近年來,隨著城市化進程的加快和城市機動車數量的增加,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注.氣溶膠的分布特征通常可以用粒子數目(N)、粒徑大小(Dp)、數濃度譜(dN/dDp)、質量濃度譜(dC/dDp)、光散射特性、理化特性等來描述.其中,大氣氣溶膠的數濃度是檢驗空氣清潔度的重要指標之一.為測量大氣氣溶膠的譜分布,首先必須對其進行尺度分離或分辨,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)是利用電遷移技術將氣溶膠按粒子大小分類,并將分類后的粒子計數[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展,傳統的粒子計數方法已經不能滿足要求.Agarwal 等[6]設計了凝結核計數器(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生器使之變為飽和的凝結蒸汽,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數系統是后來大部分氣溶膠測量儀器的基礎,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).國內外學者[8-11]利用上述DMA-CPC 系統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 系統對靜電遷移率光譜儀(SEMS)的測量原理及儀器性能做了系統的研究,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粒子進行了觀測,分析了氣溶膠濃度的日夜變化、分布特征和可能的來源.3321 型空氣動力學粒徑譜儀(3321-APS)是美國TSI 公司利用空氣動力學原理和光散射特性開發出的專利儀器,它的前身(3300-APS、3310APS、3320-APS)早已在實驗室及各領域應用了近30 年,被公認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,測量精度也越來越高.但關于這些儀器之間細微差異及受環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濃度進行觀測,并結合自動氣象站等觀測資料,對氣溶膠數濃度、日變化和譜分布以及降水對儀器的影響進了比較和相關性分析,可為相關儀器的使用提供參考.本次觀測采用美國MSP 公司生產的寬范圍粒徑譜儀(WPS)、美國TSI 公司生產的3321 型空氣動力學粒徑譜儀(APS)和3081/3085型氣溶膠粒徑譜分析儀(SMPS),其中以WPS 作為標準儀器.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)、凝結核計數器(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度,即用球形反光鏡將粒子折射的激光收集,通過光電增強管(PMT)將信號轉變為電信號,并測量其脈沖幅度.這種測量的前提是假設粒子的折射率相同,且為某一特定值,該值由人為設定.由于原理不同,兩者在其交叉范圍內(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.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 公司生產的3081/3085 型SMPS 包括3080 型靜電分級器(EC)、3776 型超細凝結核粒子計數器(CPC)和與之相對應的DMA(model 3081 Long DMA、model3085 Nano DMA).本次觀測對兩種DMA 分別進行了對比,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生系統,可產生穩定的、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微顆粒物的數濃度: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,全部顆粒物都將經歷幾乎完全相同的過飽和狀態,其結果就是使得檢測結果具有一個非常精確的檢測下限值.這種設計可以將反應時間和細微顆粒物的擴散損失大大減小.3321 型APS 主要測量空氣動力學粒徑在0.5~20μm 范圍內的氣溶膠粒子,時間分辨率可以達到1s,能有效地呈現出氣溶膠的連續變化和瞬時變化.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粒徑.測量結果受顆粒物折射率、密度、形狀等因素影響較小.本次觀測的采樣頻率設為30s.由于是對比觀測,APS 的數據主要分析了范圍在0.5~10μm 的粒子.表1 為3 種儀器的各項技術參數對比.