上海地區(qū)霾時氣溶膠類型垂直分布的季節(jié)變化

馬驍駿，秦 艷，2，陳勇航，2*，張 華，葉 文，胡承婷，熱依拉古麗·阿不都熱合曼（.東華大學(xué)環(huán)境

科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.上海市大氣顆粒物污染防治重點實驗室，上海 200433；3.中國氣象局國家氣候中心，北京 100081）

上海地區(qū)霾時氣溶膠類型垂直分布的季節(jié)變化

馬驍駿1，秦 艷1，2，陳勇航1，2*，張 華3，葉 文1，胡承婷1，熱依拉古麗·阿不都熱合曼1（1.東華大學(xué)環(huán)境

科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.上海市大氣顆粒物污染防治重點實驗室，上海 200433；3.中國氣象局國家氣候中心，北京 100081）

采用上海地區(qū)2007年1月～2010年11月CALIPSO星載激光雷達Level 2反演資料，對清潔海洋型、沙塵型、大陸污染型、大陸清潔型、污染沙塵型和煙塵型等類型氣溶膠垂直分布進行了分析，研究了其季節(jié)變化規(guī)律.結(jié)果表明:霾發(fā)生時0～2km高度煙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率明顯高于非霾時，而在2～8km高度，沙塵型、污染沙塵型與大陸污染型明顯高于非霾時.0～2km高度春季霾大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率高于其他季節(jié)；0～2km夏季污染沙塵型氣溶膠與海洋型氣溶膠出現(xiàn)頻率均高于其他季節(jié)，特別是污染沙塵型；秋季霾期間，0～2km高度范圍內(nèi)煙塵型出現(xiàn)頻率明顯高于2～6km高度；冬季污染沙塵型、煙塵、大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率高于其他季節(jié).

氣溶膠；霾；CALIPSO；垂直分布

作為世界上典型的特大城市之一，上海已成為我國嚴(yán)重霾污染區(qū)域之一［1-4］，表現(xiàn)為多種污染物共存的復(fù)合型污染［5-6］，居民健康和生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅.

在城市霾污染方面已有不少研究［7-16］.從霾天氣的氣溶膠類型研究來看，主要通過地面觀測從化學(xué)組分的角度進行，而基于微物理屬性對不同類型氣溶膠的研究尚罕見，主要是由于觀測手段的限制.而隨著CALIPSO衛(wèi)星發(fā)射成功，其上加載的激光雷達提供了研究氣溶膠類型垂直分布規(guī)律的新技術(shù)手段［17-20］.目前利用CALIPSO資料的研究主要是針對云［21-22］與沙塵氣溶膠［23-24］方面，針對霾氣溶膠的研究仍較少.

因此，本研究針對上海霾期間各高度層不同類型氣溶膠進行分類研究，分析其季節(jié)變化特征，為上?？諝赓|(zhì)量研究和污染控制決策提供新的觀測數(shù)據(jù)與科學(xué)依據(jù).

1 資料與方法

CALIPSO星載激光雷達CALIOP為目前最先進的氣溶膠垂直分布觀測設(shè)備之一，可以提供氣溶膠類型和微物理屬性資料.研究［25-26］表明CALIPSO L2VFM Version 3資料相對于Version 2在云-氣溶膠分類算法上有較大的改進，使氣溶膠分類的精度大大提升.

本文采用2007年1月至2010年11月CALIPSO Level2氣溶膠類型數(shù)據(jù)集，研究區(qū)域為28°N～32°N，119°E～122°E，CALIPSO衛(wèi)星過境時間為每天北京時間1:00與12:00，.該數(shù)據(jù)集利用不同高度后向散射數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出包括體積退偏比、532nm后向散射系數(shù)、區(qū)域類型以及抬升現(xiàn)象等一系列特征雷達信號，從而區(qū)分大氣層內(nèi)不同高度氣溶膠類型.將氣溶膠分為6種類型（表1），分別為“清潔海洋型（CM）”、“沙塵型（DU）”、“大陸污染型（PC）”、“大陸清潔型（CC）”、“污染沙塵型（PD）”以及“煙塵型（SM）”.

