塔克拉瑪干沙漠腹地氣溶膠不同波段散射系數(shù)比較

彭艷梅，高　磊，王　舒，肖高翔，何　清，劉新春（.新疆氣象服務(wù)中心，新疆　烏魯木齊 830002；2.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆樹(shù)木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，新疆　烏魯木齊 830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站，新疆　塔中 84000）

散射系數(shù)代表的是大氣中的氣溶膠、氣體分子、水汽等對(duì)太陽(yáng)輻射的散射情況，反映的是氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)，表示對(duì)光的消光情況。大氣氣溶膠的存在直接影響光在大氣中的傳播，產(chǎn)生消光作用，即造成光在大氣原傳播方向上的衰減[1]，氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的研究是氣溶膠輻射效應(yīng)及氣候效應(yīng)研究的重要基礎(chǔ)。

目前積分濁度（Nephlometer）是常用的直接測(cè)量氣溶膠散射系數(shù)的觀測(cè)方法，濁度計(jì)就是使用該方法，直接對(duì)氣溶膠散射系數(shù)（δsp）進(jìn)行測(cè)量。在此觀測(cè)基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外也開(kāi)展了較多的相關(guān)研究。早期Charlson、Bodhaine B等[2，3]分別運(yùn)用阿拉斯加Barrow、夏威夷莫納羅亞山（Mauna Loa）、薩摩亞群島（Samoa）以及南極等大氣監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站的濁度計(jì)資料來(lái)分析大分子氣體、氣溶膠的散射特征。此外，國(guó)際大氣化學(xué)計(jì)劃（IGAC）通過(guò)多次氣溶膠性質(zhì)實(shí)驗(yàn)（ACE）也獲得了許多非常有價(jià)值的氣溶膠散射數(shù)據(jù)[4，5]。在觀測(cè)基礎(chǔ)上，學(xué)者進(jìn)一步研究氣溶膠散射的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，氣溶膠散射除與當(dāng)?shù)貧庀髼l件高度相關(guān)外[6]，與本身粒徑也有很大的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，氣溶膠粒徑越小，對(duì)光的散射作用越強(qiáng)[7-10]。

2001年中國(guó)氣象局開(kāi)始實(shí)施沙塵暴監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)，共建立了20個(gè)沙塵暴監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。沙塵氣溶膠光學(xué)厚度大，分布范圍廣，且粒徑譜變化范圍很大，其輻射效應(yīng)比較復(fù)雜[11，12]。陳霞、劉新春等[13-17]對(duì)沙塵氣溶膠的光學(xué)特征進(jìn)行了分析，取得一定成果。同年，中國(guó)氣象局開(kāi)始在華北、西北共15個(gè)沙塵暴監(jiān)測(cè)站點(diǎn)安裝了積分濁度計(jì)，隨后胡波、柯宗建、楊蓮梅等[18-20]首批使用積分濁度計(jì)觀測(cè)資料對(duì)氣溶膠散射系數(shù)變化特征進(jìn)行了分析。隨著研究的深入，對(duì)氣溶膠散射影響因子的研究更多。目前研究表明，PM2.5、PM10質(zhì)量濃度、能見(jiàn)度與氣溶膠散射系數(shù)有較大相關(guān)[21-24]。另外，更多的積分濁度計(jì)在城市安裝，使國(guó)內(nèi)氣溶膠散射的研究從沙塵擴(kuò)展到城市污染型氣溶膠[25-29]。目前國(guó)內(nèi)氣溶膠散射研究多集中在單波段上，對(duì)于不同波段散射系數(shù)對(duì)比分析相對(duì)較少，謝銀海[29]、曹賢潔[30]等分別分析了張掖地區(qū)和南京地區(qū)氣溶膠不同波段散射反照率；Stefano Corradini[31]的研究也表明，氣溶膠對(duì)不同波段光的散射能力是不同的。本文利用2010年塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站積分濁度計(jì)3通道（450 nm、525 nm、635 nm）觀測(cè)資料，對(duì)沙漠腹地氣溶膠不同波段散射特征進(jìn)行初步探討。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1　研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠是我國(guó)最大的沙漠，占全國(guó)沙漠總面積的一半，是世界第二大移動(dòng)沙漠，也是中國(guó)沙塵的主要來(lái)源。塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站位于38°58′N，83°39′E，建于沙漠腹地200 km，下墊面是大面積移動(dòng)沙丘。塔中周邊有小面積的生活區(qū)和道路周邊少量梭梭，紅柳等，其他地區(qū)多為流沙地表[32]。

