用快速改变电和硝酸盐向气态转化，导致颗粒态气溶胶损失，

[19]

极电压的方法，实现对实际大气中不同粒径粒子从而造成气溶胶质量浓度被低估的问题。在实

的分离。CPC利用颗粒物在饱和蒸汽环境下凝结长际观测过程中，一些TEOM的监测数据使用默认校

[16]

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大，使其增长形成液滴，再通过光学探测器对粒

子进行探测计数，来测定颗粒物的数浓度。由于

粒径分离范围与DMA设计长度有关，该方法一般

可以实现电迁移等效直径为3~1×10

3

nm粒径谱的测

量。空气动力学粒径谱仪（aerodynamicparti⁃

[19-20]

clesizer，APS）是用于测量空气动力学直径为

0.5~20μm（或光散射直径为0.37~20μm）粒子

的粒径谱的在线测量仪器。空气动力学粒径是通

过测定每一粒子通过两束近距离激光束的飞行时

间来换算，光散射粒径是利用激光散射特性测量

的。粒子个数由激光计数器来计数，实现对粒子

[2]

粒径和粒子数量的同时测量，从而获得粒径谱。

基于DMA-CPC联用和APS两种粒子谱仪的测量局

限和优势，通常将两种测量技术并用，实现对粒

子谱3~2×10。但是由于两种测量

4[2]

nm的全谱测量

数对粒径进行必要的换算，以保证两种测量粒径

物理意义的一致性。

[21]

表1不同分析方法对应的分析要素

Table1Parametersindifferenranalysismethods

分析方法缩写测量要素

热-光分析法(thermal/opticalanalysis)有机碳、元素碳

X射线荧光法(X-rayfluorescencespectrometry)XRF

原子吸收法(atomicabsorptionspectrometry)元素

质谱(massspectrometry)元素、离子

电感耦合等离子质谱(intercoupledplasmaMS)元素

质子激发X射线荧光(protoninducedX-rayemission)元素

气相色谱-质谱(gaschromatography-massspectrometry)有机物

中子活化法(neutronactivation)元素

透射电镜法(transmissionelectronmicroscopy)元素、形貌

离子色谱(ionchromatography)无机物

红外，紫外光谱法（IR-,UV-spectroscopy）化合物

3化学特性测量

3.1化学成分离线分析

基于大气气溶胶采样膜的化学成分分析主要

包括有机碳、元素碳、水溶性离子和元素的测量。

热光分析法是用于测量大气颗粒物中有机碳和元

素碳的常用方法。离子色谱仪用来分析大气气

[22]

溶胶中水溶性阴、阳离子成分浓度，阳离子成分

一般包括K、Na、Ca、Mg、NH，阴离子包括

++2+2++

4

X射线荧光分析法、电感耦合等离子体质谱法、质

子激发X射线荧光法（protoninducedX-rayemis⁃

量和痕量元素含量。气相色谱-质谱（gaschro⁃

[24]

SO

43

2-----[23]

、NO、Cl、F、Br等。此外，原子吸收法、

sion，PIXE）、中子活化法等用于分析气溶胶中微

matography，GC-MS）用于测量气溶胶中有机物成

还可以观察颗粒物的形貌特征。表1列出了几种

[26]

主要化学成分离线分析方法及其可检测的要素。

技术不同，需要依赖于颗粒物的形状和密度等参

分，电镜法除了可以测量气溶胶中元素含量，

[25]

TOA

AAS

MS

ICP-MS

PIXE

GC-MS

NA

TEM

IC

IRS,UVS

元素

3.2水溶性离子在线测量

目前主要使用的水溶性离子成分的在线测量保证空气中气态污染物的完全吸收；IGAC采用

湿式平行板扩散溶蚀器和气体选择透过性膜技术，

[23]

新型气溶胶处理器（SCrubandimpactoraerosolcol⁃仪器包括离子色谱在线监测系统（URG9000）、

lector，SCI），通过两个阶段捕集气溶胶方式增加

采集效率和样品的精准度；MARGA采用旋转式空气固体颗粒物取样系统（PILS-IC）及在线气

[31][29]

液体气蚀器（WRD）定量吸收水溶性气体，气溶体与气溶胶成分监测仪（IGAC）。这些仪器都

胶通过蒸汽喷射气溶胶收集器（SJAC）捕获。离由样品在线收集系统和离子检测系统组成，时间

子检测系统均采用离子色谱检测水溶性阴阳离子分辨率为1h。其中，URG9000气体采样装置利用

[27]

在线气体组分及气溶胶监测系统（MARGA）、

[28]

[30]

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成分浓度。Hu等在对URG在线测量的SO、

[32][23]2-

4

NO过滤膜

342.5

-+-

、NH和Cl的浓度与同步采集的PM径系统和双极飞行时间质量分析器，来实现对气

样品进行对比中发现，URG测量的SO、NO、溶胶颗粒空气动力学直径和化学组成的同时检测。

43

2--

（分别为膜采样浓度的59%、42%、67%和88%），使用的质谱结构不同。SPAMS使用双通道采集，

并指出这些差别与大气污染水平、气溶胶收集效而ATOFMS是利用四通道高动态采集，结果导致

率、滤膜的吸收性、气体干扰以及挥发损失等均由信号面积积分得到的峰面积值有所不同；

有关。袁超等评价了URG9000和MARGA两种

[33]

