基于CALIPSO 資料的東亞地區(qū)氣溶膠 垂直分布特征分析

宿興濤，鄭軍，李學(xué)剛

（1.北京應(yīng)用氣象研究所，北京 100029；2.中國(guó)人民解放軍32039 部隊(duì)，北京 102300）

氣溶膠的垂直分布是其輻射強(qiáng)迫和氣候效應(yīng)的重要影響因子之一。Minnis 和Cox[1]的觀測(cè)分析以及Carlson 和Benjamin[2]的模擬研究均表明，抬高的撒哈拉沙塵層能明顯改變大氣加熱率。Liao 和Seinfeld[3]分析認(rèn)為，晴空與有云條件下，大氣頂強(qiáng)迫對(duì)沙塵層高度非常敏感。Meloni 等[4]也發(fā)現(xiàn)，氣溶膠大氣頂短波輻射強(qiáng)迫強(qiáng)烈依賴于氣溶膠垂直廓線。Huang 等[5]指出，以往氣溶膠觀測(cè)只能在全球有限站點(diǎn)利用被動(dòng)式輻射計(jì)進(jìn)行，地面觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)特性在轉(zhuǎn)換為柱特性時(shí)，采用了氣溶膠垂直廓線分布的假設(shè)。由于氣溶膠層高度可變，地面氣溶膠特性與氣溶膠柱特性常常存在很大的區(qū)別。因此，計(jì)算氣溶膠柱特性時(shí)，不同時(shí)間如果采用相同的氣溶膠垂直廓線，將導(dǎo)致結(jié)果存在非常大的誤差（可達(dá)2 倍）[6]。

宿興濤[7-8]曾對(duì)沙塵氣溶膠垂直分布的研究現(xiàn)狀進(jìn)行過(guò)綜述，其他氣溶膠垂直分布研究方法基本相同。通過(guò)對(duì)以往研究工作分析發(fā)現(xiàn)，盡管對(duì)東亞地區(qū)氣溶膠垂直分布觀測(cè)研究較早，但絕大多數(shù)限于時(shí)間較短的天氣過(guò)程，極少數(shù)研究能達(dá)到月尺度[5]，并且這些觀測(cè)次數(shù)、時(shí)間尺度、空間尺度有限，無(wú)法對(duì)大范圍區(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。由于不同的天氣條件氣溶膠可以抬升的高度存在很大差異，即使同一地區(qū)在不同季節(jié)不同時(shí)刻，氣溶膠的垂直分布也會(huì)存在很大的不同。另外，不同氣溶膠模型關(guān)于源匯方案等存在差別，采用數(shù)值模式對(duì)沙塵垂直分布的認(rèn)識(shí)也存在很大差異。CALIPSO（The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）衛(wèi)星的發(fā)射提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，有利于對(duì)大范圍區(qū)域氣溶膠的垂直廓線特征進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，不少學(xué)者利用其開展了不少研究工作[9-14]，但研究范圍和時(shí)間尺度均比較小。文中利用CALIPSO 星載激光雷達(dá)觀測(cè)資料，研究更長(zhǎng)時(shí)間、更大范圍氣溶膠的垂直廓線特征，以期從氣候角度加深對(duì)該地區(qū)氣溶膠垂直分布的認(rèn)識(shí)，并為氣候模式比對(duì)提供參考。

1 資料介紹

CALIPSO 衛(wèi)星發(fā)射于2006 年4 月，攜帶主要設(shè)備之一為正交偏振云-氣溶膠雷達(dá) CALIOP（The Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）。它可以在任何地形、高反照率表面、有云和晴空條件下，對(duì)氣溶膠的垂直分布進(jìn)行觀測(cè)。CALIOP 接收的回波信號(hào)分為三個(gè)通道，一個(gè)測(cè)量1064 nm 的后向散射強(qiáng)度，另外兩個(gè)通道測(cè)量532 nm 后向散射信號(hào)的正交極化部分。反演計(jì)算時(shí)，將兩個(gè)通道分別獲取的后向散射強(qiáng)度疊加作為532 nm 總的后向散射強(qiáng)度。CALIPSO 各種參數(shù)反演算法參考文獻(xiàn)[15]。

