中國北方大氣氣溶膠微物理特性研究

張樂琪，劉 韜，張桂梅

(橫山縣氣象局，陜西橫山 719000)

中國北方大氣氣溶膠微物理特性研究

張樂琪，劉 韜，張桂梅

(橫山縣氣象局，陜西橫山 719000)

利用AERONET( Aerosol Robotic Network)榆林、北京、香河、蘭州四站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析中國北方大氣氣溶膠的光學(xué)和物理特性。分析內(nèi)容包括：氣溶膠光學(xué)厚度、單次散射反照率、復(fù)折射指數(shù)、散射不對稱因子、Αngstrom波長指數(shù)、氣溶膠體積尺度譜分布。分析結(jié)果表明：春季光學(xué)厚度為四季中最大；沙塵源區(qū)的Αngstrom波長指數(shù)和光學(xué)厚度的關(guān)系較為簡單，且隨光學(xué)厚度的增加呈降低趨勢，下游地區(qū)Αngstrom波長指數(shù)和光學(xué)厚度關(guān)系較為復(fù)雜；所有站點(diǎn)的體積譜分布均呈雙峰分布，夏半年積聚態(tài)為主模態(tài)，冬半年粗模態(tài)為主控模態(tài)；粗粒子的散射不對稱因子大于細(xì)粒子的。

大氣氣溶膠；微物理特性；光學(xué)厚度

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中直徑為0.001～100 μm的液體、固體微粒體系。氣溶膠的存在對于局地微氣候、區(qū)域環(huán)境、全球環(huán)境、區(qū)域以及全球輻射收支平衡、酸沉降、人體健康等有著直接或者間接的關(guān)聯(lián)[1-3]，越來越受到世人以及學(xué)界的關(guān)注。大氣氣溶膠的組成成分較為復(fù)雜，總的來說一般可將大氣氣溶膠分為幾大類，因此，在了解不同地區(qū)不同類別的大氣氣溶膠情況下，在比較具有代表意義的地區(qū)建立長期監(jiān)測的地面觀測站點(diǎn)，以便獲得相關(guān)大氣氣溶膠的微物理與輻射特性，在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的動態(tài)模式來研究各區(qū)域和類型的大氣氣溶膠，對于大氣氣溶膠的輻射強(qiáng)迫和衛(wèi)星遙感研究具有非常重要的意義。亞洲沙塵氣溶膠的主要來源為中國和蒙古，而中國的沙塵源主要為中國西北地區(qū)，因此中國北方大氣氣溶膠微物理特性主要受到沙塵氣溶膠和人為污染氣溶膠的影響，尤其是春季，西風(fēng)將大量的沙塵氣溶膠輸送到自由大氣層并遠(yuǎn)距離輸送，對整個(gè)大氣輻射強(qiáng)迫和大氣環(huán)境造成影響[4-7]。以蘭州和榆林為沙塵源區(qū)的代表站點(diǎn)，北京和香河為下游地區(qū)的代表站點(diǎn)，通過對兩類區(qū)域站點(diǎn)的大氣氣溶膠微物理特性比對和差異分析，從而揭示沙塵氣溶膠長距離傳輸?shù)纳鷳B(tài)環(huán)境效應(yīng)及氣候強(qiáng)迫的重要意義。

1 研究站點(diǎn)和數(shù)據(jù)資料簡介

Aerosol Robotic Network(AERONET)是由美國國家宇航局NASA及其合作單位在全球范圍內(nèi)設(shè)立的氣溶膠光學(xué)特性監(jiān)測網(wǎng)，它包含全球海洋和陸地大約400個(gè)氣溶膠觀測站點(diǎn)。目前，中國大約有50多個(gè)站點(diǎn)，其中北京、蘭州、榆林和香河4站的觀測時(shí)間較長，觀測結(jié)果基本上能反應(yīng)站點(diǎn)所在地的氣溶膠光學(xué)特性，這些數(shù)據(jù)己經(jīng)在AERONET網(wǎng)站(http://aeronet.gsfe.nasa.gov)共享。利用4站的大氣氣溶膠光學(xué)特性數(shù)據(jù)研究中國北方大氣氣溶膠的微物理特性。

蘭州、香河、榆林、北京4站的地理位置和觀測時(shí)間見表1。季節(jié)的劃分：冬季為12、1和2月，春季為3—5月，夏季為6—8月，冬季為9—11月。冬半年一般包括冬季與春季，夏半年一般包括夏季和秋季。

