基于自動能見度資料估算AOD變化特征分析

趙 燃,何曉華,羅海鳴

(1.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗 154100；2.蘿北縣氣象局，黑龍江 蘿北 154200)

基于自動能見度資料估算AOD變化特征分析

趙 燃1,何曉華1,羅海鳴2

(1.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗 154100；2.蘿北縣氣象局，黑龍江 蘿北 154200)

利用2016年蘿北氣象觀測站的自動能見度觀測資料、地面常規(guī)觀測資料,應(yīng)用寬帶消光方法進行反演，建立蘿北縣2016年氣溶膠光學(xué)厚度(A0D)的時間序列，采用氣候趨勢分析、相關(guān)分析等方法，分析蘿北縣 A0D季、月、日變化特征，結(jié)果表明：AOD值隨季節(jié)有明顯的變化，冬季AOD值明顯大于其他三個季節(jié)，高出其它季節(jié)近1倍；1月的AOD值為全年最大，隨后開始下降，4-8月降至全年最低,隨后9月又迅速增大；在日變化曲線上看，A0D值存在2個明顯波峰和波谷。

氣溶膠；寬帶消光方法；光學(xué)厚度

1 引言

大氣氣溶膠是指懸浮在氣體中的固體和（或）液體微粒與氣體載體共同組成的多相氣體系，高濃度的氣溶膠產(chǎn)生的低能見度會給人們的日常生活帶來諸多不便。氣溶膠光學(xué)厚度 （英文名稱為Aerosol Optical Depth，簡稱AOD）是氣溶膠最基本的光學(xué)特性，國內(nèi)外很多學(xué)者對氣溶膠光學(xué)厚度的反演及氣溶膠的微觀和宏觀特性進行了研究[1-2]。本文應(yīng)用自動能見度觀測資料，估算了蘿北縣2016年AOD，并對其變化特征進行了分析。

2 資料與方法

2.1 區(qū)域概況

蘿北縣位于黑龍江省東北部，地處小興安嶺東麓低山丘陵與松花江下游平原交界處，與俄羅斯隔黑龍江相望，屬寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫1.57℃，年降水量549.1 mm。

2.2 資料來源

所用氣象資料來源于蘿北縣氣象觀測站(130°50′E、47°34′N，海拔 83.3 m）2016 年 1-12 月的地面觀測資料，常規(guī)項目觀測儀器為華云公司生產(chǎn)的CAWS3000型自動氣象站，能見度觀測儀為華云升達公司生產(chǎn)的DNQ1型前向散射式能見度儀。

2.3 資料說明

本文選取資料包括2016年蘿北國家氣象站地面水平能見度、相對濕度及天氣現(xiàn)象資料。能見度觀測儀每天24次定時觀測，能見度以米為單位，本文所用記錄為經(jīng)數(shù)據(jù)處理后每日24次正點數(shù)據(jù)（根據(jù)《前向散射能見度儀觀測規(guī)范》正點數(shù)據(jù)為前10 min能見度平均值）?？紤]到雨、雪、霧天氣條件下估算AOD時誤差較大，剔除了這些時間段觀測資料，共得到樣本7671個，占全部樣本的87.3%，觀測資料具有普遍代表性。以前能見度觀測為人工觀測時，研究人員僅采用14時觀測資料來估算AOD，為了與先前研究者的研究成果進行對比，本文中對14時資料進行了單獨分析。

2.4 研究方法

在標準狀況下(T=15℃ ,P=1013 hPa),假設(shè)氣溶膠服從Junge分布，在這些假設(shè)和標準的地面大氣溫度與氣壓條件下,根據(jù)Elterman(1970)得到的大氣垂直衰減量與地面能見度的關(guān)系,在海拔高度Z(單位:km)上的能見度VZ(單位:km)與訂正到海平面的能見度V(單位:km)之間存在公式1關(guān)系:

由此可推得大氣氣溶膠的光學(xué)厚度AODE （公式 2）為：

其中，Z是觀測站的海拔高度 （蘿北觀測站海拔0.0083km）， H1=0.886+0.022V km， H2=3.77 km，v*=-2,λ=0.55 μm。

該方法對我國地理分布有較高的敏感性，因此對不同的地區(qū)需要進一步訂正，蘿北縣地處我國東北地區(qū),因此本文估算AOD時采用邱金桓所做訂正系數(shù)（公式 3）。

根據(jù)公式4即可計算出2016年蘿北縣各時次氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）。

圖1 蘿北縣能見度-氣溶膠光學(xué)厚度關(guān)系圖

圖1是應(yīng)用寬帶消光方法對地面觀測資料進行反演，建立的蘿北縣能見度-氣溶膠光學(xué)厚度關(guān)系圖。對于該方法計算出來的AOD值的可靠性，許多學(xué)者和專家做出過相應(yīng)的檢驗,反演出來的AOD與MODIS中的AOD進行了相關(guān)性分析，結(jié)果表明兩種結(jié)果間的相關(guān)性很高,可見該方法計算得到的AOD值具有一定可靠性。