CALIPSO 雷達(dá)三級(jí)氣溶膠廓線月產(chǎn)品（Lidar Level 3 Aerosol Profile Monthly Products）1.00 版（下文簡(jiǎn)稱CALIPSO L3 V1.00）是在CALIPSO 雷達(dá)二級(jí)氣溶膠廓線產(chǎn)品基礎(chǔ)上制作出來(lái)的，發(fā)布于2011 年12 月，記錄了在統(tǒng)一空間格點(diǎn)上氣溶膠光學(xué)特性的月平均廓線。CALIPSO L3 V1.00 主要針對(duì)對(duì)流層設(shè)計(jì)，產(chǎn)品垂直范圍在12 km 以下。該產(chǎn)品主要參數(shù)為532 nm 氣溶膠的消光系數(shù)垂直廓線及其垂直積分-氣溶膠光學(xué)厚度。另外，還包括氣溶膠類型（海洋氣溶膠、沙漠沙塵氣溶膠、污染大陸氣溶膠、清潔大陸氣溶膠、生物質(zhì)燃燒氣溶膠等）及空間分布信息。需要指出的是，氣溶膠平均廓線產(chǎn)品分為兩種：一是針對(duì)所有種類氣溶膠（下文稱總氣溶膠），二是僅針對(duì)沙塵氣溶膠。根據(jù)天空條件和時(shí)間范圍，CALIPSO L3 V1.00 分為四種類型產(chǎn)品（見表1），產(chǎn)品空間分辨率見表2。文中采用All sky 條件白天的產(chǎn)品。資料研究時(shí)間尺度為2006 年7 月—2012 年6 月，共6 年。

表1 CALIPSO L3 V1.00 產(chǎn)品類型

表2 CALIPSO L3 V1.00 產(chǎn)品空間范圍和分辨率

2 結(jié)果分析

2.1 氣溶膠光學(xué)厚度分布

CALIPSO 衛(wèi)星反演得到的532 nm 波長(zhǎng)全球總氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）與沙塵氣溶膠光學(xué)厚度（Dust Aerosol Optical Depth，DAOD）分布分別如圖1 和圖2 所示。由圖1 可見，全球總氣溶膠主要分布在西非及臨近的大西洋海域、中非南部、西亞、南亞、塔克拉瑪干沙漠以及東亞大陸東部沿海地區(qū)。結(jié)合圖2 分析可知，除中非南部和東亞大陸東部沿海地區(qū)外，這些地區(qū)同時(shí)也是沙塵氣溶膠的主要分布區(qū)。圖3 給出了全球532 nm 波長(zhǎng)DAOD/ AOD 比值分布。由圖3 可見，撒哈拉沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠占總氣溶膠的比值達(dá)0.9 以上，西亞絕 大部分地區(qū)比值也都在0.7 以上，我國(guó)西北絕大部分地區(qū)比值都在0.5 以上，塔克拉瑪干沙漠在0.8 以上。

圖1 532 nm 波長(zhǎng)氣溶膠光學(xué)厚度

圖2 532 nm 波長(zhǎng)沙塵氣溶膠光學(xué)厚度

在這些地區(qū)，氣溶膠的主要組成為沙塵氣溶膠。我國(guó)東部地區(qū)比值較低，大部分地區(qū)在0.2 以下，說(shuō)明該地區(qū)沙塵氣溶膠的比重較小，其他種類氣溶膠含 量較高，如硫酸鹽氣溶膠、碳?xì)馊苣z等[9]。文中重點(diǎn)研究東亞地區(qū)氣溶膠的垂直分布特征。在后文研究中，圖1 選擇A、B 作為總氣溶膠代表性格點(diǎn)，分別代表華北和華南地區(qū)；圖2 選擇C 為沙塵氣溶膠代表性格點(diǎn)，代表塔克拉瑪干沙漠地區(qū)。