表1 各觀測站點(diǎn)的位置、海拔高度及觀測時(shí)間

2 結(jié)果分析

2.1 光學(xué)厚度

大氣氣溶膠的光學(xué)厚度(ΑOT)是氣溶膠微物理特性的重要參數(shù)之一，是表征大氣混濁度和氣溶膠含量的一個(gè)重要物理量。圖1給出了中國北方4站月平均光學(xué)厚度(670 nm)變化圖。可以看出，各站點(diǎn)的光學(xué)厚度值隨季節(jié)變化比較明顯，且春季光學(xué)厚度最高。蘭州春冬季光學(xué)厚度較夏秋季高，其原因?yàn)椋禾m州春季主要受沙塵氣溶膠影響，冬季受供暖排放的燃燒氣溶膠影響，氣溶膠濃度和粒徑均增加。榆林春季月平均光學(xué)厚度較高，夏季為春季的88.9%，而秋季僅為春季的46%；其4月平均光學(xué)厚度為4站全年最高，其他站點(diǎn)4月也表現(xiàn)出了較高的月平均光學(xué)厚度值，這與中國北方春季尤其是4月沙塵天氣有關(guān)，也與長期地面氣象觀測情況相符[8]。中國西部地區(qū)如瓦里關(guān)和格爾木的光學(xué)厚度也表現(xiàn)出了類似的季節(jié)變化趨勢[9]。

圖1 中國北方4站679 nm月平均光學(xué)厚度

另外，6月的北京(0.68)、7月的香河站(0.62)也出現(xiàn)較高的月平均ΑOT，甚至超過各自4月的月平均ΑOT，其原因可能與大氣較穩(wěn)定、降水較少，不利于污染物擴(kuò)散和清除等因素有關(guān)[10]；冬季4站月平均AOT相對于其他季節(jié)低一些，這可能是由于中國北方受冬季風(fēng)影響，污染物擴(kuò)散加快；除4月外，北京和香河月平均AOT均高于另外2站點(diǎn)。這說明人為污染氣溶膠是中國北方東部地區(qū)主要的大氣氣溶膠。

2.2 Angstrom波長指數(shù)

Αngstrom波長指數(shù)α描述了氣溶膠光學(xué)厚度隨波長的變化，是衡量氣溶膠粒子大小的一個(gè)重要光學(xué)參數(shù) ,α的范圍一般為0lt;αlt;2，平均值大約為1.3[11]。α越小說明氣溶膠粒子平均半徑越大,粒子尺度越大；反之,α越大說明氣溶膠粒子平均半徑越小,氣溶膠粒子尺度越小,越接近分子散射[12]。

圖2為中國北方4站月平均Angstrom波長指數(shù)，從圖2可以看出：北方4站月平均Αngstrom指數(shù)的最低值都出現(xiàn)在4月，榆林4月月平均α(0.32)在沙塵氣溶膠的α值范圍內(nèi)，而蘭州4月月平均α(0.54)略高于沙塵氣溶膠的α值，表明中國北方西部地區(qū)4月主要受沙塵氣溶膠的影響。從季節(jié)來看，Angstrom指數(shù)春季相對較小，夏季相對較大，說明春季大氣氣溶膠粒子的粒徑比較大，中國北方春季多沙塵天氣。中國北方東部地區(qū)全年α介于0.7與1.4之間，表明中國北方東部地區(qū)主要為城市-工業(yè)氣溶膠、生物質(zhì)燃燒氣溶膠等人為污染氣溶膠。

圖2 中國北方4站月平均Αngstrom波長指數(shù)

圖3給出了4站氣溶膠光學(xué)厚度(870 nm)與Angstrom指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)AOTlt;0.2時(shí)，榆林和蘭州沙塵源區(qū)站點(diǎn)的α在負(fù)值到2.0之間變動；當(dāng)AOTgt;0.2時(shí)，α保持在零左右。同時(shí)，榆林和蘭州站在AOTgt;0.2時(shí)，α變動較小，AOT-α關(guān)系相對比較簡單，基本上隨AOT增大α表現(xiàn)出減小的趨勢，而北京和香河的AOT-α關(guān)系復(fù)雜。圖3體現(xiàn)出的AOT-α的關(guān)系也說明了沙塵源區(qū)主要以粗的沙塵氣溶膠粒子為主控粒子，經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸和粗粒子的干、濕沉降作用，北方東部地區(qū)的氣溶膠粒子主要是不同粒徑大小的沙塵粒子和人為污染粒子[13]。

圖3 中國北方4站不同氣溶膠光學(xué)厚度條件下Αngstrom波長指數(shù)