表1 CALIPSO氣溶膠分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 CALIPSO aerosol classification standard

依據(jù)2010年6月1日實施的國家氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《霾的觀測和預(yù)報等級》［27］和相關(guān)研究［28］，2007年1月至2010年11月期間研究時段內(nèi)平均能見度＜10km，平均相對濕度＜95%，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等可造成視程障礙的天氣現(xiàn)象，利用CALIPSO衛(wèi)星L1和L2產(chǎn)品篩去高、低空云過厚的情況，判識為霾；排除降水、揚塵、霧、輕霧以及霾等可造成視程障礙的天氣現(xiàn)象，并篩去高、低空云過厚的情況，判識為非霾.研究時段內(nèi)計算各類氣溶膠垂直分布頻率并進行統(tǒng)計分析.所用能見度與相對濕度為一小時一次的觀測資料，均來自芬蘭Vaisala公司Milos七要素自動監(jiān)測儀，該儀器安裝于上海市城市環(huán)境氣象中心（31°13’16.6”N，121°32’54.8”E）.

2 結(jié)果與分析

2.1 上海地區(qū)霾時統(tǒng)計

統(tǒng)計了上海地區(qū)2007年1月至2010年11月霾時季節(jié)分布狀況（表2），可見春季是霾的高發(fā)季節(jié)，其次是冬季、秋季和夏季.2.2 非霾時氣溶膠類型分布

表2 上海地區(qū)2007～2010年霾與非霾時數(shù)（h）Table 2 Number of haze and non-haze hours in Shanghai from January 2007 to November 2010 （h）

非霾期間，由于夏季來自海洋的東南風(fēng)多，故海洋型氣溶膠所占比例略高于其他季節(jié)；春季非霾期間夜間大陸污染型氣溶膠相對含量高于其他季節(jié)，高達25.20718%，其次是冬季15.51622%；各個季節(jié)非霾期間白天大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率均低于夜間，春季非霾白天大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率最高，達到14.68888%；春季沙塵氣溶膠出現(xiàn)頻率均高于其他季節(jié)，高達15.07037%（夜間）和9.057128%（白天），而污染沙塵型氣溶膠的含量相對穩(wěn)定（圖1）.

2.3 霾時氣溶膠類型分布

春季夜間霾時清潔海洋型氣溶膠出現(xiàn)頻率，明顯高于白天，而其他類型氣溶膠出現(xiàn)頻率較大；夏季夜間污染沙塵型氣溶膠與海洋型氣溶膠出現(xiàn)頻率均高于其他季節(jié)，特別是污染沙塵型（圖2）.

圖1 非霾時不同類型氣溶膠頻率分布Fig.1 Seasonal distribution of different type of non-haze

圖2 不同季節(jié)霾時不同類型氣溶膠頻率分布Fig.2 Seasonal distribution of different type of aerosol during haze

研究發(fā)現(xiàn)，PD、SM、DU和PC這四類氣溶膠的對霾的形成有重要作用.夜間霾發(fā)生時，在春季污染沙塵型與煙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率不變，而大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率大幅上升，沙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率小幅上升；夏季煙塵型在0～2km高度層出現(xiàn)頻率上升，而在高層大氣中其出現(xiàn)頻率不變，沙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率也上升，而污染沙塵型與大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率減小；秋季沙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率減小，大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率增加，其余兩種氣溶膠保持不變；冬季沙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率減小，大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率增加，其余兩種氣溶膠出現(xiàn)頻率均小幅上升（圖2）.

而在白天發(fā)生霾時，在春季沙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率大幅上升，污染沙塵型小幅上升，而其余兩種氣溶膠出現(xiàn)頻率減少；夏季污染沙塵型與煙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率，沙塵型與大陸污染型保持不變；秋季除了大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率有小幅上升外，其余3類氣溶膠出現(xiàn)頻率均保持不變；冬季沙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率增加，其余三類氣溶膠出現(xiàn)頻率均減?。▓D3）.