圖3 532 nm 波長(zhǎng)沙塵氣溶膠光學(xué)厚度與 總氣溶膠光學(xué)厚度的比值

2.2 總氣溶膠垂直分布

采用消光系數(shù)廓線來(lái)分析總氣溶膠垂直分布。根據(jù)上文分析，東亞大陸東部沿海地區(qū)的總氣溶膠分布最為顯著。根據(jù)圖1，選擇115°E—120°E 經(jīng)度帶分析532 nm 消光系數(shù)廓線，如圖4 所示。由圖4 可見，該地區(qū)總氣溶膠垂直廓線具有以下特征。

圖4 沿115°E—120°E 總氣溶膠消光系數(shù)廓線

1）一般而言，近地面附近消光系數(shù)最大，隨著高度的上升而逐漸減小，表明總氣溶膠濃度隨高度的增加而減小。這是從氣候平均角度得到的結(jié)論，與個(gè)別時(shí)期氣溶膠分層情況顯然不同。

2）顯著的月際變化。3—6 月份，AOD 在一年中處于低值，但由于該時(shí)期對(duì)流活動(dòng)較強(qiáng)，而降水較少，氣溶膠容易向上傳輸，到達(dá)的高度較高，白天消光系數(shù)0.01 km-1值一般能達(dá)到5 km 左右。7—8 月份降水顯著，對(duì)氣溶膠的沖刷作用明顯。9—11 月份對(duì)流活動(dòng)減弱，這些因素均抑制了氣溶膠的向上傳輸。

3）顯著的地區(qū)差異。以消光系數(shù)0.01 km-1為例，如11 月—次年2 月，華南地區(qū)0.01 km-1值在我國(guó)東部達(dá)到的高度最高，而其他月份一般在長(zhǎng)江以北至華北地區(qū)達(dá)到的高度最高。

圖5 格點(diǎn)A 氣溶膠的消光系數(shù)廓線

圖6 格點(diǎn)B 氣溶膠的消光系數(shù)廓線

選擇A、B 兩個(gè)格點(diǎn)進(jìn)一步分析總氣溶膠垂直特征，分別如圖5 和圖6 所示。兩個(gè)地區(qū)氣溶膠所含種類、比例均存在較大不同?？梢钥闯觯鄶?shù)月份，在可信區(qū)域內(nèi)，消光系數(shù)隨高度的增加而迅速減小，但也存在差別。華北地區(qū)，10 月—次年3 月份氣溶膠主要位于3 km 高度以下，4—9 月主要位于4～5 km 以下。另外，3—6 月，2 km 高度以下，氣溶膠消光系數(shù)變化并不大，表明該時(shí)期氣溶膠濃度在近地面到2 km 高度分布比較均勻。7—8 月，大約在近地面到2 km 高度，氣溶膠消光系數(shù)數(shù)值在一年中最顯著，但最大值沒(méi)有出現(xiàn)在近地面，而是在1 km 左右高度。華南地區(qū)，3 月，白天消光系數(shù)最大值出現(xiàn)在3 km左右高度，而夜間出現(xiàn)高度在2.5 km 左右。除3—4月外，該地區(qū)氣溶膠所處的高度主要在4 km 以下。

對(duì)A 和B 兩點(diǎn)總氣溶膠分布進(jìn)行了擬合分析。華北地區(qū)大致在0.76 km 高度以上，華南地區(qū)在1.6 km 高度以上，氣溶膠消光系數(shù)隨高度的增加呈指數(shù)減小，公式分別為EA=0.666e-0.076h、EB=0.3e-0.091h。其中EA、EB分別為A、B 格點(diǎn)消光系數(shù)，km-1；h為垂直高度，km。兩函數(shù)與原始數(shù)據(jù)具有非常高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.99、0.94，并通過(guò)了0.001顯著性檢驗(yàn)。

2.3 沙塵氣溶膠垂直分布

結(jié)合圖2，選擇37°N—39°N 緯度帶分析東亞-北太平洋地區(qū)沙塵氣溶膠532 nm 消光系數(shù)的垂直分布特征，如圖7 所示。由圖7 可見，該地區(qū)沙塵氣溶膠的垂直廓線與我國(guó)東部沿海地區(qū)總氣溶膠的垂直廓線具有相似之處，主要特征如下：

