基于CALIOP探測(cè)的合肥氣溶膠垂直分布特征

于彩霞,楊元建,鄧學(xué)良,石春娥,楊關(guān)盈,霍彥峰,翟 菁(1.安徽省氣象科學(xué)研究所,安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031；2.壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái),安徽 壽縣 232200)

基于CALIOP探測(cè)的合肥氣溶膠垂直分布特征

于彩霞1,2*,楊元建1,2,鄧學(xué)良1,2,石春娥1,2,楊關(guān)盈1,2,霍彥峰1,2,翟 菁1,2(1.安徽省氣象科學(xué)研究所,安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031；2.壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái),安徽 壽縣 232200)

利用2012～2013年CALIOP衛(wèi)星產(chǎn)品及合肥地面常規(guī)觀測(cè)資料,篩選統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星過(guò)境的晴日、霾日過(guò)程,通過(guò)532nm消光系數(shù)、532nm后項(xiàng)散射系數(shù)、體積退偏比及色比對(duì)合肥霾日及晴日的氣溶膠垂直分布特征進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明:霾日夜間,合肥污染物聚集層在500m以下,最大消光系數(shù)約為0.55.霾日白天,受湍流作用影響這一高度被抬升到300～700m,最大消光系數(shù)為0.67.霾日與晴日氣溶膠消光系數(shù)差異最為明顯的是在1km以內(nèi)高度內(nèi),霾日消光系數(shù)為非霾日的3倍,說(shuō)明霾時(shí)的氣溶膠聚集在低層大氣0～1km內(nèi).合肥霾發(fā)生時(shí),不規(guī)則的、色比在0.2～0.6、后項(xiàng)散射系數(shù)在0.001～0.0050km-1?sr-1之間的一般陸地性氣溶膠增加.

CALIOP；霾；光學(xué)特性；垂直分布；氣溶膠

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程加快,長(zhǎng)三角城市群空氣質(zhì)量逐漸惡化.氣溶膠的聚集不僅使大氣能見(jiàn)度降低,影響人類正常的生產(chǎn)生活,并嚴(yán)重危害人體健康[1].此外,氣溶膠中的水溶性離子因吸濕性而影響云凝結(jié)核的濃度,從而引起間接的輻射強(qiáng)迫,而氣溶膠中的含碳物質(zhì)因其對(duì)光的散射和吸收也直接影響地氣系統(tǒng)輻射平衡[2].氣溶膠的垂直分布是評(píng)估氣溶膠輻射效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一,氣溶膠在不同垂直高度上長(zhǎng)波和短波輻射強(qiáng)迫主要受氣溶膠垂直分布的影響[3].在夜間,氣溶膠在低層起到保溫作用,在中高層降低所在氣層溫度,而白天,低層氣溶膠減少到達(dá)地面的太陽(yáng)短波輻射導(dǎo)致低層溫度降低,中高層氣溶膠加熱所在的氣層[4].因此氣溶膠的垂直分布特征的探測(cè)對(duì)氣候變化、生態(tài)環(huán)境等多方面研究具有重要的意義.

美國(guó)NASA云－氣溶膠激光雷達(dá)紅外開(kāi)拓者衛(wèi)星(Cloud–Aerosol Lidar and Infrared PathfinderSatellite Observation satellite, CALIPSO)的主要任務(wù)之一就是探測(cè)全球范圍內(nèi)氣溶膠的垂直分布情況[5]. CALIPSO探測(cè)范圍廣,具有較高垂直分辨率和測(cè)量精度,能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)和長(zhǎng)期地進(jìn)行區(qū)域氣溶膠光學(xué)屬性和形態(tài)特征的垂直特性研究[6].在研究全球氣溶膠分布特征[7-8]、區(qū)域氣溶膠成分及來(lái)源[9-10]、氣溶膠垂直光學(xué)特性[11-12]等方面應(yīng)用廣泛.

