沙尘天气按照不同强度可分为强沙尘暴、沙尘暴、扬沙和浮尘，不同类型沙尘天气光学特征有较大差别。章秋英等(2008)研究指出浮尘、扬沙、沙尘暴天气下散射系数平均值分别为452.50 Mm^-1、628.77 Mm^-1、1640.64 Mm^-1。杨莲梅等(2006)研究表明晴空、扬沙和浮尘、弱沙尘暴、强沙尘暴天气下散射系数平均值分别为44.0 Mm^-1、353.9 Mm^-1、2215.8 Mm^-1、6097.1 Mm^-1。刘晓云和岳平(2007)利用敦煌地区2001年春季CE-38太阳光度计资料，反演了晴空、浮尘、扬沙、沙尘暴天气下大气气溶胶光学厚度，结果表明，浮尘天气下大气气溶胶光学厚度约为晴空天气下的2～3倍，扬沙天气下大气气溶胶光学厚度又是浮尘天气下的2～3倍。李霞等(2005)研究表明，晴空、浮尘、扬沙、沙尘暴天气下，气溶胶光学厚度依次增加，并提出了两种划分沙尘天气强度的标准。我国沙尘暴4～6月主要发生在北方干旱半干旱地区(宋连春等，2004)，内蒙古自治区是影响我国沙尘天气的主要沙源地之一。沈建国等(2007)研究了内蒙古境内额济纳旗等5个站的大气气溶胶光学厚度，结果表明其时空分布与沙尘天气本身有很好的一致性。韩晶晶等(2006)的研究指出，内蒙古中西部地区是中国内陆地区气溶胶光学厚度分布的4个高值区之一，内蒙古中东部地区气溶胶光学厚度值随季节变化明显。

散射系数是描述气溶胶光学特征的参量之一，目前已有许多文献关注散射系数(孙金辉等，1986；关虹等，1992；Eidels-Dubovoi，2002；刘金涛等，2003；Shendrikar and Steinmetz，2003；柯宗建和汤洁，2007；陈宇等，2009；苏晨等，2009；陈景华等，2011；Zhao et al.，2011；范学花等，2013)，并对沙尘源区气溶胶散射系数进行了观测研究，得出了许多重要的研究结果。如陆辉等(2010)利用2004年塔中气象站积分浊度计资料，研究了塔克拉玛干沙漠腹地气溶胶散射系数变化特征；章秋英等(2008)利用锡林浩特2005年1月至9月积分浊度计资料，分析了半干旱地区气溶胶散射系数的变化规律；Yan(2007)利用2004年敦煌和东胜两站气溶胶散射系数资料，研究了散射系数季节变化特征；延昊等(2008)研究了2005年张北、民勤散射系数、PM10、质量散射效率的季节分布特征及各季散射系数与PM10的相关性；彭艳梅等(2014)利用2010年乌鲁木齐和塔中散射系数资料对比了沙漠和城市气溶胶散射系数变化特征。

不同强度沙尘天气散射系数有较大不同(杨莲梅等，2006)，但是已有的关于沙尘气溶胶散射系数的研究尚存在不足之处：一是所用样本量较少，有的研究只用了一个月的资料；二是没有对不同强度的沙尘资料进行分类，研究其散射特性。本文利用位于内蒙古东部的东胜与锡林浩特2004～2006年春季(3～5月)散射系数资料，结合同期PM10质量浓度、大气能见度等观测资料，研究了内蒙古东部春季背景大气、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴过程中沙尘气溶胶散射系数变化特征，并对比了四种天气下散射系数、PM10、能见度的日变化规律，研究了四种天气下PM10、能见度与散射系数之间的相关关系。本研究工作对大气环境质量预报具有指示意义，为进一步研究沙尘气溶胶光学特性和气候效应积累了资料。

观测地点分别为位于郊区的内蒙古鄂尔多斯气象局和锡林浩特观象台。东胜位于鄂尔多斯高原，属于温带大陆性气候，四季分明。降水多集中于7月至8月，干旱问题严重(周悦等，2011)。锡林浩特主要受季风和蒙古气压的影响，具有风多、风大的气候特征，特别是春季，由于极地干冷空气侵袭频繁，导致沙尘天气多发(章秋英等，2009)。