圖3 不同季節(jié)霾時不同類型氣溶膠垂直頻率分布（1:00）Fig.3 Seasonal distribution of different type of aerosol during haze （1:00）

從氣溶膠垂直分布看，各季節(jié)夜間霾期間不同類型氣溶膠垂直頻率分布狀況比白天霾時均勻；在白天，秋冬季霾期間近地面0～2km高度范圍內(nèi)氣溶膠出現(xiàn)頻率大于其他季節(jié)，主要體現(xiàn)在污染沙塵型、煙塵型與清潔海洋型氣溶膠；秋季夜間霾期間，煙塵氣溶膠出現(xiàn)頻率高于其他季節(jié)同高度層煙塵含量，且0～2km高度范圍內(nèi)煙塵含量明顯高于2～6km高度層；春冬兩季污染沙塵型、煙塵、大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率就高于夏秋兩季，且這3類氣溶膠垂直分布規(guī)律不顯著，而沙塵型氣溶膠則反之，可能是由于春冬季大氣擴散條件穩(wěn)定而致春冬兩季污染沙塵型、煙塵、大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率較大.2.4 多因素方差分析

圖4 不同季節(jié)霾時不同類型氣溶膠垂直頻率分布（12:00）Fig.4 Seasonal distribution of different type of aerosol during haze （12:00）

采用多因素方差分析法定量反映霾的出現(xiàn)、氣溶膠類型空間分布以及季節(jié)變化互相影響程度，佐證了上述研究結(jié)果的可靠性.針對DU、PC、PD與SM四類氣溶膠頻率分布狀況進行了多因素方差計算（表3、表4）.表中P值表示在當(dāng)前影響因素下的零假設(shè)（無顯著影響）成立的概率，P＜0.01時表明該影響因素對氣溶膠分布狀況有顯著影響.

表3 不同因素對氣溶膠分布的影響程度（1:00）Table 3 Influence of different factors on the distribution of aerosol （1:00）

表4 不同因素對氣溶膠分布的影響程度（12:00）Table 4 Influence of different factors on the distribution of aerosol （12:00）

對于白天與部分夜間，大陸污染型、沙塵型、煙塵型和污染沙塵型4類氣溶膠分布均對季節(jié)、高度和霾的發(fā)生分別表現(xiàn)出顯著的敏感性，說明霾時與非霾時大氣中的這4類氣溶膠分布狀況有明顯差異，且表現(xiàn)為顯著的季節(jié)變化和垂直變化；根據(jù)雙因素交互作用對各氣溶膠分布影響效果發(fā)現(xiàn)除煙塵型氣溶膠，其他3類氣溶膠分布對季節(jié)變化與霾的發(fā)生交互作用均表現(xiàn)為高敏感性；夜間沙塵型與大陸污染型氣溶膠對高度變化與季節(jié)變化交互作用有一定敏感性，即高度變化與季節(jié)變化分別作為單因素影響這兩類氣溶膠出現(xiàn)頻率的顯著程度均小于兩個因素同時作用的影響顯著程度，而其他2類氣溶膠的雙因素交互對氣溶膠分布的影響作用明顯小于單個因素對其的作用，即夜間霾的發(fā)生與沙塵型與大陸污染型氣溶膠的出現(xiàn)有關(guān).

3 結(jié)論

3.1 總體來看，霾時0～2km高度煙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率明顯高于非霾時，在2～8km高度，沙塵型、污染沙塵型與大陸污染型明顯高于非霾時.

3.2 白天霾時，出現(xiàn)頻率增高的氣溶膠主要有煙塵型與污染沙塵型，而夜間霾時煙塵型與沙塵型氣溶膠出現(xiàn)頻率有明顯增高；各季節(jié)夜間霾時不同類型氣溶膠垂直分布狀況比白天霾時均勻.