3 AOD特征分析

3.1 AOD年變化

表1 2016年蘿北縣年平均AOD

經(jīng)估算蘿北縣2016年AOD值為0.28。為了與前人的研究相對照，對14時的資料進行了單獨分析，得到了AOD值為0.23，兩者相差22%，兩個值與以前學(xué)者[2]的估算相近，并在NASA觀測值范圍之內(nèi)（表1）。全天的自動觀測資料有較好的客觀性和代表性，14時是全天AOD最低的時候，單一資料對研究AOD的變化存在誤差。

3.2 AOD季節(jié)變化

為了便于分析，并考慮到蘿北縣地處我國東北高緯度地區(qū)，按物候?qū)W定義11月-次年3月為冬季、4-5月春季、6-8月為夏季、9-10月為秋季，利用各月AOD值計算得到2016年各季節(jié) AOD值。從AOD值的四季分布上看 （圖2）AOD變化特征明顯，冬季 AOD值達 0.38，明顯大于其他三個季節(jié)，秋季為0.25，春季、夏季僅 0.2，約為冬季的50%。在24次平均值和14時平均值的對比上看，兩者季節(jié)變化趨勢基本相同，春、夏季兩者相差不明顯，秋季達到0.04,冬季則達到0.1，冬季用14時數(shù)據(jù)代表全天數(shù)據(jù)是有較大誤差的，用能見度自動觀測數(shù)據(jù)更能較好的反映AOD的變化特征。

圖2 四季AOD日平均圖

3.3 蘿北AOD月變化

分析2016年逐月平均AOD（圖3），月分布特點是：氣溶膠光學(xué)厚度月變化曲線上單一波峰、波谷特征較為明顯，最小值出現(xiàn)在4月和8月，為0.19,最大值出現(xiàn)在1月，為0.43；4-9月出現(xiàn)曲線變化不明顯的特性，AOD波動幅度僅為0.06,此時正是東北地區(qū)的春、夏季節(jié)，盛行西南風有利于城市上方污染物的遠距離擴散，加之空氣中濕度大，有益于降水形成，濕溫共同作用會影響氣溶膠的形成，雨水的沖刷又大大縮短氣溶膠的生命期，使AOD減少，溫度、濕度表現(xiàn)為與AOD呈現(xiàn)負相關(guān)。9月-次年3月份，是北方嚴冬季節(jié)，這期間AOD急劇變化特征明顯。從氣候條件上分析嚴冬季節(jié)，在冬季風的影響下降水少，不利于空氣污染物的沉降、擴散，局地污染較為嚴重，冬季采暖更提升了大氣中氣溶膠的含量，因此冬季呈現(xiàn)AOD較高的特點，其主要影響因素是人類的生產(chǎn)、生活。

圖3 月平均AOD變化圖

3.4 蘿北AOD日變化

分析2016年年平均各時次AOD，日分布特點是：AOD具有雙峰、雙谷的日變化規(guī)律,早7時、晚18時均有最高值為0.39的日高峰，12時、24時則處在谷底。在四季變化的日值圖上，四個季節(jié)均有這種變化，只是在冬季較其它季節(jié)更為明顯，在北方嚴冬季節(jié)，AOD急劇變化特征明顯，日最高值和最低值相差達3倍，在最大程度上影響了年日均線的分布情況。AOD日曲線呈雙峰、雙谷的特征與人類的活動息息相關(guān)，早、晚的日高峰時段正是人們出行、生活的高峰時段，冬季黑碳氣溶膠濃度也出現(xiàn)最高值,表明冬季受人為排放的影響最明顯。

4 結(jié)論

通過對地面能見度等觀測資料進行反演計算，建立蘿北縣2016年氣溶膠光學(xué)厚度（A0D)的時間序列資料，分析了氣溶膠光學(xué)厚度的季、月、日的變化特征，結(jié)果表明：

（1）利用能見度估算得到的AOD,盡管對極高和極低值的估計還有一定偏差,但可以較好地反映出蘿北縣氣溶膠光學(xué)厚度變化特征。能見度自動觀測資料的應(yīng)用在客觀上提升了估算氣溶膠光學(xué)厚度的精度，并對研究AOD日變化提供了第一手的分析資料。

（2）本文估算蘿北縣氣溶膠光學(xué)厚度為0.28，處于較低水平，中國AOD分布特征為東南高、西北低,本研究與以前學(xué)者研究結(jié)論是一致的。

（3）AOD值隨季節(jié)有明顯的變化，冬季 AOD值明顯大于其他三個季節(jié)，高出其它季節(jié)近1倍；1月的AOD值為全年最大，隨后開始下降，4-8月降至全年最低,隨后9月又迅速增大；在日變化曲線上看，A0D值存在2個明顯波峰和波谷。

（4）人為排放對AOD的影響最為明顯，與大氣成份的相關(guān)性需要進一步研究。

[1]宗雪梅,邱金桓,王普才,等.近 10年中國 16個臺站大氣氣溶膠光學(xué)厚度的變化特征分析[J].氣候與環(huán)境研究,2005,10(2):201-207.

[2]秦世廣,石廣玉,陳林,等.利用地面水平能見度估算并分析中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度長期變化特征[J].大氣科學(xué),2010,34(2):449-456.

X16

A

1002－252X(2017)03－0011－02

2017－6－1

趙 燃（1974-），男，黑龍江省富裕縣人，蘭州大學(xué)，碩士生，高級工程師.