本文所用散射系数、PM10及能见度资料分别由中国气象局沙尘暴监测预报系统布设的M9003积分浊度计、TEOM1400a型大气粒子自动检测仪、FD12 型能见度仪观测得到，经过统一定标，性能稳定，所得资料连续可靠。三种仪器的采样频率均为5 min，M9003型积分式浊度计的测量波长为525 nm，检测范围为0～2000 Mm^-1，数据记录保留两位小数(章秋英等，2008；陆辉等，2010)，观测时段为2004～2006年3～5月。

图 1为东胜与锡林浩特2004～2006年春季(3～5月)散射系数日平均值分布。2004年3月26～28日、2005年4月27～28日、2006年4月16～18日的强沙尘暴过程等都在图 1上有所体现，强沙尘暴过程发生时散射系数明显增大。东胜、锡林浩特三年春季最大值均出现在2004年，分别为782.5 Mm^-1(3月9日)、898.0 Mm^-1(3月27日)。东胜2004～2006年春季散射系数的平均值分别为197.9 Mm^-1、56.4 Mm^-1、163.8 Mm^-1，标准差分别为209.6 Mm^-1、64.9 Mm^-1、173.7 Mm^-1，中值分别为145.2 Mm^-1、38.7 Mm^-1、115.7 Mm^-1。锡林浩特三年春季散射系数的平均值分别为92.9 Mm^-1、130.2 Mm^-1、135.8 Mm^-1，标准差分别为225.3 Mm^-1、153.6 Mm^-1、195.1 Mm^-1，中值分别为53.7 Mm^-1、88.3 Mm^-1、83.6 Mm^-1。

图 1 （a）2004年、（b）2005年和（c）2006年春季散射系数逐日变化。图中A、B、C分别表示2004年3月26～28日、2005年4月27～28日和2006年4月16～18日强沙尘暴 Figure 1 Daily variations of the aerosol scattering coefficient in the springs of (a) 2004, (b) 2005, and (c) 2006. A, B, C represent strong dust storm during 26–28 March, 2004, 27–28 April, 2005, and 16–18 April, 2006, respectively

图 2为东胜2006年春季(3～5月)PM10日均值、总悬浮颗粒物(TSP)日均值、干沉降(每10日测一次沉降总量)分布，PM10与TSP同步增大或减小，二者呈正相关性，这与延昊等(2006)的研究结果一致。3月9～12日、26～28日和4月5～7日、9～11日、16～18日都出现了强沙尘暴过程，在此期间PM10、TSP、干沉降有明显的高值：3月9日、26日和4月6日、10日、16日TSP日平均值分别为6831.8 μg m^-3、1657.3 μg m^-3、1506.2 μg m^-3、3287.2 μg m^-3、9134.9 μg m^-3；对应PM10日平均值分别为3541.3 μg m^-3、481.0 μg m^-3、468.0 μg m^-3、1795.0 μg m^-3、2097.6 μg m^-3；3月1日至11日的降尘量为101.7 g m^-2，4月11日至21日的降尘量为189.9 g m^-2。扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气过程TSP均值分别为793.3 μg m^-3、811.8 μg m^-3、2451.5 μg m^-3，与已有研究结果中各强度沙尘天气TSP量级一致(牛生杰等，2001a，2001b，2001c; 刘立超等，2005)。

图 2 东胜站2006年春季（a）PM10质量浓度、总悬浮颗粒物（TSP）和（b）干沉降变化规律。（a）中A、B分别表示2006年3月9～12日、2006年4月16～18日强沙尘暴 Figure 2 Temporal variations of the mass concentration of (a) PM10, total suspended particle (TSP), and (b) dry deposition during the spring of 2006 at Dongsheng observatory. A and B represent strong dust storm during 9–12 March, 2006, and 16–18 April, 2006, respectively

2004～2006年中国北方沙尘天气频繁，2004年全国共出现18次沙尘天气过程(扬沙、沙尘暴、强沙尘暴过程分别出现12次、5次、1次)。其中强度最强的是3月26～28日的强沙尘暴天气过程(矫梅燕，2005)。此次过程中，锡林浩特3月27日15:00(北京时，下同)出现扬沙，15:15转为沙尘暴，3月28日20:00出现了沙尘暴，21:10转为扬沙；东胜3月27、28日均出现了扬沙。2005年的11次沙尘天气过程中(扬沙、沙尘暴、强沙尘暴过程分别出现6次、4次、1次)，强度最强的是4月27～28日的强沙尘暴天气过程(矫梅燕，2007)。此次过程中，锡林浩特4月27日13:47出现了扬沙，15:57转为沙尘暴，4月28日20:00出现沙尘暴，20:35转为扬沙。2006年的17次沙尘天气过程中(扬沙、沙尘暴、强沙尘暴过程分别出现6次、6次、5次)，范围最大的是3月9～12日的强沙尘暴天气过程(矫梅燕，2008)。此次过程中锡林浩特3月9日15:56出现扬沙，19:53转为沙尘暴，3月10日20:00出现沙尘暴，3月11日01:43转为扬沙；东胜3月9日12:12出现扬沙，16:13转为沙尘暴，17:53再分转为扬沙。