PM在线检测仪对SOSPAMS质谱结构为双极Z型，这种质谱检测速度快

2.5434

2--+

、NO和NH的测量能力，

发现URG9000对NH和NO的测量结果较好，但（微秒级）。AMS获取的是时间分辨率内采集到

43

+-[38]

对SO的监测结果明显高估。MARGA对NH和的所有气溶胶的平均水平，对表征环境大气整体

44

2-+

并提出URG9000如果以5mmol/LH取的是单个粒子的粒径和化学组分信息，在研究

22

O和5mmol/L

NH

4

+-

和Cl的浓度普遍低于膜采样方法获得的浓度两种监测手段的不同点在于两者样品采集方式和

ATOFMS两种测量仪器在设计上都使用了双激光测

ATOFMS质谱为同轴反射，离子飞行距离长，而

特征具有一定的代表性。而SPAMS和ATOFMS获的测量结果较好，但NO的测定结果偏高。

单个粒子的特性方面具有一定的优势。这些气溶

胶成分在线测量技术的应用在研究大气气溶胶成的话，高浓度SO）都可以被

分组成、气溶胶生成和演变过程以及来源等方面完全吸收，而对SO的测定结果不产生影响。

都发挥着重要的作用。

3.4黑碳在线测量

黑碳气溶胶是气溶胶的重要组成部分，是生应用，气溶胶质谱仪应运而生。气溶胶质谱仪不

物质燃料以及化石燃料不完全燃烧的产物。由于仅可以提供分钟级甚至秒级高时间分辨率的观测

黑碳气溶胶具有吸收太阳辐射的能力，可以直接数据，同时还可以提供大气气溶胶化学成分质量

或间接地影响太阳辐射的收支。常用测量黑碳浓浓度和粒径分布的特性，使其在大气科学研究领

度的方法包括光学衰减方法、多角度吸收光度法域备受青睐。目前国际上得到认可的在线气溶胶

和激光诱导法等。这些分析方法均基于大气气溶质谱仪器主要有美国Aerodyne公司生产的气溶胶

胶对特定光源的吸收特性而设计的。质谱仪（AMS）和TSI公司生产的气溶胶飞行时

光学衰减方法（黑碳仪，aethalometer）根据间质谱仪（ATOFMS）。广州禾信公司开发的单

黑碳气溶胶在各个波段对光的吸收特性和透射光颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）近年来也得到了

的衰减程度，获得黑碳气溶胶的浓度。多角度广泛应用。这些仪器从设计上均整合了空气动力

[39]

吸收光度法（MAAP5012）改进了气溶胶光化学学透镜聚焦进样、粒径分离系统和质谱仪来实现

吸收测量方法，利用多个检测器同时测量透射光对大气气溶胶质量浓度和粒径分布的同步测量。

和散射光，把气溶胶粒子的散射作用独立出来并

消除了散射作用对测量结果的干扰。单颗粒黑碳测量大气气溶胶中非难熔融性化学组分，主要包

测量仪（singleparticlesootphotometer，SP2）利用括有机物、硫酸盐、硝酸盐、氯化物等，AMS不

连续激光束逐个加热单个气溶胶粒子，使其燃烧能用于检测如重金属、元素碳等的难熔融物质，

并产生激光诱导燃烧光信号，分析气溶胶粒子的。飞行

散射信号和激光诱导光信号来测量单颗粒黑碳气溶时间质谱仪采用飞行时间质谱（timeofflight–

胶质量和混合状态，可测粒径范围为50~500nm。

[40]

黑碳气溶胶的浓度主要是在880nm波长处测紫外脉冲激光气化/电离颗粒物，同时获得正负

得，多波段连续测量可以更好获得气溶胶光学吸离子谱图，可气化/电离所有物质（包括金属元

收、光学特性、辐射传输、排放源及源解析等信素），可检测3.0μm范围内的颗粒物。SPAMS与

SO

43

2--

NaOH混合溶液作吸收液，将两个溶蚀器串联并用

2

（甚至到260μg/m

3

4

2-

3.3化学成分在线分析

随着质谱仪在大气气溶胶在线观测技术上的

[34]

[35]

[36]

AMS使用热解吸和电子碰撞电离（EI）方法在线

AMS的主要粒径检测范围是30~1000nm

[34]

massspectrometry，TOF-MS）技术，使用266nm

[37]

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息。有研究利用黑碳仪七波段吸收系数数据建立此外，M9003型积分浊度计分别在我国上甸子大气

了一种耦合方法，以区分黑碳和土壤对光的吸收本底站的大气气溶胶散射系数的季节变化特征，

系数。基于长期吸收系数的观测数据和数据处城市和乡村站气溶胶吸湿增长散射系数对比等研

[41]