2.3 體積尺度譜分布

氣溶膠粒子的體積譜分布是研究大氣氣溶膠的微物理特征和大氣輻射強(qiáng)迫的一個(gè)重要參數(shù)。圖4為中國北方香河、北京、榆林和蘭州4站冬半年的平均體積尺度譜分布?？梢钥闯?，4站具有類似的譜分布特征，均呈雙峰分布。其中積聚態(tài)的粒子半徑主要集中在0.07～0.3 μm，而粗模態(tài)的粒子半徑主要集中在3～6 μm。并且當(dāng)AOTgt;1時(shí)，蘭州和榆林在半徑為0.3～0.5 μm出現(xiàn)了一個(gè)偽峰，而其它站點(diǎn)沒有。

圖4 冬半年中國北方4站氣溶膠體積尺度譜分布

榆林和蘭州積聚態(tài)峰值平均半徑隨AOT增大有減小的趨勢。當(dāng)AOTlt;0.6時(shí)，峰值平均半徑為0.11～0.15 μm；當(dāng)AOTgt;0.6時(shí)，峰值平均半徑在0.1 μm左右。而對于粗模態(tài)峰值半徑卻隨著AOT增大而增大，當(dāng)AOTlt;0.6時(shí)，峰值平均半徑為3 μm左右，當(dāng)AOTgt;0.6時(shí)，峰值平均半徑5 μm左右。

北京和香河的積聚態(tài)峰值平均半徑隨AOT增大而增大。當(dāng)AOTlt;0.6時(shí)，平均半徑為0.11 μm左右；當(dāng)AOTgt;0.6，最高峰值平均半徑在0.11～0.15 μm左右。而粗模態(tài)峰的平均半徑卻隨著AOT的增大而減小，如在AOTlt;0.6時(shí)平均半徑集中在7 μm左右，AOTgt;0.6時(shí)又降至4.6 μm。

圖5給出夏半年期間中國北方4站的平均體積尺度分布。4站積聚態(tài)半徑主要集中在0.09～0.15 μm，粗模態(tài)半徑主要集中在3.8～5.0 μm。從圖5也可以看出，積聚態(tài)和粗模態(tài)半徑隨AOT增大表現(xiàn)出增大的趨勢，尤其是 AOTlt;0.6時(shí)表現(xiàn)較明顯。當(dāng)北京和香河地區(qū)的AOTgt;1.5，榆林和蘭州站的AOTgt;1時(shí)，積聚態(tài)峰半徑上升到0.25～0.3 μm。

圖5 夏半年中國北方4站氣溶膠體積尺度譜分布

分析可知，在冬半年期間沙塵源區(qū)的粗模態(tài)峰占主要優(yōu)勢，說明沙塵粒子為主控粒子。夏半年與冬半年情況相反，下游地區(qū)的積聚態(tài)峰為主模態(tài)峰。對于榆林和蘭州兩個(gè)沙塵源區(qū)測站，由于所在城市工業(yè)建設(shè)頻繁、機(jī)動車輛較多，因此，兩站點(diǎn)在夏半年粗模態(tài)和積聚態(tài)相平衡。

2.4 不對稱因子

大氣氣溶膠粒子的不對稱因子是表明粒子前向散射能力的一個(gè)重要參數(shù)。散射不對稱因子值在±1之間變動，對于瑞利散射而言，其值為0，而當(dāng)其值為-1時(shí)為完全后向散射，當(dāng)其值為1時(shí)為完全前向散射。

圖6給出了冬半年中國北方4站粗粒子(rgt;1.0 μm)和細(xì)粒子(r≤1.0 μm)所對應(yīng)的不對稱因子隨波長的變化關(guān)系圖，從圖中可以得出：各站點(diǎn)粗粒子所對應(yīng)的不對稱因子值比細(xì)粒子高；粗粒子和細(xì)粒子所對應(yīng)的不對稱因子隨波長增加均呈現(xiàn)下降趨勢，粗粒子不對稱因子在440～670 nm波長范圍內(nèi)體現(xiàn)出了敏感性。沙塵源區(qū)站點(diǎn)細(xì)粒子所對應(yīng)的不對稱因子的值隨光學(xué)厚度值的增大表現(xiàn)出增大趨勢，下游站點(diǎn)當(dāng)AOTgt;0.6時(shí)也表現(xiàn)出相似的情況；當(dāng)波長為440 nm時(shí)，沙塵源區(qū)站點(diǎn)所對應(yīng)的的不對稱因子的值大于下游站站點(diǎn)；粗粒子和細(xì)粒子的不對稱因子的平均值分別為0.57和0.86。