为研究不同强度沙尘天气散射系数、PM10质量浓度、能见度的日变化规律，在讨论中将2004～2006年春季(3～5月)背景大气、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴天气过程的样本进行分类，并取逐时平均值。强沙尘暴样本峰值较大，为便于与其他几类样本比较，图 3、图 4采用对数坐标。

图 3 锡林浩特站（a）散射系数、（b）PM10质量浓度和（c）能见度的日变化 Figure 3 Diurnal variations of (a) the aerosol scattering coefficient, (b) the mass concentration of PM10, and (c) the visibility at Xilinhot observatory

图 4 东胜站（a）散射系数、（b）PM10质量浓度的日变化 Figure 4 Diurnal variations of (a) the aerosol scattering coefficient and (b) the mass concentration of PM10 at Dongsheng observatory

图 3a为锡林浩特背景大气、扬沙、沙尘 暴、强沙尘暴过程中散射系数日变化。背景大气散射系数日变化呈双峰分布，峰值分别为07:30的190.5 Mm^-1和19:30的154.9 Mm^-1。双峰型日变化与章秋英等(2008)的研究结果一致。锡林浩特地区昼夜温差大，清晨日出后，太阳辐射加热大气，此时地面还没有开始加热，近地面层形成逆温层，不利于气溶胶粒子的扩散，散射系数出现峰值。午后太阳辐射强，近地层湍流交换作用强，有利于气溶胶粒子扩散，散射系数出现谷值。入夜后，地面开始冷却，近地面层形成逆温层，散射系数再次出现峰值。此外，人类活动也影响着散射系数的变化，峰值出现的时间正是上下班高峰期，汽车尾气排放、烹饪废气排放等因素也促进了散射系数峰值的产生。扬沙天气过程中，散射系数日变化幅度与背景大气相比较小，近似双峰分布，峰值为07:30的162.1 Mm^-1和18:30的175.7 Mm^-1。沙尘暴天气过程中，散射系数早晨的峰值减弱，趋向于单峰分布，峰值出现在20:30，为253.6 Mm^-1。强沙尘暴天气过程中，散射系数早晨的峰值进一步减弱，午后到傍晚之间峰值大幅加强，达到1300.7 Mm^-1，趋向单峰分布。沙尘暴发生的优势频率在午后到傍晚时间段内(牛生杰等，2000)，因此强沙尘暴过程中午后到傍晚时段内散射系数有加强的单峰。

图 3b为锡林浩特背景大气、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴过程中PM10质量浓度日变化。背景大气PM10在16:30取得最大值，为233.5 μg m^-3，与散射系数相比PM10在午后没有谷值。散射系数为单位体积中气溶胶粒子的散射截面之和，PM10为单位体积中粒径大于10 μm的气溶胶粒子质量之和。假设气溶胶为典型的球状体，单个粒子的散射系数和质量应分别与气溶胶粒径的平方、3次方成正比，即PM10更依赖大粒子的数量变化。半干旱区午后湍流较强，地面易起沙造成大粒子增多，PM10质量浓度无明显下降。但此时粒 径小的气溶胶易被湍流垂直输送，气溶胶总量减少造成地面散射系数的低值。扬沙天气过程中，PM10质量浓度在15:30取得最大值，为472.9 μg m^-3。沙尘暴天气过程中，PM10质量浓度峰值在14:30取得，为835.9 μg m^-3。强沙尘暴天气过程中，PM10质量浓度与散射系数的日变化相似，傍晚(17:30)峰值大幅加强，达到1924.0 μg m^-3。由于强沙尘暴过程中，散射系数与PM10质量浓度的相关性较强(见5.1节)，二者日变化相似；沙尘强度较弱时，散射系数与PM10质量浓度的相关性较弱(见5.1节)，二者的日变化不相似。