近年來(lái)為了評(píng)估CALIPSO氣溶膠數(shù)據(jù)質(zhì)量,國(guó)內(nèi)外學(xué)者們利用地基雷達(dá)以及飛機(jī)觀測(cè)等開(kāi)展了廣泛的驗(yàn)證研究.部分外國(guó)學(xué)者認(rèn)為CALIPSO在532nm和1064nm波段反演的云和氣溶膠的消光系數(shù)、后向散射系數(shù)在數(shù)量級(jí)上與其他雷達(dá)反演結(jié)果具有較好一致性[13-14]. CALIPSO一級(jí)數(shù)據(jù)后向散射系數(shù)與地基雷達(dá)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92,CALIPSO二級(jí)數(shù)據(jù)在氣溶膠種類劃分方面表現(xiàn)良好,在明顯的氣溶膠層, CALIPSO反演結(jié)果與地基雷達(dá)沒(méi)有明顯偏差[15].但 Tesche等[16]和 Wandinger 等[17]認(rèn)為 532nm波段對(duì)沙塵氣溶膠的消光系數(shù)反演相比地基雷達(dá)反演結(jié)果偏低 25%～30%.譚靜等[18]在青海格爾木利用MARMOT(Middle Atmosphere Remote Mobile Observatory in Tibet)激光雷達(dá)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)反演的消光系數(shù)曲線與衛(wèi)星獲得的消光系數(shù)垂直廓線在垂直方向的變化趨勢(shì)上基本保持一致.而在合肥地區(qū),Wu等[19]使用雙波長(zhǎng)米氏散射激光雷達(dá)和偏振米散射激光雷達(dá)對(duì)CALIPSO數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,他們認(rèn)為 CALIPSO能很好探測(cè)氣溶膠的高度及分布,532nm和1064nm的總后項(xiàng)散射系數(shù)和退偏比數(shù)據(jù)具有較高可信度.

已有針對(duì)安徽地區(qū)霾的研究主要是基于地面單點(diǎn)激光雷達(dá)資料[20]或基于衛(wèi)星的氣溶膠水平分布研究[21],而對(duì)霾天的垂直結(jié)構(gòu)研究較少.本文在以往成果基礎(chǔ)上,采用 CALIPSO星載激光雷達(dá)反演資料,對(duì)比分析安徽霾與非霾期 間氣溶膠消光特性的垂直分布特征,以期為安徽地區(qū)霾及其氣候環(huán)境效應(yīng)的監(jiān)測(cè)和研究提供新的觀測(cè)方法和科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)

CALIPSO衛(wèi)星于2006年4月28日發(fā)射升空,衛(wèi)星上攜帶有3個(gè)有效載荷:雙波長(zhǎng)偏振激光雷達(dá)(CALIOP)、紅外圖像探測(cè)儀(IIR)、廣角照相機(jī)(WFC).CALIOP以20.16Hz的重復(fù)頻率發(fā)射532nm和1064nm波長(zhǎng)的激光脈沖,3個(gè)接受通道分別測(cè)量1064nm的后向散射信號(hào)及532nm后向散射信號(hào)的正交偏振成分,水平分辨率 333m, 8km以下垂直分辨率為30m;8～20km垂直分辨率為60m.本文使用CALIPSO一級(jí)數(shù)據(jù)(Level1)和二級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品( Level2). Level1主要提供583層雙波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)廓線.對(duì)一級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正并經(jīng)過(guò)一系列算法處理得到的二級(jí)數(shù)據(jù)包括333m、1km、5km的云產(chǎn)品和5km的氣溶膠層產(chǎn)品和廓線產(chǎn)品.

1.2 地面數(shù)據(jù)

本文所用常規(guī)觀測(cè)資料為合肥 2012～2013年08:00、14:00、20:00能見(jiàn)度、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)、逐日天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)(冰雹、吹雪、浮塵、毛毛雨、輕霧、沙塵暴、霧、雪、雪暴、煙幕、揚(yáng)沙、雨、雨夾雪、陣性雨夾雪、陣雪、陣雨、霾).

2 方法

2.1 研究站點(diǎn)及范圍選取

選取了合肥為代表性站點(diǎn),研究氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布特征.由于CALIPSO重返周期16d,時(shí)間分辨率較低,為提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)的利用率,以研究站點(diǎn)為中心,劃定區(qū)域范圍(116.5～117.5°E、31.5～32.5°N).我們認(rèn)為當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí),其提取的數(shù)據(jù)可代表該時(shí)段研究站點(diǎn)的氣溶膠平均狀況.圖 4給出了衛(wèi)星在合肥(圖4.a和 4.b)的過(guò)境示意圖.過(guò)境時(shí)間分為白天和晚上.

2.2 霾日、晴日判定及篩選

計(jì)算合肥的日平均能見(jiàn)度(08h、14h、20h, 3個(gè)時(shí)次的平均值).若日平均能見(jiàn)度＜10km,相對(duì)濕度＜90%,且未發(fā)生影響視程的天氣現(xiàn)象,則判定為一個(gè)霾日[22].若日平均能見(jiàn)度＞10km,且未發(fā)生影響視程的天氣現(xiàn)象,則判定為一個(gè)晴日.