1）從氣候平均來(lái)看，一般近地面附近消光系數(shù)最大，隨著高度上升而逐漸減小。

2）有顯著的月際變化，但具體月際變化特征與總氣溶膠不同。1—5 月份，沙塵活動(dòng)顯著強(qiáng)于其他月份，同時(shí)由于該時(shí)期北太平洋地區(qū)降水較少，沙塵氣溶膠在向該地區(qū)傳輸過(guò)程中，濃度降低的速度并不快，同等高度上，東亞-北太平洋地區(qū)沙塵氣溶膠的濃度梯度不大。其他月份，同等高度上，東亞大陸的沙塵氣溶膠濃度一般顯著高于北太平洋地區(qū)。

圖7 沿37°N—39°N 緯帶沙塵氣溶膠消光系數(shù)廓線

3）不同地區(qū)氣溶膠到達(dá)的高度不同。以消光系數(shù)0.01 km-1為例，東亞大陸所處高度一般在5～8 km之間，而北太平洋地區(qū)除1—5 月在2～4 km 左右外，其他月份一般僅2 km 左右。

通過(guò)C 格點(diǎn)進(jìn)一步研究塔克拉瑪干沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠垂直特征，如圖8 所示?？梢?，在該地區(qū)，11 月—次年2 月，沙塵活動(dòng)較弱，沙塵氣溶膠向上一般僅能到3～4 km；3—4 月以及10 月，沙塵活動(dòng)較強(qiáng)，沙塵氣溶膠向上一般能到5 km 左右；5—9 月，沙塵活動(dòng)在一年中最強(qiáng)，沙塵氣溶膠向上可達(dá)到6 km左右。擬合分析發(fā)現(xiàn)，在可信區(qū)域內(nèi)，大約在2.3～5 km高度之間，消光系數(shù)隨高度的增加幾乎呈線性遞減，公式為EC=-0.0038h+0.1673。該線性函數(shù)與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99，通過(guò)了0.001 顯著性檢驗(yàn)。

圖8 格點(diǎn)C 氣溶膠的消光系數(shù)廓線

3 結(jié)論

度上東亞大陸沙塵氣溶膠濃度一般顯著高于北太平洋地區(qū)。

文中采用6 年（2006—2012）CALIPSO 星載激光雷達(dá)資料，研究了東亞地區(qū)總氣溶膠和沙塵氣溶膠垂直分布特征，并重點(diǎn)對(duì)華北、華南兩個(gè)總氣溶膠高值區(qū)以及塔克拉瑪干沙漠沙塵氣溶膠高值區(qū)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，主要得到以下結(jié)論：

1）西北沙塵源區(qū)與我國(guó)東部沿海地區(qū)是東亞AOD 最顯著的兩個(gè)地區(qū)。從DAOD/AOD 比值來(lái)看，我國(guó)西北絕大部分地區(qū)都在0.5 以上，塔克拉瑪干沙漠在0.8 以上，這些地區(qū)氣溶膠種類以沙塵為主。我國(guó)東部地區(qū)較低，大部分地區(qū)在0.2 以下。

2）從氣候平均來(lái)看，除少數(shù)地區(qū)個(gè)別月份外，東亞-北太平洋地區(qū)氣溶膠濃度最大值出現(xiàn)在近地面附近。

3）在我國(guó)東部沿海地區(qū)，一定高度以上，總氣溶膠消光系數(shù)隨高度的增加總體上呈指數(shù)減小，而氣溶膠所到達(dá)的高度具有顯著的月際變化和地區(qū)差異。

4）在我國(guó)西北沙塵源區(qū)，大致在近地面至對(duì)流層中層高度，沙塵氣溶膠消光系數(shù)隨高度增加幾乎呈線性遞減。

5）在中緯度地區(qū)，亞洲沙塵氣溶膠跨北太平洋傳輸在1—5 月份較強(qiáng)。同等高度上，東亞-北太平洋地區(qū)沙塵氣溶膠濃度差異不大，而其他月份，同等高