1.2　數(shù)據(jù)處理

本文采用的數(shù)據(jù)主要是2010年塔中試驗(yàn)站沙塵氣溶膠散射系數(shù)值、PM10質(zhì)量濃度、塔中氣象站地面報(bào)表數(shù)據(jù)。該站常年受沙塵氣溶膠影響，積分濁度計(jì)和PM10監(jiān)測(cè)儀分別按照《大氣成分觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范（試行）》、《沙塵暴天氣監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB/T20479-2006）要求都進(jìn)行了定期維護(hù)和標(biāo)定，以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

散射系數(shù)觀測(cè)值來(lái)源于塔中試驗(yàn)站積分濁度計(jì)，該試驗(yàn)站使用的是澳大利亞ECOTECH公司的Aurora 3000型濁度儀，可同時(shí)測(cè)量450 nm（藍(lán)），525 nm（綠）和635 nm（紅）。氣溶膠散射系數(shù)（δ sp）的量綱是長(zhǎng)度的倒數(shù)，以Mm-1（10-6m-1）來(lái)進(jìn)行表示，數(shù)據(jù)輸出保留的是兩位小數(shù)。塔中試驗(yàn)站的濁度計(jì)安放在室內(nèi)，用軟管將進(jìn)氣管延伸到屋頂之上，進(jìn)氣口處離屋頂約1.5 m高，距離地面高度約4 m。該濁度儀觀測(cè)時(shí)間間隔為5 min，所使用數(shù)據(jù)是從2010年1月1日0：00開(kāi)始，至2010年12月31日23：55（北京時(shí)間）。剔除每天儀器零氣檢測(cè)期間00：00，00：05，0：15三個(gè)數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)的異常值、缺測(cè)、負(fù)值進(jìn)行了甄別，最終總體數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，可較好代表全年變化特征，共得到有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)311 202條。

PM10數(shù)據(jù)來(lái)自塔中試驗(yàn)站安裝的美國(guó)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀TEOM-1400 a型PM10自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，PM10自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)記錄為5 min質(zhì)量濃度平均值，30 min質(zhì)量濃度平均值，1 h質(zhì)量濃度平均值，24 h質(zhì)量濃度平均值，單位為μg·m-3。對(duì)PM10的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查，剔除明顯有誤的數(shù)據(jù)，主要是PM10質(zhì)量濃度為負(fù)數(shù)的數(shù)據(jù)。共計(jì)PM10有效數(shù)據(jù)105 221條。另外，基本氣象資料來(lái)自塔中氣象站的地面報(bào)表。

將2010年逐日瞬時(shí)觀測(cè)的積分濁度計(jì)散射系數(shù)δ sp和PM10濃度求日均值，在此基礎(chǔ)上再求月平均和季度平均。

2　結(jié)果分析

2.1　小時(shí)平均值分布特征

圖1為2010年塔中氣溶膠各波段散射系數(shù)小時(shí)平均值分布圖，表示三波段散射系數(shù)在各總樣本中出現(xiàn)頻率，三波段散射系數(shù)小時(shí)平均值有效樣本均為8745個(gè)，區(qū)間間隔為100 Mm-1。

從小時(shí)平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，散射系數(shù)變化范圍很大，其中450 nm：28.0～6 457.3 Mm-1，525 nm：39.6～8 442.8 Mm-1，635 nm：46.8～9 659.6 Mm-1，很明顯波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射系數(shù)小時(shí)平均值變動(dòng)范圍越大，最大值也越大。三波段（450 nm、525 nm、635 nm）散射系數(shù)平均值分別為：288.0、318.4、443.8 Mm-1。從圖1可以看出，在＜100 Mm-1時(shí)，450 nm出現(xiàn)最多，占20.9%，其次是525 nm，占6.8%；在100～200 Mm-1間，525 nm出現(xiàn)最多，達(dá)50.6%，其次是450 nm，占37.5%；在＞200 Mm-1的各區(qū)間，除1800～1900 Mm-1外，均是635 nm出現(xiàn)頻率最多，而450 nm和525 nm在＞200 Mm-1的各區(qū)間出現(xiàn)頻率差距較小。450 nm和525 nm在0～200 Mm-1的頻率分別是58.4%、57.4%，超過(guò)一半散射系數(shù)小時(shí)平均值位于該區(qū)間；635 nm在0～200 Mm-1的頻率為15.6%，大多數(shù)小時(shí)平均值位于＞200 Mm-1區(qū)間。說(shuō)明塔中氣溶膠對(duì)635 nm的太陽(yáng)輻射的散射作用最大，其次是525 nm，最小為450 nm。

