近年来,随着城市化进程的加快和城市机动车数量的增加,由气溶胶粒子引起的大气能见度下降、灰霾天气增加等大气污染问题受到广泛关注.气溶胶的分布特征通常可以用粒子数目(N)、粒径大小(Dp)、数浓度谱(dN/dDp)、质量浓度谱(dC/dDp)、光散射特性、理化特性等来描述.其中,大气气溶胶的数浓度是检验空气清洁度的重要指标之一.为测量大气气溶胶的谱分布,首先必须对其进行尺度分离或分辨,尺度分离或分辨大气气溶粒子的方法主要有静电分级法(常用于0.5μm 以下的细粒子)和光散射法(常用于0.5μm以上的粗粒子).微分迁移率分析仪(DMA)是利用电迁移技术将气溶胶按粒子大小分类,并将分类后的粒子计数[3-5].随着人们对气溶胶的研究由亚微米及向纳米级的方向发展,传统的粒子计数方法已经不能满足要求.Agarwal 等[6]设计了凝结核计数器(CNC,后称CPC),主要测量小于10nm 的气溶胶粒子,其工作原理是让粒子通过一热气流发生器使之变为饱和的凝结蒸汽,随后在冷凝器中冷却,这样粒子就能增长到可被光散射测量到的约10μm[7].由DMA-CPC组成的粒子分级和计数系统是后来大部分气溶胶测量仪器的基础,其中就包括本次观测使用到的3081/3085 型气溶胶粒径谱仪(SMPS)和宽范围粒径谱仪(WPS).国内外学者[8-11]利用上述DMA-CPC 系统对气溶胶的微物理特征及颗粒物的成核过程开展了大量研究.Wang 等[12]基于DMA-CPC 系统对静电迁移率光谱仪(SEMS)的测量原理及仪器性能做了系统的研究,而SEMS 是SMPS 的前身.Gao 等[13-15]利用WPS 对中国几个特大城市气溶胶细粒子进行了观测,分析了气溶胶浓度的日夜变化、分布特征和可能的来源.3321 型空气动力学粒径谱仪(3321-APS)是美国TSI 公司利用空气动力学原理和光散射特性开发出的专利仪器,它的前身(3300-APS、3310APS、3320-APS)早已在实验室及各领域应用了近30 年,被公认具有突出的测量精度.随着科研水平的提高,观测气溶胶的仪器种类越来越多,仪器性能越来越先进,测量精度也越来越高.但关于这些仪器之间细微差异及受环境因素影响的观测研究较少.本研究选取APS、SMPS、WPS 对南京北郊夏季气溶胶数浓度进行观测,并结合自动气象站等观测资料,对气溶胶数浓度、日变化和谱分布以及降水对仪器的影响进了比较和相关性分析,可为相关仪器的使用提供参考.本次观测采用美国MSP 公司生产的宽范围粒径谱仪(WPS)、美国TSI 公司生产的3321 型空气动力学粒径谱仪(APS)和3081/3085型气溶胶粒径谱分析仪(SMPS),其中以WPS 作为标准仪器.WPS 主要测量直径在0.01~10μm之间的气溶胶粒子浓度.仪器主要由微分迁移率分析仪(DMA)、凝结核计数器(CPC)和激光颗粒光谱仪(LPS)组成,其中DMA的测量范围为0.01~0.5μm,LPS 的测量范围为0.35~10μm.前者主要采用电迁移技术将符合条件的气溶胶粒子输送至CPC中来测量其浓度和谱分布;而LPS 采用激光方法来测量单个粒子的散射强度,即用球形反光镜将粒子折射的激光收集,通过光电增强管(PMT)将信号转变为电信号,并测量其脉冲幅度.这种测量的前提是假设粒子的折射率相同,且为某一特定值,该值由人为设定.由于原理不同,两者在其交叉范围内(0.35~0.5μm)的观测值也有所差异,采样用的时间尺度为5min,即5min 扫描0.01~10μm 的粒径范围并测量出气溶胶粒子的个数.SMPS 与WPS在0.01~0.5μm 粒径段采用相似的测量原理,不同的是SMPS 可以选择两种不同的DMA,测量范围分别是2.5~85nm 和0.01~0.5μm,即SMPS的测量下限更低.TSI 公司生产的3081/3085 型SMPS 包括3080 型静电分级器(EC)、3776 型超细凝结核粒子计数器(CPC)和与之相对应的DMA(model 3081 Long DMA、model3085 Nano DMA).本次观测对两种DMA 分别进行了对比,时间分辨率同为5min.与WPS 略微不同的是SMPS 采用的EC 是高精度的单分布粒子发生系统,可产生稳定的、单分散的、粒径从2~1000nm 的亚微米级气溶胶.而3776-CPC 能够高效地测量这些细微颗粒物的数浓度:由于蒸汽鞘流能够有效控制气溶胶的流线在冷凝器的中心线附近,全部颗粒物都将经历几乎完全相同的过饱和状态,其结果就是使得检测结果具有一个非常精确的检测下限值.这种设计可以将反应时间和细微颗粒物的扩散损失大大减小.3321 型APS 主要测量空气动力学粒径在0.5~20μm 范围内的气溶胶粒子,时间分辨率可以达到1s,能有效地呈现出气溶胶的连续变化和瞬时变化.它的理是测定每一粒子通过两束近距离激光束的飞行时间,以此来换算粒子的空气动力学粒径.测量结果受颗粒物折射率、密度、形状等因素影响较小.本次观测的采样频率设为30s.由于是对比观测,APS 的数据主要分析了范围在0.5~10μm 的粒子.表1 为3 种仪器的各项技术参数对比.