图 3c能见度与散射系数的变化相反，散射系数出现峰值的时间段内，能见度有相应的谷值，出现谷值的时间点与韩永等(2008)的研究结果一致。由柯喜密什能见度(Koschmieder)公式(盛裴轩等，2003)，能见度与大气消光系数呈负相关性，大气消光系数为大气散射系数与吸收系数之和，因此能见度与散射系数呈反向变化。如受蒙古气旋和冷锋影响，锡林浩特2006年5月16日16:25至17:40出现沙尘暴。日最大风速15.0 m s^-1，强风将地面大量沙尘吹起，散射系数在17:00增至2583.3 Mm^-1，相反能见度在16:54减小至982 m。

图 4为东胜站不同强度沙尘天气散射系数、PM10质量浓度日变化(东胜站无能见度数据)。与锡林浩特类似，随沙尘强度增强，东胜站散射系数日变化由双峰型向单峰型转变，傍晚日落后的峰值逐渐增强(图 4a)。但锡林浩特散射系数日变化早晨的峰值随沙尘天气强度增强而减弱，而东胜站早晨的峰值随沙尘天气强度增强而增强(除背景大气大于扬沙外)。锡林浩特位于锡林郭勒草原中部，属于典型的草原地貌(周悦等，2011)；而东胜站位于毛乌素沙地的延伸地带，风蚀沙化严重。风蚀起沙的临界摩擦速度与植被覆盖度和土壤水分含量有关(申彦波等，2005)，两地下垫面的不同导致起沙的时间和强度不同，从而导致散射系数变化规律不同。锡林浩特早晨散射系数峰值的变化规律说明当地早晨主要受污染性气溶胶的影响，沙尘气溶胶的影响小：背景大气早晨污染性气溶胶总量大，散射系数峰值较高；随沙尘天气强度增强，湍流强度增强(沈建国等，2008)，粒径小的污染性粒子易被湍流垂直输送，早晨散射系数峰值下降。而东胜站早晨的散射系数峰值随沙尘天气强度增强而增大，明显受沙尘天气影响，说明东胜站早晨也有沙尘气溶胶产生。

PM10质量浓度随沙尘天气强度增强而增大，与锡林浩特类似，四种天气PM10最大值都出现在午后到傍晚时段内(图 4b)。但与锡林浩特相比，东胜站PM10在一天内变化幅度较小。下垫面是影响内蒙古PM10质量浓度的重要因素(邱玉珺等，2009)，两地下垫面不同造成PM10质量浓度日变化的差异。同样，沙尘强度较弱时，PM10与散射系数的日变化不相似，背景大气PM10在午后没有谷值；强沙尘暴天气过程中，二者的日变化才有一定的相似性。

综上所述，随着沙尘天气强度加强，散射系数日变化从双峰型向单峰型转变，午后到傍晚峰值逐渐加强，PM10日变化峰值不断增加。沙尘天气强度较弱时，PM10与散射系数的日变化不相似，如背景大气PM10没有在午后取得相应的谷 值，强沙尘暴过程中PM10与散射系数的日变化有一定相似性。能见度与散射系数日变化趋势相反，散射系数出现峰值的时间段内能见度有相应的谷值。

图 5为东胜与锡林浩特2004～2006年春季(3～5月)PM10质量浓度与散射系数小时平均值散点图，本文用线性函数来拟合它们之间的关系。四种天气下PM10与散射系数均呈正相关性，并通过显著性检验，这与已有研究结果一致(柯宗建等，2004；章秋英等，2008；陆辉等，2010)。

图 5 四种天气下东胜站（左列）、锡林浩特站（右列）气溶胶散射系数与 PM10 质量浓度的相关关系：（ a1、 a2）背景大气；（ b1、 b2）扬沙天气过程；（ c1、 c2）沙尘暴天气过程；（ d1、 d2）强沙尘暴天气过程 Figure 5 The relationship between the aerosol scattering coefficient and the mass concentration of PM10 at Dongsheng observatory (left column) and Xilinhot observatory (right column): (a1, a2) Background atmosphere, (b1, b2) sand blowing weather process, (c1, c2) dust storm weather process, (d1, d2) strong dust storm weather process

