基于Calipso衛(wèi)星數(shù)據(jù)探測(cè)的汾渭平原氣溶膠垂直分布特征

李卿

摘要 基于激光雷達(dá)Calipso的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從散射力、尺度和規(guī)則性等方面分析汾渭平原氣溶膠垂直分布。結(jié)果表明，從2009年10月到2019年10月，在532nm波長(zhǎng)處的總消光反向散射系數(shù)的垂直分布表明，隨著海拔的升高，氣溶膠的氣溶膠散射系數(shù)逐漸降低，在距離0～2km的大氣中，相對(duì)規(guī)則的粒子相對(duì)較多，而在距離6～8km的大氣中，大多為最不規(guī)則的粒子。色比可以反映顆粒的尺寸。從0-10km高度層中色比的頻率分布可以看出，顏色比率的總體變化很小。

關(guān)鍵詞 激光雷達(dá)Calipso;氣溶膠;垂直分布;衛(wèi)星數(shù)據(jù)探測(cè);汾渭平原

中圖分類號(hào)：P405

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-3305（2021）02-146-02

Calipso是NASA和CNES太陽(yáng)軌道地球偵察衛(wèi)星。Calipso能探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度跨度達(dá)到6個(gè)量級(jí)，覆蓋地面以上30～35km的無(wú)氣溶膠情況下散射的信號(hào)。衛(wèi)星飛行的Calipso采用了偏振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋。它是時(shí)間上首個(gè)應(yīng)用型的星載云和氣溶膠激光雷達(dá)，并具有3個(gè)通道（1064mm、532mm垂直及平行通道）以便接受這些通道的后向散射信號(hào)。Calipso還提供532nm體積退偏比的垂直廓線，其為該光波段垂直后和平信后向的散射強(qiáng)度比值。一般比值越大則被測(cè)顆粒越不規(guī)則;比值越小，則更越規(guī)則。Calipso還提供了色比值，顏色比是1064nm的后向散射強(qiáng)度與532mm總后向散射強(qiáng)度之比。通過(guò)顏色比能夠識(shí)別顆粒的大小。顏色比越大，顆粒越大。

大氣氣溶膠是懸浮在氣體中的固體和（或）液體微粒與氣體載體組成的多相體系。大氣的許多現(xiàn)象和過(guò)程都和它密切相關(guān)，如大氣能見(jiàn)度、云霧形成、臭氧光化學(xué)反應(yīng)、輻射傳輸?shù)?。它?duì)環(huán)境與氣候變化研究、空間對(duì)地遙感的大氣訂正等都具有重要意義大氣中的氣溶膠粒子是由自然過(guò)程和人為活動(dòng)兩部分所造成的。自然過(guò)程形成的氣溶膠包括火山和宇宙塵埃、海水飛沫、花粉與種子、沙塵粒子、巖石風(fēng)化等;人為氣溶膠是由人類生產(chǎn)生活和社會(huì)活動(dòng)等直接排放到大氣中的各種微粒，或者排放的污染氣體（或稱氣溶膠前體物）在大氣中經(jīng)過(guò)一系列物理化學(xué)過(guò)程轉(zhuǎn)化形成的。在中部，汾渭盆地北部河流一路沿黃土高原向北侵蝕，至120萬(wàn)年前便與河套盆地相連，今日劃分陜西、山西兩省的晉陜黃河由此現(xiàn)身。近年來(lái)由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，再加上汽車尾氣排放、化石燃料燃燒等使得大氣氣溶膠排放顯著增加，城市空氣質(zhì)量受到較大的威脅，對(duì)區(qū)域環(huán)境和氣候也造成巨大的影響。因此，研究該地區(qū)氣溶膠的垂直分布特征能夠?yàn)樾l(wèi)星遙感在區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)的適用性和在空氣污染過(guò)程中的應(yīng)用以及在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和控制方面提供科學(xué)性參考。

1資料與方法

采用汾渭平原2009年10月到2019年10月期間Calipso衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析。大氣化學(xué)中利用MODIS、Calipso等數(shù)據(jù)反演氣溶膠，后向散射信號(hào)的正交極化分量，其中儀器定標(biāo)好，能夠?yàn)榉囱菥忍峁┯行ПＷC。具體公式如下。

式中，T2（z）表示雙向大氣透過(guò)率。

2結(jié)果

2.1汾渭平原氣溶膠總體變化趨勢(shì)利用Calipso可以研究環(huán)境監(jiān)測(cè)、追蹤污染物的傳輸路徑;可以在全球識(shí)別氣溶膠類型，為評(píng)估區(qū)域及全球氣候變化提供觀測(cè)依據(jù);還可以開(kāi)展極地平流層的識(shí)別，為極地氣候及環(huán)境變化提供有力的科學(xué)依據(jù)。開(kāi)展全球海表風(fēng)速的預(yù)估，為海洋安全作業(yè)提供潛在的指導(dǎo)全球海表風(fēng)速的預(yù)估;可以進(jìn)行全球海洋葉綠素變化檢測(cè)，研究云和氣溶膠的相互作用。本研究利用Calipso技術(shù)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別云-氣溶膠的混合類型，分析汾渭平原氣溶膠垂直分布特征。軌道為太陽(yáng)同步軌道，軌道高705km，傾角為98.05°，升交點(diǎn)地方時(shí)為13：30本文使用550mm范圍內(nèi)的MODIS3級(jí)網(wǎng)格數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MOD08，版本COS1）AOD（海洋（最佳）和陸地（校正后：平均）的0.551氣溶膠光學(xué)深度）以及來(lái)自2009-2014從MODISL3水平的月平均值獲得的一系列溶膠（AOT）光學(xué)厚度的年平均值。可以看出，汾渭平原從2009年10月到2019年10月的AOD值，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在2011年達(dá)到最大值。

