第一篇大气颗粒物基础知识和遥感关键参数
大气颗粒物是悬浮于大气中的固态、液态或固液混合态微粒物质，是地球大气系统的重要组成部分，与自然环境、气候、生物生态及人类生产生活息息相关。
本篇重点阐述大气颗粒物遥感基础知识，第1章主要介绍大气颗粒物的自然和人为来源、化学组成、光学-物理特征，以及颗粒物如何影响全球气候、大气环境和人类健康，同时从地面测量站点网络和卫星遥感两种尺度介绍大气颗粒物基础特性参数的探测方法。第2～7章详细介绍大气颗粒物遥感过程中六种关键参数（光学厚度、细粒子比、吸湿因子、垂直分布、有效密度和体积-消光比）的定义、遥感原理、探测技术、卫星产品、反演算法、验证及代表性的研究工作。
第1章 引言
地球大气主要由干空气、水以及悬浮的颗粒物构成。尽管颗粒物在大气体积中的占比微小，但它作为云凝结核在成云致雨的过程中起关键作用。同时，颗粒物不同成分对太阳辐射产生吸收和散射，显著影响地球-大气系统的辐射平衡。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出，人为排放的颗粒物所产生的辐射强迫在气候变化评估中具有最大的不确定性（Boucher et al.，2013）。此外，大气颗粒物在近地面聚集往往对能见度造成巨大影响，而尺寸较小的细颗粒物由于可进入人体肺部而对人体健康造成危害。因此，为了更好地了解大气中的悬浮颗粒物，本章从大气颗粒物的定义、源和汇及光学、物理、化学特性几个方面对其特征进行描述，并综述地面和卫星遥感探测大气颗粒物的方法和技术。
1.1 大气颗粒物定义
大气颗粒物（Atmospheric Particulate Matters）是地球大气系统的重要组成部分（章澄昌和周文贤，1995），包括尘埃、烟粒、微生物、植物孢子和花粉等，以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子，其与大气中的气体载体共同组成的多相体系在学术上称为气溶胶（Aerosol）。大气颗粒物的粒径变化范围为10.3～102μm，跨越5个数量级。本书描述的大气颗粒物遥感探测范畴中，重点关注狭义概念上的大气颗粒物，即除云雾、雨雪、冰晶粒子等大颗粒之外的气溶胶。
全球变化和大气环境等领域及社会公众所关注的PM2.5、PM10等概念，是按照颗粒物粒径大小划分的类别。一般定义PMx为空气动力学等效粒径小于xμm的大气颗粒物，而全粒径谱段大气颗粒物统称为“总悬浮颗粒物”（Total Suspended Particles，TSP）。图1-1给出了整个粒径谱段不同大气颗粒物的主要粒径分布范围。
PM2.5（指空气动力学等效粒径小于2.5μm的颗粒物）可以在大气中长时间停留和远距离传输。PM2.5能够通过人体呼吸系统进一步进入肺部，引发严重的健康损害，也称可入肺颗粒物。近10年来，PM2.5已成为我国广大城市、乡村地区的最要大气污染物，特别是秋冬季城市供暖和秸秆焚烧等人为活动造成的大气污染物排放严重，遇到静稳天气时大气颗粒污染物易聚集而难扩散，产生持续时间长、笼罩面积大、影响人口多的雾霾污染，造成呼吸系统疾病暴发以及能见度急剧下降等严重后果。
PM10（指空气动力学等效粒径小于 10μm的颗粒物）能够进入人体呼吸系统，又称为可吸入颗粒物，也是《环境空气质量标准》的重要监测指标之一。PM10中粒径较粗的颗粒物通常沉积在上呼吸道，很难到达呼吸系统深层，对人体健康的直接危害可能不如PM2.5。但是，PM10的来源和种类广泛（如尘埃、花粉等），若其挟带有重金属和有毒物质等，也会对人体健康造成严重影响。
1.2 大气颗粒物的源和汇
1.2.1主要来源
1.自然源
自然源大气颗粒物主要来源于地表和海表物质。其包括如下几类：
（1）沙漠、干旱 /半干旱地区的沙尘颗粒物，以及岩石和土壤风化、崩解后在风力作用下扩散进入大气的矿物沙尘颗粒。据估计，每年全球几大沙漠区（包括北非撒哈拉沙漠、亚洲中部沙漠和美国西南部沙漠等）与周边地带输送进入大气的沙尘气溶胶含量高达10亿～40亿t（Boucher et al.，2013），占对流层大气颗粒物总质量的一半左右（盛裴轩等，2014）。
（2）海洋表面气泡爆裂时向空中喷射，或海洋表面波浪破碎顶部扬起的液滴水分蒸发后形成的海盐气溶胶。其中，一些海盐颗粒的粒径可超过2μm，其他大部分海盐颗粒的粒径在0.3μm以下。另外，还有一些无机盐成分、有机化合物等细小颗粒物（小于0.2μm）也可随海洋表面气泡破裂进入大气中（Leck and Bigg，2008）。海洋是对流层大气气溶胶另一个重要来源，每年排放的质量达到14亿～68亿t（Boucher et al.，2013）。
（3）动植物排放的花粉、细小种子、孢子等微粒，以及细菌、真菌、病毒、藻类等微生物及其碎片，通常称为生物气溶胶。进入大气中的生物气溶胶（Despres et al.，2012）大部分分布于粗模态中，粒径较大的花粉、种子、孢子等会在风力减弱时很快降落，而细菌、病毒等直径通常小于1μm的粒子则可长时间漂浮于空气中。
（4）火山爆发、森林火灾等排放的火山灰微粒、烟尘颗粒、飞灰等。森林大火烟尘粒子谱分布的峰值粒径大约为1μm，可在风场作用下跨大洋、大洲远距离传输，火山喷发物中细小的颗粒物可以进入平流层，并且在全球尺度上进行输送。