按照霾日晴日判別標(biāo)準(zhǔn),2012～2013年合肥霾日 275d、晴日 76d.提取 2012～2013年CALIPSO在合肥過(guò)境71d,剔除數(shù)據(jù)缺失日期,有效過(guò)境47d.CALIPSO過(guò)境日期與研究區(qū)域霾日晴日時(shí)間匹配后獲得合肥霾日樣本數(shù) 12d,晴日樣本數(shù)14d.

圖1 CALIPSO過(guò)境示意Fig.1 Diagram of CALIPSO track when it pass through Hefei (a: nighttime b: daytime)

表1 數(shù)據(jù)樣本數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Sample statistic of data

2.3 氣溶膠體積退偏比、色比

3 結(jié)果

3.1 霾日、晴日氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線

通過(guò)對(duì)篩選出的霾日、晴日樣本統(tǒng)計(jì)分析,圖2給出了合肥0～4km范圍內(nèi)氣溶膠消光系數(shù)的垂直廓線.霾日、晴日氣溶膠消光系數(shù)均隨高度減小.霾日消光系數(shù)垂直變化顯著,污染物聚集于近地層,最大消光系數(shù)約為0.55.晴日消光系數(shù)的垂直變化較小,且無(wú)明顯的聚集層,最大消光系數(shù)約為0.23.

2km以上霾日和晴日的氣溶膠消光作用無(wú)明顯差別.在2km以下同一高度霾日的氣溶膠消光系數(shù)均明顯大于晴日,說(shuō)明霾發(fā)生時(shí)氣溶膠主要分布在低層大氣中(0～2km).在1～2km范圍內(nèi),霾日氣溶膠消光系數(shù)在0.15～0.32之間,非霾日在0.1～0.15之間,霾日消光系數(shù)約為非霾日的2倍.在0～1km范圍內(nèi)霾日和晴日差異更顯著,霾日氣溶膠消光系數(shù)在 0.35～0.55之間,非霾日在0.1～0.23之間,同一高度霾日消光系數(shù)約為非霾日的 3倍,說(shuō)明合肥霾發(fā)生時(shí)氣溶膠雖然可以擴(kuò)散到2km的大氣中,氣溶膠含量增多導(dǎo)致消光系數(shù)增大,但在1km以下人為原因產(chǎn)生的氣溶膠對(duì)大氣的消光作用更為顯著,從而導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度明顯下降.

圖2 合肥霾日、晴日氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線Fig.2 Vertical profile of aerosol extinction coefficient on haze day and clear day at Hefei

3.2 近地層消光系數(shù)垂直分布對(duì)比分析

圖3 合肥霾日、晴日(白天、夜間)氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線Fig.3 Aerosol extinction coefficient vertical profile during the day and night of haze day and clear day

由 3.1的分析可知,雖然大氣中氣溶膠可以從地面延伸到高空,但大多聚集于近地面層 0～2km 內(nèi),這與沈仙霞等[24]研究結(jié)果一致. CALIPSO在合肥過(guò)境時(shí)間分為白天和夜間,進(jìn)一步對(duì)霾、非霾、夜間、白天4種情況下合肥近地層(0～2km)的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析(圖3).

在夜間,低層大氣消光系數(shù)最大,氣溶膠消光系數(shù)隨高度減小.即夜間地面氣溶膠濃度較高.霾發(fā)生時(shí),夜間最大消光系數(shù)約為0.55,污染物聚集在500m以下,霾日白天最大消光系數(shù)為0.67,污染物聚集在 300～700m,明顯高于夜間.這可能是由于白天湍流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),混合作用充分,污染物因此被抬升,且向高層大氣中延伸,而在夜間混合作用減弱,或是由于夜間逆溫層的出現(xiàn)導(dǎo)致氣溶膠在低層聚集.

3.3 氣溶膠后向散射系數(shù)垂直分布特征

不同高度空間的大氣成分有一定區(qū)別,因此不同高度大氣成分對(duì)太陽(yáng)輻射的散射能力不一致.霾發(fā)生時(shí)顆粒物增多,氣溶膠濃度增大,從而導(dǎo)致大氣消光系數(shù)增強(qiáng),這在0～1km范圍內(nèi)表現(xiàn)明顯,1～2km高度范圍次之.圖4分別給出了合肥霾天和晴日532nm總后向散射系數(shù)頻率密度分布.對(duì)比受人為排放氣溶膠影響的低層大氣(0～2km)以及影響較小的中高層大氣(2～6km)在霾和非霾情況下的氣溶膠分布特征.