东胜沙尘暴过程中PM10与散射系数的相关系数、拟合函数斜率均最大，分别为0.823、0.306。扬沙、沙尘暴、强沙尘暴过程中PM10与散射系数的相关性均大于背景大气(相关系数0.419)。相关系数在一定程度上能够反映气溶胶类型(延昊等，2008)，影响当地大气环境的主要有沙尘性气溶胶和污染性气溶胶，背景大气中两种类型气溶胶的影响并重。由Mie散射理论，粒径在0.05～1.5 μm的粒子对散射的贡献最大，而粒径大于1.5 μm的粒子对质量浓度贡献较大(陆辉等，2010)。当粗粒子增多时，质量浓度变化较大，散射系数的变化相对不剧烈；反之，当细粒子增多时，散射系数随之增大，而质量浓度的变化相对不剧烈(柯宗建等，2004)。沙尘性和污染性两种类型气溶胶共同作用时，气溶胶粒径分布更为复杂，散射系数与PM10质量浓度在一定情况下变化不同步，相关系数较低。沙尘天气出现时，沙尘性气溶胶的影响占主要地位，影响类型比较单一，PM10与散射系数的相关性较好。

锡林浩特背景大气、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴天气过程中相关系数分别为0.201、0.809、0.898、0.953，不仅显示出沙尘天气过程中PM10与散射系数的相关性大于背景大气，而且表现出明显的规律性：随着沙尘天气强度增强，相关系数逐渐增大。沙尘天气出现时，沙尘气溶胶的影响占主要地位，影响类型较单一，并且沙尘强度越强，沙尘性气溶胶的影响越显著，PM10质量浓度与散射系数的相关性越好。

浊度计的工作原理是控制一定的温度、湿度等条件，测量大气气溶胶的散射系数。前向散射式能见度仪测量的是前向某个角度上的散射系数，再根据此角度上的散射系数和气溶胶散射系数的比值算出大气气溶胶散射系数，加上空气分子的散射，再转化为能见度，因此测得的能见度和散射系数有一定的相关性(陆辉等，2010)。能见度受大气散射和吸收作用影响，沙尘天气出现时，主要以沙尘性气溶胶为主，水汽以及其他粒子相对较少，沙尘粒子的散射作用是影响能见度的主要因素(章秋英等，2008)；非沙尘天气时，能见度受沙尘粒子和其他污染性气溶胶的多重影响。

图 6为锡林浩特2004～2006年春季(3～5月)散射系数与能见度小时平均值的散点图，通常用指数函数来拟合二者之间的关系(杨莲梅，2006；章秋英等，2008；陆辉等，2010)。背景大气、扬 沙、沙尘暴、强沙尘暴天气过程中相关系数分别为－0.773、－0.870、－0.918、－0.940。各个等级的沙尘天气中二者均呈负相关性，并通过显著性检验，随沙尘天气过程强度增强，散射系数与能见度的相关性逐渐增强。沙尘天气强度越强，沙尘粒子散射作用对能见度的影响越显著，散射系数与能见度的相关性也越强。

图 6 锡林浩特散射系数与能见度的相关关系：（ a）背景大气；（ b）扬沙天气过程；（ c）沙尘暴天气过程；（ d）强沙尘暴天气过程 Figure 6 The relationship between the aerosol scattering coefficient and visibility at Xilinhot observatory: (a) Background atmosphere, (b) sand blowing weather process, (c) dust storm weather process, (d) strong dust storm weather process

(1) 不同强度沙尘天气散射系数有较大差异。东胜背景大气、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴过程中散射系数平均值分别为110.8 Mm^-1、122.7 Mm^-1、183.1 Mm^-1、262.5 Mm^-1；锡林浩特四种天气下散射系数均值分别为100.8 Mm^-1、119.8 Mm^-1、160.0 Mm^-1、335.5 Mm^-1。

(2) 随着沙尘天气过程强度增强，散射系数日变化从双峰型向单峰型转变，午后到傍晚的峰值逐渐加强，PM10日变化峰值不断增加；沙尘强度较弱时，PM10与散射系数的日变化不相似，强沙尘暴过程中PM10与散射系数的日变化有一定的相似性；能见度与散射系数的日变化趋势相反，散射系数出现峰值的时间段内，能见度有相应的谷值。

(3) 散射系数与PM10质量浓度呈正相关 性，沙尘天气过程中二者相关系数大于背景大 气，其中锡林浩特散射系数与PM10质量浓度之 间的相关性随沙尘强度增加而增强。东胜背景大气、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴天气过程中相关系数分别为0.419、0.428、0.823、0.603。锡林浩特背景大气、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴天气过程中相关系数分别为0.201、0.809、0.898、0.953。

(4) 散射系数与能见度有指数相关关系，二者的相关性随沙尘天气强度增加而逐渐增强。背景大气、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴天气过程中相关系数分别为－0.773、－0.870、－0.918、－0.940。