（5）自然活动排放的硫化氢（H2S）、氨气（NH3）、氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）等气体（前体物）通过气粒转化生成的二次气溶胶。例如，含硫气体在大气中被氧化为二氧化硫（SO2），然后进一步被氧化为硫酸或硫酸根离子，再与钠、铵根等阳离子结合形成硫酸盐液滴，水分蒸发后形成硫酸盐颗粒物。
（6）宇宙尘埃物质。例如，流星穿过大气燃烧产生的尘埃进入大气中。据估计，一昼夜降落到地球上的宇宙尘埃约为550t（盛裴轩等，2014）。
2.人为源
人为源大气颗粒物是由人类活动排放到大气中的颗粒物，主要包括工业、机动车和生产生活中煤炭、石油等化石燃料燃烧，烧荒、秸秆等生物质燃料燃烧直接排放的固体烟尘颗粒物，以及人为过程产生的SO2、NOx、VOCs等排放物通过气粒转化产生的二次气溶胶。二次有机气溶胶（Secondary Organic Aerosol，SOA）最初主要来源于自然源的生物质气溶胶氧化，但随着人类活动加剧，在北半球中纬度地区，人为源转化的SOA含量逐渐增长到与自然源SOA接近的程度。此外，建筑用地水泥尘、道路交通扬尘，森林砍伐和土地利用变化引起的荒漠化，耕地农田风蚀等造成的沙尘气溶胶也属于人为源大气颗粒物。研究显示，人为源的沙尘和扬尘气溶胶含量可占沙尘总量的20%～25%（Ginoux et al.，2012）。
IPCC第五次评估报告（Boucher et al.，2013）根据排放清单给出了 2000年全球及重要地区的人为源大气颗粒物及前体物的排放量估计。黑碳（Black Carbon，BC）、一次有机气溶胶（Primary Organic Aerosol，POA）、生物质燃烧气溶胶（Biomass Burning Aerosol，BBA）、SO2、NH3、非甲烷挥发性有机化合物（Non-methane Volatile Organic Compounds，NMVOCs）的排放总量平均接近3亿t。从排放总量上看，人为源颗粒物远低于自然源颗粒物。但是，自然源颗粒物进入大气与离开大气（大气移除）的速率基本相近，能够达到动态平衡，不会对地球 -大气系统造成过大负担。而人为源颗粒物具有增长速度快的特点（如雾霾爆发），特别是在区域尺度上，仅依靠大气自身很难清除。人类活动排放到大气的颗粒物，通常主导或参与复杂的大气物理化学过程，对全球气候变化和大气环境产生巨大影响。
1.2.2沉降方式
一般而言，对流层大气颗粒物的沉降方式主要有干沉降和湿沉降两种。干沉降（Dry Deposition）是指在无降水的条件下大气中发生的物理沉降过程，包括重力沉降、湍流扩散、布朗扩散和碰并过程等。粒径尺度较小的粒子较难沉降，寿命通常为几小时到几周。而小粒子凝聚成大粒子（如直径超过1μm）后，可通过干沉降机制有效去除。湿沉降（Wet Deposition）是指雨、雪等降水使大气颗粒物冲刷至地表或水体的过程。相比干沉降，湿沉降具有集中突发的特点，以脉冲的方式将大气中的悬浮颗粒物迅速搬运至地表和海洋。据估计，在全球范围内，80%～90%的大气颗粒物被湿沉降作用清除。
1.3 大气颗粒物的特征
1.3.1主要化学组成
对流层大气颗粒物一般由黑碳、有机气溶胶、矿物沙尘、海盐、非海盐无机盐、生物气溶胶等几个大类组成（Boucher et al.，2013）。
黑碳是在一定燃烧条件下，化石燃料和生物质燃料燃烧的不定型碳质产物，其化学构成主要是碳元素和少量氢元素。新鲜生成的黑碳主要以多个小球状单体连接形成的链状聚集体的形式存在（图 1-2），一般单碳粒子的粒径大小为10～100 nm。
随着黑碳气溶胶老化，黑碳粒子与硫酸盐、有机物等其他物质混合包裹，形态发生改变，更接近于球形并且颗粒物更为紧实。同时，新生粒子的厌水性可逐渐转变为亲水性。黑碳最突出的性质是对太阳辐射有极强的吸收作用（Andreae and Gelencsér，2006；Lesins et al.，2002）。与 CO2、CH4等温室气体相比，其吸收光谱范围更宽，从可见光到红外波段均有显著的吸收特性。因此，黑碳被认为是全球变化研究中重要的致暖因子。
无机盐（Inorganic Salt）是指除海盐外的其他无机盐成分，主要由气态前体物（含硫气体、氮氧化物等）通过大气化学反应形成，包括硫酸盐（Sulfate）、硝酸盐（Nitrate）、铵盐（Ammonium）以及其他盐类（图 1-3）。气态前体物在不同相态下被大气中的氧化剂（OH自由基、臭氧、 H2O2等）氧化形成硫酸 /硫酸根或硝酸 /硝酸根，并与铵根离子、矿尘阳离子、过渡金属阳离子等结合形成无机盐颗粒（江峰，2019）。无机盐是气溶胶主要成分之一，可占到 PM2.5质量浓度的 30%～50%（Lai et al.，2007；Cao et al.，2012），主要以硫酸铵、硝酸铵等化合物形式存在，是雾霾形成的主要驱动因子（Zheng et al.，2015）。无机盐成分主要表现为对太阳辐射的
散射特性。例如，硫酸盐和硝酸盐对大气顶部的辐射强迫为负，对地球具有降温作用（Boucher et al.，2013）。