已有研究結(jié)果表明,在0～10km高度范圍內(nèi),云層后向散射系數(shù)主要為 0.0045～0.01km-1?sr-1,氣體分子和氣溶膠的后向散射系數(shù)主要集中在0.0001～0.0045km-1?sr-1,而氣溶膠后向散射系數(shù)主要集中在0.0008～0.0045km-1?sr-1[25].

0～1km 高度內(nèi),霾日后向散射系數(shù)在 0～0.0010km-1?sr-1之間的分布頻率為25.3%,晴日為32.7%,霾日減少 7.4%.霾日后向散射系數(shù)在0.0010～0.0050km-1?sr-1之間的分布頻率為49.1%,晴日為46.5%,霾日增加2.6%.且霾日在增加的氣溶膠中,后項(xiàng)散射系數(shù)在 0.0010～0.0050km-1?sr-1之間的氣溶膠增加更明顯.即霾發(fā)生期間,低層大氣氣體分子減少,氣溶膠增多,后項(xiàng)散射系數(shù)增強(qiáng).霾日與晴日,后向散射系數(shù)在 0.0010～0.0050km-1?sr-1之間的分布頻率隨高度而減小,即雖然霾發(fā)生時(shí)高度氣溶膠比例均有所增加,但整體上氣溶膠含量隨高度減小.

圖4 合肥霾日、晴日不同高度532nm總后項(xiàng)散射系數(shù)頻率分布Fig.4 Frequency distribution of 532nm total attenuated backscatter coefficient at different heights on haze day and clear days

3.4 霾日、晴日氣溶膠體積退偏比垂直分布特征

體積偏振比越大,顆粒物越不規(guī)則[26].對(duì)合肥市霾天、晴日氣溶膠體積退偏振比頻率分布情況進(jìn)行分析表明(圖3),在0～2km高度內(nèi),氣溶膠的體積退偏比主要集中在0%～10%之間,表明規(guī)則顆粒物較多;在4～6km、6～8km高度內(nèi),體積退偏比為 10%～40%的氣溶膠比例增多,即不規(guī)則顆粒物較多.規(guī)則與不規(guī)則的氣溶膠同時(shí)存在于各個(gè)高度,隨著高度的增加,規(guī)則的氣溶膠有所減少,較不規(guī)則的氣溶膠逐漸增多,氣溶膠的不規(guī)則性增強(qiáng).這與劉瓊等[27]對(duì)上海的研究結(jié)果相符.

霾日 0%～10%范圍內(nèi)的體積退偏振比在各高度層的平均頻率為 23.8%,晴日為 41.0%,霾日時(shí)減少17.2%;霾日30%～40%范圍內(nèi)的體積退偏振比在各高度層的平均頻率為23.8%,晴日4.2%,霾日減少了 13.7%,說(shuō)明霾天時(shí)規(guī)則氣溶膠含量減少,不規(guī)則氣溶膠含量增加.這主要因?yàn)轹舶l(fā)生,PM10等顆粒物易以凝聚狀等多種混雜狀態(tài)存在,因此顆粒物表面規(guī)則性較差,從而具有較大的體積退偏振比.在低層大氣(0～2km)中,與晴日相比,霾日 0%～10%范圍內(nèi)的體積退偏振比減少了13.9%;可見(jiàn)合肥大氣污染物中存在一定濃度的不規(guī)則顆粒物,顆粒物濃度上升從而對(duì)視程造成影響.

圖5 合肥霾日、晴日不同高度氣溶膠體積退偏比頻率分布Fig.5 Frequency distribution of volume depolarization ratio at different heights on haze day and clear days

3.5 霾日、晴日氣溶膠色比垂直分布特征

色比可以反映氣溶膠粒子的大小,色比越大表明氣溶膠顆粒越大.研究表明一般氣溶膠具有較小的色比值主要集中在 0～0.5,海洋型氣溶膠粒子的色比集中在 0～0.75,煙塵的色比范圍為0～1.5;沙塵粒子的色比范圍為0.25～1.25[7].