2.2汾渭平原氣溶膠垂直分布特征

2.2.1散射系數(shù)的垂直分布隨著海拔的升高，氣溶膠的氣溶膠散射系數(shù)逐漸減小，而在下層（0～2km）為最高海拔26.8%，8～10km處的氣溶膠散射系數(shù)最低頻率為10.1%，表明低層大氣（0～2km）的氣溶膠含量最高，散射效應(yīng)最高。

從各高度內(nèi)532m總消光后向散射系數(shù)頻率分布來(lái)看，在24km，0-86、8%～45%和45%～100%的值分別為20.6，24.2，2.8;在46km，08%、8%459%6和459%～10096的值分別為23.2，20.6，13.5;在68km，08%6、8%～45%和45%～100%的值分別為23.8、18.3、115：在8～10km，0-8%6、8%45%和45%1009%的值分別為153、0.1、4.6。

2.2.2氣溶膠體積退偏比垂直分布體積退偏比是用于區(qū)分規(guī)則形狀的顆粒（球形或近似球形的氣溶膠）和不規(guī)則形狀的顆粒（非球形氣溶膠）的量度。在距離02km的大氣中，規(guī)則顆粒相對(duì)較多，而在距離68km的大氣中，多為最不規(guī)則的顆粒，這主要是由于在較低的大氣層和較高的相對(duì)濕度下的復(fù)雜過(guò)程。由于排放物，氣溶膠將繼續(xù)吸收水，并進(jìn)行形態(tài)變化，一些氣溶膠會(huì)將原始的不規(guī)則幾何形狀更改為更接近球體的形狀，因此，在較低的大氣層中將有更多一般分布的粒子。

2.2.3色比的垂直分布色比可以反映顆粒的尺寸。在0～10km高度層中，由顏色比率的頻率分布可以看出，可以看出，色比的總體變化很小。在0～2km的范圍內(nèi)，頻率隨著色比的增加而出現(xiàn)，存在先升高后降低的趨勢(shì)。除了高度為8～10km的層外，每個(gè)高度層的色比的頻率變化范圍較小，在高度為0-8km的層中，隨著色比的增加，頻率降低，并且色彩比為02km的頻率比其他大氣中的頻率高得多。由此可以看出，在汾渭平原的下層（0-2km），各種尺寸的顆粒最大。大氣的色比在8～10km變化很大，當(dāng)色比為1.16時(shí)出現(xiàn)最大值，這表明大氣中有相對(duì)較大的直徑的粒子。

2.3汾渭平原氣溶膠垂直分布的季節(jié)特征

所選的Calipso數(shù)據(jù)分為4個(gè)季節(jié)：春季（3～5月），夏季（6～8月），秋季9～11月）和冬季（12～2月），其中15個(gè)數(shù)據(jù)是春季。夏季12個(gè)數(shù)據(jù)，秋季13個(gè)數(shù)據(jù)，冬季13個(gè)數(shù)據(jù)。表2、表3和表4分別列出了粒子后向散射系數(shù)，體積去極化系數(shù)和色比的季節(jié)性頻率分布。在每個(gè)季節(jié)中，B532值在0～10）×10+km范圍內(nèi)具有最高的累積頻率，表明每個(gè)季節(jié)中空氣分子的比例最高。散射系數(shù)在10x1050×10-4km'sr2范圍內(nèi)時(shí)，夏季的累積頻率最高，為28.0%，其次是春季的26.8%，秋季的累積頻率，而冬季則少于26%綜上，汾渭平原在夏季的氣溶膠擴(kuò)散最強(qiáng)，其次是春季，而在秋季和冬季則較少。春季和秋季的累積VDR頻率在0-0.，2范圍內(nèi)比冬季和夏季的低，而秋季的累積頻率最低。但是，在這4個(gè)季節(jié)范圍內(nèi)的累積VDR頻率超過(guò)70%，這表明盡管所有4個(gè)季節(jié)都是常規(guī)粒子，但與夏季和冬季相比，常規(guī)粒子較少，而在春季和秋季則較少。在00.6范圍內(nèi)，CR的冬季累積頻率最高，為44.1%，其次是夏季、秋季和春季，這3個(gè)季節(jié)的累積頻率相差不大，為41.0%。

3討論

利用激光雷達(dá)技術(shù)Calipso的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并匯總以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，汾渭平原大氣的散射能力會(huì)隨著高度的增加而降低。春季，汾渭平原大氣中形狀不規(guī)則且大顆粒的比例高于其他季節(jié)，這主要是由于春季我國(guó)北部頻繁發(fā)生沙塵。由于春季沙塵的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，夏季時(shí)的顆粒更規(guī)則、更細(xì)，這主要是由于在夏季風(fēng)和降水的影響下，較高的相對(duì)濕度和較高的溫度使光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生更多的次級(jí)氣溶膠。在秋季，不規(guī)則和較大的顆粒較多。而在冬季，規(guī)則和較小的顆粒的比例相對(duì)較高。

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責(zé)任編輯：黃艷飛