圖6 冬半年中國北方4站粗粒子(實(shí)線)和細(xì)粒子(虛線)不對稱因子隨波長的變化

圖7給出了夏半年各站點(diǎn)粗粒子和細(xì)粒子所對應(yīng)的不對稱因子隨波長的變化關(guān)系圖，從圖中可看出：各站點(diǎn)粗粒子所對應(yīng)的不對稱因子值比細(xì)粒子高；粗粒子和細(xì)粒子所對應(yīng)的不對稱因子隨波長增加均呈現(xiàn)下降趨勢，粗粒子在440～670 nm隨波長的變化體現(xiàn)出了敏感性；各站點(diǎn)細(xì)粒子的不對稱因子的值隨AOT的增大而增大。上述結(jié)論與冬半年相同，整體而言，夏半年中國北方4站點(diǎn)當(dāng)波長介于440～1 020 nm時(shí)細(xì)粒子和粗粒子不對稱因子值的變化范圍分別為0.45～0.7和0.75～0.9。

圖7 夏半年中國北方4站粗粒子(實(shí)線)和細(xì)粒子(虛線)不對稱因子隨波長的變化

從圖6和圖7看出，沙塵氣溶膠源區(qū)的不對稱因子大于下游地區(qū)的不對稱因子，粗粒子對應(yīng)的不對稱因子值高于細(xì)粒子的，說明沙塵源區(qū)的粗粒子具有更強(qiáng)的前向散射能力。

2.5 單次散射反照率

單次散射反照率定義為氣溶膠散射消光與總消光的比，是衡量氣溶膠粒子吸收特性的參數(shù)。圖8給出了各觀測站點(diǎn)單次散射反照率的月變化，從圖中看出，北京、榆林、香河和蘭州單次散射反照率最大值分別為0.937、0.938、0.96、0.937，分別出現(xiàn)在8、7、7和7月；北京、香河和蘭州單次散射反照率最小值分別為0.84、0.85和0.89，并且分別出現(xiàn)在12、12和2月。單次散射反照率呈夏季高、冬季低的特點(diǎn)；蘭州和榆林常年單次散射反照率值較高，反映了蘭州和榆林地區(qū)的氣溶膠散射能力較強(qiáng)。

圖8 中國北方4站單次散射反照率月變化

4 結(jié)論

利用AERONET 2001—2013年反演數(shù)據(jù)對中國北方大氣氣溶膠的微理特性進(jìn)行了研究。通過比較分析可以得到以下結(jié)論。

(1) 中國北方光學(xué)厚度季節(jié)變化比較明顯，春季主要受沙塵氣溶膠粒子影響，夏季主要以人為氣溶膠為主，使得春季和夏季都有較高的光學(xué)厚度，春季最高；沙塵源區(qū)榆林和蘭州的Αngstrom波長指數(shù)與光學(xué)厚度的關(guān)系比較簡單，隨光學(xué)厚度的增加呈下降趨勢；對于下游地區(qū)，Αngstrom波長指數(shù)和氣溶膠的光學(xué)厚度關(guān)系較為復(fù)雜，表明了下游地區(qū)受沙塵氣溶膠粗粒子和人為污染的細(xì)粒子等不同粒徑的氣溶膠共同影響。

(2) 中國北方4站表現(xiàn)出類似的體積譜分布特征：峰值半徑分別集中0.1～0.15 μm的積聚態(tài)和3.8～6 μm的粗模態(tài)。冬半年期間沙塵源的粗模態(tài)峰占主要優(yōu)勢，而夏半年下游區(qū)的積聚態(tài)峰為主模態(tài)峰。榆林和蘭州夏半年粗模態(tài)和積聚態(tài)均表現(xiàn)出均衡的趨勢。

(3) 北京、香河和蘭州站單次散射反照率有季節(jié)性變化，夏季gt;春季gt;秋季gt;冬季；沙塵源區(qū)蘭州和榆林兩站的氣溶膠粒子散射能力較強(qiáng)。

(4)中國北方4站不論是冬半年還是夏半年，粗粒子對應(yīng)的散射不對稱因子總是大于細(xì)粒子所對應(yīng)的散射不對稱因子；粗粒子和細(xì)粒子的散射不對稱因子均隨波長增加呈現(xiàn)下降趨勢。

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1006-4354(2014)03-0012-05

2013-08-07

張樂琪(1990—)，女，漢族，陜西榆林人，學(xué)士，主要從事天氣預(yù)報(bào)和人工影響天氣。

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