晴日各高度層內(nèi),隨著色比值增大,頻率減小.即在晴日各高度層均以細(xì)顆粒物為主.霾發(fā)生時(shí)0～2km內(nèi)色比在 0～0.6的氣溶膠比例為 41.9%,說(shuō)明合肥霾日低層大氣氣溶膠以一般的陸地氣溶膠細(xì)顆粒物為主.在 0～2km高度內(nèi),非霾時(shí)色比在 0～0.2的氣溶膠比例最高,而霾日色比在0.2～0.4的氣溶膠比例最大,說(shuō)明霾發(fā)生時(shí)低層大氣中顆粒物粒徑增大.霾日色比在 0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8范圍內(nèi)的氣溶膠各高度層累積頻率相對(duì)于晴日增加,而色比在 0～0.2、0.8～2.0范圍內(nèi)的氣溶膠各高度層累積頻率對(duì)于晴日減少,說(shuō)明合肥霾日增加的氣溶膠主要為色比在0.2～0.6的一般陸地性氣溶膠.而對(duì)杭州地區(qū)的研究[28]表明,因?yàn)楹贾菔袇^(qū)大氣溶膠類型以一般性氣溶膠和海洋型氣溶股為主,霾天0～2km色比在0.5～0.8的氣溶膠明顯增多.合肥霾發(fā)生時(shí),在高層(4～6km)大氣中色比在 1.0～2.0之間的氣溶膠累積頻率達(dá)到 35.7%,所占比例高于中低層大氣(0～4km),表明霾發(fā)生時(shí)在高層大氣中容易出現(xiàn)煙塵、沙塵等粒子.

圖6 合肥霾日、晴日不同高度氣溶膠色比頻率分布Fig.6 Frequency distribution of color ratio at different heights on haze day and clear days

4 結(jié)論

4.1 在2km以下同一高度霾日的氣溶膠消光系數(shù)均明顯大于晴日,即霾發(fā)生時(shí)氣溶膠主要分布在0～2km大氣內(nèi).尤其在0～1km高度內(nèi),同一高度霾日消光系數(shù)約為晴日的3倍,說(shuō)明1km內(nèi)大氣受人為排放氣溶膠影響作用明顯,霾發(fā)生時(shí)氣溶膠易在0～1km大氣邊界層內(nèi)聚集.

4.2 在夜間氣溶膠消光系數(shù)均隨著高度減小,氣溶膠聚集在近地層;霾發(fā)生時(shí),夜間污染物聚集層在500m以下;而在白天,受湍流擴(kuò)散作用影響,污染物聚集層被抬升至 300～700m,明顯高于夜間.白天與夜間大氣氣溶膠垂直分布存在差別.

4.3 合肥霾日與晴日在大氣垂直高度上均以規(guī)則的細(xì)顆粒物為主.與晴日相比,霾期間低層大氣顆粒物散射能力大于晴日期間,不規(guī)則的、色比在0.2～0.6、后項(xiàng)散射系數(shù)在0.001～ 0.0050km-1?sr-1之間的一般陸地性氣溶膠增加.

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Vertical distribution characteristics of aerosol optical properties on haze and clear day in Hefei based on CALIOP satellite measuring.

YU Cai-xia1,2*, YANG Yuan-jian1,2, DENG Xue-liang1,2, Shi Chune1,2, YANG Guan-ying1,2, HUO Yan-feng1,2, ZHAI Jing1,2(1.Key Laboratory of Atmospheric Science and Satellite Remote Sensing, Anhui Institute of Meteorology, Hefei 230031, China；2.Shouxian National Climate Observatory, Shouxian 232200, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1677～1683

Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) Satellite and surface observation data in Hefei were applied to conduct contrastive analysis of 532nm extinction efficient, 532nm total attenuated backscatter coefficient, volume depolarization ratio and colour ratio between haze day and clear day. The results showed during the night-time of haze day, pollutants in Hefei gathered within 100～500m with the maximum extinction coefficient value about 0.55. When haze episodes happened, aggregation level was elevated to about 300～700m due to turbulent and the maximum extinction coefficient reached to 0.67. Compared with clear days, 532nm extinction coefficient within 0～1km during haze days increased by 2times, indicating that aerosols were gathered under 1km height. What’s more, irregular aerosol with colour ratio value between 0.2～0.6, backscatter coefficient value between 0.001km-1?sr-1and 0.005km-1?sr-1increased when haze event happened.

CALIOP；haze；optical property；vertical distribution；aerosol

X513

A

1000-6923(2017)05-1677-07

于彩霞(1988-),女,山東威海人,助理工程師,碩士,主要從事大氣環(huán)境研究.

2016-10-09

安徽省淮河流域氣象開(kāi)放研究基金資助項(xiàng)目(RC201504, HRM201508);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201206011-04)

* 責(zé)任作者, 助理工程師, xiaoyu_abcd@126.com