圖1　2010年塔中三波段散射系數(shù)小時(shí)平均值分布

2.2　散射系數(shù)日變化特征

圖2為2010年塔中散射系數(shù)的日變化。從圖2可以看出，塔中三波段散射系數(shù)變化趨勢(shì)與PM10質(zhì)量濃度基本一致，都具有夜間高、白天低，且明顯的日變化特征。在凌晨出現(xiàn)峰值，之后逐漸下降，至下午出現(xiàn)谷值，然后再逐步上升出現(xiàn)次日的峰值。在整個(gè)日變化中，始終保持635 nm散射系數(shù)＞525 nm，525 nm散射系數(shù)＞450 nm。另外，日變化波動(dòng)程度也隨波長(zhǎng)增大而增大，635 nm散射系數(shù)變化范圍：399.6～519.5 Mm-1，525 nm：276.4～387.0 Mm-1，450 nm：249.8～335.5 Mm-1。

圖2　2010年塔中各波段散射系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度的日變化

塔中氣溶膠PM10濃度隨著入夜開(kāi)始增大，至0時(shí)達(dá)到最大，三波段散射系數(shù)也是隨著日落而增大，均在凌晨02時(shí)出現(xiàn)最大值；三波段散射系數(shù)日最小值與PM10濃度最小值同時(shí)出現(xiàn)在17時(shí)，無(wú)明顯次峰值，日變化都呈單峰變化。這與大多城市氣溶膠散射研究結(jié)論不同，城市氣溶膠散射系數(shù)日變化基本上是雙峰型[18，19]。本研究與城市氣溶膠散射系數(shù)日變化的極小值都在出現(xiàn)在午后，基本相同；但是極大值出現(xiàn)時(shí)間卻相差較遠(yuǎn)。這主要是因?yàn)槌藲庀髼l件，城市大量的人類活動(dòng)也是影響氣溶膠濃度的主要因素之一，表現(xiàn)在人類活動(dòng)產(chǎn)生氣溶膠的高峰時(shí)段（機(jī)動(dòng)車輛的排放、居民烹飪?nèi)紵┒酁槌鞘袣馊苣z散射系數(shù)出現(xiàn)峰值時(shí)。而沙漠腹地人為影響很小，除強(qiáng)烈的沙塵天氣時(shí)，氣溶膠濃度日變化主要由大氣穩(wěn)定度決定。沙漠地區(qū)在深夜逆溫比較強(qiáng)烈，清晨隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，逆溫結(jié)構(gòu)被破壞（圖3），氣溫升高，濕度減小，大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)。氣溫和風(fēng)速在17時(shí)達(dá)到一天中的最大值，相對(duì)濕度達(dá)到最小值，形成較好的擴(kuò)散條件，氣溶膠濃度較低，PM10濃度達(dá)到最小，散射系數(shù)也在17時(shí)出現(xiàn)谷值。隨著日落，大氣開(kāi)始趨于穩(wěn)定，氣溫降低，對(duì)流減弱，風(fēng)速減小，濕度增加，使得擴(kuò)散條件逐漸變差，PM10濃度逐漸增大，散射系數(shù)也開(kāi)始逐漸回升，PM10濃度在0時(shí)達(dá)到峰值，而三波段散射系數(shù)值在02時(shí)達(dá)到峰值。在整個(gè)日變化過(guò)程中，始終是635 nm散射系數(shù)＞525 nm，525 nm散射系數(shù)＞450 nm，且635 nm與525 nm間的差值＞525 nm與450 nm的差值。進(jìn)一步說(shuō)明塔中氣溶膠對(duì)635 nm的太陽(yáng)輻射的散射作用最明顯。