理模型，实现对机动车排放等效黑碳（BCTF）和究中发挥了重要作用。由于实际大气气溶胶的吸

木材燃烧等效黑碳（BCWB）的细致划分，以更加湿增长特性受相对湿度、化学组分、粒径大小和

深入地了解不同来源对黑碳的贡献。由于气溶混合状态等因素的影响，基于气溶胶吸湿增长和

[42]

胶质谱仪无法测量黑碳和土壤类难熔融的化学成散射特性的关系，很多研究工作利用两台并行浊

分，在气溶胶特性观测中，黑碳仪及单颗粒黑碳度计分别测量干湿气溶胶的散射系数，结合数谱

测量仪经常作为辅助观测仪器，为研究气溶胶的仪、气溶胶质谱仪等观测仪器，以探究气溶胶吸

混合特性、气溶胶的老化、吸湿增长以及光学特湿增长散射特性。

性等提供有价值的数据。

[46-47]

4.2气溶胶光学厚度在线测量

气溶胶光学厚度（aerosolopticaldepth，AOD）

是描述大气气溶胶对太阳辐射减弱程度的一种度

量。气溶胶光学厚度既是大气浑浊度的指标之一，

同时也是在气候变化研究中被广泛使用的参数。大气气溶胶散射系数是反映大气中颗粒物对

太阳光度计（CE318）是测量气溶胶光学厚度的一光的散射而引起的辐射能量减弱的一种量度，是

种较为常用的方法。主要原理是利用光度计自动气候变化和大气环境研究中涉及的重要参数。积

追踪太阳，并进行太阳直接辐射、太阳等高度角分浊度法是测量大气气溶胶散射系数的一种有效

天空扫描、太阳主平面扫描以及极化通道天空扫方法。该方法是以比尔-朗伯定律为基本原理，利

描等测量，通过算法反演获得气溶胶的光学厚度用特殊的仪器集合构造和光学照明设计进行大气

等微物理和光学辐射参数。气溶胶散射系数的观测。常用的积分浊度计如

[48]

利用CE318进行地基遥感观测计算AOD和反

演气溶胶光学特性的过程中，主要包括仪器自身是基于这种原理设计的大气气溶胶散射系数的测

误差、仪器标定误差和反演计算误差三种。仪器量仪器。TSI3563型是目前普遍使用的一种积分浊

自身误差可能来自温度效应误差、仪器视角场误度计，仪器光源满足朗伯光源的特性，仪器结构

差及光电参测器灵敏度误差。其中，仪器标定误特殊设计使得监测器的响应值与所有散射角上散

差中标准光源在各个波段仍然存在2%~3%的综合射光的积分值成正比。由于仪器设计所固有的

不确定性，Langley法和对比定标也存在不同程度局限，TSI3563型浊度计测量的系统性误差主要包

的不确定性。Che等在瓦里关评估了CE318在线括角度截断和非朗伯体光源，其观测结果较真值

[49]

标定方法，指出Langley标定方法适用于大气光学偏小10%左右。马楠等将超微米粒子体积比这

质量为2.0~6.0的上午时段。此外，利用仪器观测一参量加入TSI3563的校正方案中，对不同体积

数据进行反演计算的误差很多，在保证仪器设备比采用不同的校正函数，校正效果相对于传统方

运行正常的情况下，依然至少涉及7个误差来源，法有很大改善。此外，在散射系数的测量过程中，

根据误差传递的原则，任何一个参数的较小误差相对湿度是导致散射系数测量不确定性的主要来

综合起来，终将造成AOD反演结果较大的误差和源，当环境中相对湿度较高时，大气气溶胶吸湿

不确定性。因此，对计算参数精度的把握和数学增长，粒径增大，散射作用增强，因此，保证样

方法的科学应用是必须要重视的。品气体干燥对散射系数的测量而言是非常必要的。

[50]

4光学特性测量

4.1散射特性测量

Ecotech的M9003、Aurora1000以及TSI3563等就

[43]

[44]

Zhang等

[45]

在长江三角洲地区的观测实验中指出，

当环境相对湿度由40%增加到85%时，气溶胶的

散射系数和后向散射系数会分别增加58%和25%。（1）我国正在实施的PM

5未来展望

102.5

和PM国家标准在

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8

三峡生态环境监测/

第5卷

防治大气污染方面起到了关键作用。由于亚微米

粒子（PM

1

）对大气能见度、人体健康和云-雾形

成的作用更大，效果更明显，随着治理进程的不

断深入，开展多点实时监测PM

1

质量浓度具有一定

的现实意义。

（2）大气气溶胶中有机组分的特性复杂，对

大气颗粒物中有机物的在线识别和监测技术将成

为未来的必然需求。

（3）水汽在气溶胶测量，气溶胶形成、增长

和老化过程以及凝结核形成中起着至关重要的作

用，值得未来在气溶胶生成机理及模式研究中进

一步考虑。

（4）发挥多学科融合优势，在对大气气溶胶

特性研究中，引进其他领域广泛使用的分析技术

和方法（例如同位素分析技术、机器学习模型），

有利于促进大气科学领域的长足发展。

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