3.3 春季霾時清潔海洋型氣溶膠出現(xiàn)頻率低于其他季節(jié)，白天其出現(xiàn)頻率明顯高于夜間，大陸污染型出現(xiàn)頻率高于其他季節(jié)；夏季污染沙塵型與海洋型氣溶膠出現(xiàn)頻率均高于其他季節(jié)，特別是污染沙塵型；秋季霾期間，煙塵氣溶膠出現(xiàn)頻率高于其他季節(jié)同高度層煙塵含量，秋冬季白天霾期間近地面0～2km高度范圍氣溶膠以污染沙塵型、煙塵型與清潔海洋型氣溶膠為主；冬季污染沙塵型、煙塵、大陸污染型氣溶膠出現(xiàn)頻率高于其他季節(jié)，而沙塵型氣溶膠則反之.

4.4 根據(jù)方差分析結(jié)果表明，霾與非霾時大氣中的沙塵型、大陸污染型、污染沙塵型和煙塵型氣溶膠分布狀況有明顯差異，且表現(xiàn)為顯著的季節(jié)性變化和垂直變化；夜間沙塵型與大陸污染型氣溶膠空間分布變化與季節(jié)變化分別作為單因素影響這兩類氣溶膠出現(xiàn)頻率的顯著程度均小于兩個因素同時作用的影響顯著程度，而煙塵型與污染沙塵型反之，即夜間霾的發(fā)生與沙塵型與大陸污染型氣溶膠的出現(xiàn)有關(guān).

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致謝：本研究衛(wèi)星資料來自美國NASA Langley Distributed Active Archive Center，在此表示感謝.在論文修改階段《中國環(huán)境科學(xué)》審稿專家給本文提出的寶貴意見使論文水平得以提高，也對我們今后的研究很有啟發(fā)，在此一并表示衷心感謝！

Seasonal variation of vertical distribution of aerosol types around Shanghai during haze periods.

MA Xiao-jun1，QIN Yan1，2*， CHEN Yong-hang1，2*， ZHANG Hua3， YE Wen1， HU Cheng-ting1， Reyilaguli·Abudureheman1（1.Environmental Science and Engineering College， Donghua University， Shanghai 201620， China；2.Shanghai Key Laboratory of Atmospheric Particle Pollution and Prevention （LAP3）， Shanghai 200433；3.Climate Center of China Meteorological Administration， Beijing 100081， China）. China Environmental Science， 2015，35（4）：961～969

Using the classification data of different layers aerosols from CALIPSO Satellite Lidar Level 2aerosol retrieval data during the haze periods from January 2007to November 2010， the seasonally vertical distribution of different types of aerosols including clean marine， dust， polluted continental， clean continental， polluted dust， smoke and other types around Shanghai during haze periods were analyzed. The results showed as follows. In 0～2km altitudes the frequency of smoke aerosols’ occurrence during haze was significantly higher than during haze-free periods， but in 2～8km dust， polluted dust and polluted continental aerosols’ frequency in haze were higher than in haze-free periods. In 0～2km， polluted continental aerosols’ frequency in spring was higher than in other seasons during haze. In 0-2km， polluted dust and marine aerosol’s frequency in summer were higher than in other seasons during haze， especially polluted dust. In autumn the frequency of smoke aerosols in 0～2km was higher than in 2～6km. the frequency of polluted dust， smoke and polluted continental aerosols in winter were higher than in other seasons during haze.

aerosol；haze；CALIPSO；vertical distribution

X513

A

1000-6923（2015）04-0961-09

馬驍駿（1990-），男，上海人，東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，從事大氣環(huán)境和遙感研究.發(fā)表論文1篇.

2014-08-10

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）（2011CB403405）；杭州市科技發(fā)展計劃項目（20120433B18），上海市大氣顆粒物污染防治重點實驗室開放課題；國家自然科學(xué)基金（40975012）

* 責(zé)任作者， 教授， yonghangchen@dhu.edu.cn