2.3　2010年塔中散射系數(shù)年變化特征

圖3　2010年塔中氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速的日變化

圖4是2010年塔中氣溶膠三波段散射系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度年變化，三波段散射系數(shù)年變化趨勢(shì)基本一致，且都與PM10質(zhì)量濃度變化接近。年變化中，3月450 nm散射系數(shù)最大；其余月份均是635 nm散射系數(shù)最大。各月三波段散射系數(shù)間大小排序略有差異，1～5月，除3月散射系數(shù)平均值是450nm最大，635 nm次之，525 nm最小外，另外4個(gè)月均是635 nm最大，450 nm次之，525 nm最小。6—12月三者大小排序則一致，635 nm最大，525 nm次之，450 nm最小。

圖4　2010年塔中三波段散射系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度年變化

三波段散射系數(shù)月均值的極值出現(xiàn)時(shí)間不同。450 nm散射系數(shù)在9月最小，為97.3 Mm-1；525 nm和635 nm散射系數(shù)最小都出現(xiàn)在2月，分別為145.9、233.6 Mm-1；450 nm散射系數(shù)在2月也較小，僅次于最小值。因?yàn)榍锒竟?jié)塔中沙塵天氣較少發(fā)生，且塔中地區(qū)冬季氣溫低，2010年冬季平均氣溫-6.6℃，天氣寒冷，整個(gè)冬季除2月有2 d未結(jié)冰外其他時(shí)間均結(jié)冰，地表沙塵不易被吹入大氣中，因此2月塔中氣溶膠散射系數(shù)都較小。PM10質(zhì)量濃度月均值最小出現(xiàn)月份與三波段都不一致，出現(xiàn)在10月，為194.3 μg·m-3。450 nm和525 nm散射系數(shù)均在4月出現(xiàn)最大值，分別為531.9、503.8 Mm-1，635 nm散射系數(shù)最大值出現(xiàn)在6月，為685.7 Mm-1，次大值為671.0 Mm-1，出現(xiàn)在4月。PM10質(zhì)量濃度月均值最大出現(xiàn)月份與450 nm和525 nm一致，也是在4月，為1 013.7 μg·m-3。結(jié)合塔中地面報(bào)表，2010年沙塵暴日數(shù)出現(xiàn)最多的是4月，達(dá)7 d；6月雖然出現(xiàn)沙塵暴只有2 d，但是揚(yáng)沙和浮塵日數(shù)高達(dá)16 d和21 d（表1）。表明塔中氣溶膠三波段散射系數(shù)都與沙塵天氣有明顯的相關(guān)性。

2.4　不同沙塵條件下散射系數(shù)變化特征

圖5是三種不同沙塵天氣下三波段散射系數(shù)的變化圖。其中，沙塵暴天氣選取6月25日16：42—20：00，揚(yáng)沙天氣選取4月8日14：40—18：50，浮塵天氣選取4月4日13：55—20：00。圖5中時(shí)間分別是沙塵天氣發(fā)生前后各延長(zhǎng)3 h。

表1　2010年塔中各月沙塵日數(shù)統(tǒng)計(jì)　d

圖5　2010年塔中不同沙塵天氣下三波段的散射系數(shù)變化

從圖5可以看出，三個(gè)波段散射系數(shù)在不同沙塵天氣下，隨時(shí)間的變化基本一致。各波段散射系數(shù)均是沙塵暴天氣時(shí)最大，揚(yáng)沙次之，浮塵最小。從圖5a看出，隨著沙塵暴的發(fā)生，三波段的散射系數(shù)均逐漸升高，三個(gè)波段在沙塵暴過(guò)程中平均值分別是：2 183.3、2 273.6、2 640.2 Mm-1，三者都明顯大于年均值，沙塵暴對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減明顯。沙塵暴過(guò)程，基本保持635 nm散射系數(shù)最大，525 nm次之，450 nm最小。在揚(yáng)沙天氣下（圖5b），三者平均值分別是（450 nm到635 nm）：350.6、341.4、456.2 Mm-1，揚(yáng)沙過(guò)程，仍保持635 nm散射系數(shù)最大，但450 nm散射系數(shù)略大于525 nm。這在浮塵天氣（圖5c）中表現(xiàn)得更為明顯，三者平均值分別是（450 nm到635 nm）：205.8、142.9、247.1 Mm-1。過(guò)程中除635 nm散射系數(shù)保持最大外，450 nm散射系數(shù)明顯大于525 nm。不同沙塵天氣下，氣溶膠對(duì)三波段的散射作用不同。不同沙塵天氣下，塔中氣溶膠對(duì)635 nm散射作用都是最明顯的，對(duì)450 nm和525 nm散射作用不同：沙塵暴時(shí)，對(duì)525 nm的散射作用＞450 nm，在揚(yáng)沙和浮塵時(shí)，對(duì)450 nm的散射作用＞525 nm，尤其在浮塵時(shí)。

2.5　散射系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度的關(guān)系

圖6是2010年塔中三波段散射系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度小時(shí)值點(diǎn)聚圖。3個(gè)波段與PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)性通過(guò)α=0.05顯著水性水平的檢驗(yàn)，說(shuō)明3個(gè)波段與PM10質(zhì)量濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。從圖6可知，450、525、635 nm與PM10質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)相差不大，分別為0.876、0.879、0.860，PM10質(zhì)量濃度在一定程度上都能反映3個(gè)波段散射系數(shù)的大小。

圖6　2010塔中三波段散射系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度小時(shí)值點(diǎn)聚圖

各季內(nèi)三波段散射系數(shù)與PM10濃度相關(guān)程度顯著（通過(guò)α=0.01顯著性水平下檢驗(yàn)），除秋季450 nm以外，其余季節(jié)各波段均超過(guò)0.8。但是季節(jié)內(nèi)相關(guān)系數(shù)差異大于年均值（表2）。春、冬季450 nm散射系數(shù)與PM10濃度相關(guān)系數(shù)最大，525 nm次之，635 nm最小。夏、秋季相關(guān)系數(shù)則是525 nm最大。各波段中，不同季節(jié)的相關(guān)系數(shù)不同，450 nm在春季相關(guān)系數(shù)最大，為0.919，其次為冬季，秋季最??；525 nm在秋季最大，為0.922，其次是春季，冬季最小。635 nm也是在秋季最大，為0.919，其次是春季，夏季最小。

表2　2010年塔中各季節(jié)三波段散射系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度小時(shí)值相關(guān)系數(shù)

3　結(jié)論

（1）塔中氣溶膠三波段散射系數(shù)平均值分別（從450 nm到635 nm）為：288.0、318.4、443.8 Mm-1。塔中氣溶膠對(duì)635 nm太陽(yáng)輻射的散射作用最大，其次是525 nm，最小為450 nm。

（2）三波段散射系數(shù)日變化一致，都呈單峰變化：夜間高、白天低，具有明顯日變化特征。在整個(gè)日變化中，散射系數(shù)始終保持635 nm最大，525 nm次之，450 nm最小。

（3）三波段散射系數(shù)年變化基本一致。1—5月中，除3月散射系數(shù)是450 nm最大，635 nm次之，525 nm最小外，另外4個(gè)月均是635 nm最大，450 nm次之，525 nm最小。6—12月散射系數(shù)則均是635 nm最大，525 nm次之，450 nm最小。

（4）三波段散射系數(shù)均是沙塵暴天氣時(shí)最大，揚(yáng)沙次之，浮塵最小。不同沙塵天氣下，塔中氣溶膠對(duì)635 nm散射作用都是最明顯的，對(duì)450 nm和525 nm散射作用不同：沙塵暴時(shí)，對(duì)525 nm的散射強(qiáng)于450 nm，在揚(yáng)沙和浮塵時(shí)，對(duì)450 nm的散射強(qiáng)于525 nm，尤其在浮塵時(shí)。

（5）三波段散射系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度都顯著正相關(guān)，PM10質(zhì)量濃度與525 nm散射系數(shù)相關(guān)程度最大，450 nm次之，635 nm最小。但是季節(jié)內(nèi)相關(guān)程度略有差異：春、冬季PM10濃度與450 nm散射系數(shù)相關(guān)程度最大，525 nm次之，635 nm最小。夏、秋季則是525 nm最大。各波段不同季節(jié)相關(guān)系數(shù)也有較大差距，450 nm在春季相關(guān)系數(shù)最大，其次為冬季，秋季最小；525 nm在秋季最大，其次是春季，冬季最小。635 nm也是在秋季最大，其次是春季，夏季最小。