西北地區(qū)一次典型沙塵過程中氣溶膠垂直分布和來源分析

劉 洋，徐 娟，孔小怡，張春燕

(甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，蘭州 730020)

沙塵天氣具有極強的危害性，對氣候和環(huán)境產(chǎn)生了非常嚴重的影響。沙塵過程不僅加速了土壤的沙漠化，而且也污染了空氣，直接危害人們的健康[1-3]。沙塵是大氣氣溶膠的主要類型，排放到環(huán)境中的氣溶膠可以導致地-氣系統(tǒng)的輻射失衡，同時也可使周圍環(huán)境的溫度發(fā)生變化，間接改變水循環(huán)和熱力結構；此外，人為排放或者輸送過來的氣溶膠還可以影響空氣質量和大氣環(huán)境，使城市的能見度下降，霧霾現(xiàn)象增多。因此，對氣溶膠垂直特征和輸送過程的探究是非常有必要的[4-5]。CALIPSO(cloud-aerosol lidar and infrared pathfinder satellite observations)衛(wèi)星是2006年4月28日發(fā)射的，其攜帶了雙偏振激光雷達，可以在光亮地表、薄云及任何條件下有效提供垂直面上不同分層的氣溶膠分布特性。目前，CALIPSO衛(wèi)星數(shù)據(jù)在氣溶膠-輻射-云等研究方面應用比較普遍。白冰等[6]以衛(wèi)星資料、太陽光度計和地面氣象站資料為數(shù)據(jù)源，分析了中國西北地區(qū)的一次沙塵天氣，發(fā)現(xiàn)此次沙塵過程是由氣旋引起的，沙塵的產(chǎn)生則是由冷鋒過境引起的。許瀟鋒等[7]以垂直特征層(vertical feature mask，VFM)、CALIPSO氣溶膠廓線作為基礎數(shù)據(jù)，對華北區(qū)域的氣溶膠垂直特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)沙塵和污染沙塵的占比較高；同時，季節(jié)性分析結果表明，春天沙塵天氣最多，夏天和秋天中一般發(fā)生的是污染沙塵，冬天兩種沙塵都存在。賈瑞等[8]使用最新發(fā)布的CALIPSO產(chǎn)品，分析了10年的中國沙塵氣溶膠的三維特性，結合HYSPLIT-4模式和再分析數(shù)據(jù)，討論了沙塵的三維輸送過程，發(fā)現(xiàn)中國的沙塵排放源區(qū)主要是塔克拉瑪干沙漠和巴丹吉林沙漠。吳浩等[9]以MERRA-2再分析資料和CALIPSO星載激光雷達作為基礎數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了青藏高原等地區(qū)沙塵氣溶膠垂直特性和輸送特征。CALIPSO觀測顯示，塔克拉瑪干沙漠是導致青藏高原上空出現(xiàn)沙塵的主要因素，傳輸量春季最大，秋、冬最小。

本文利用CALIPSO衛(wèi)星星載激光雷達數(shù)據(jù)、MERRA-2再分析資料及GDAS(global data assimilation system)氣象數(shù)據(jù)，采用聚類分析和根據(jù)氣溶膠雷達比的分類方法，研究2020年4月9日甘肅酒泉地區(qū)一次沙塵天氣在傳輸過程中沙塵氣溶膠的垂直分布特性和來源。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

CALIPSO是一顆太陽同步軌道衛(wèi)星[10-12]，每天分別在01：30和13：30過境一次，平均每16天循環(huán)一次，CALIPSO衛(wèi)星攜帶的雙偏振激光雷達(CALIPO)能夠在多種條件下觀測到氣溶膠垂直分布情況，比如光亮表面、天氣晴朗及薄云等。可以在較大的范圍內(nèi)檢測沙塵傳輸過程中的垂直特征。目前，CALIPSO衛(wèi)星裝載的激光雷達有兩種，波長分別為532 nm和1 064 nm，隨著CALIPSO衛(wèi)星不間斷運轉，在82°N～82°S區(qū)間內(nèi)，不斷采集氣溶膠和云在532 nm和1 064 nm兩個通道上的衰減散射。CALIPSO關鍵的產(chǎn)品有Level 1B和Level 2 VFM 兩種，表1描述了CALIPSO Level 1B 產(chǎn)品的空間分辨率。是新一代研發(fā)的MERRA數(shù)據(jù)，它使用了最新的GEO-5(goddard earth observing system，V5)數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，涉及的資料種類非常廣泛，MERRA-2數(shù)據(jù)始于1980年，它在緯度層面有361個格點，在經(jīng)度層面有576個格點，空間分辨率為0.5°×0.625°，時間分辨率為3 h，從地面到0.01 hPa共有72個氣壓層。MERRA-2數(shù)據(jù)涵蓋了多種氣溶膠類型[14-15]，主要有黑炭、沙塵、硫酸鹽等。本文利用MERRA-2 550 nm沙塵氣溶膠日平均數(shù)據(jù)分析2020年4月9日甘肅酒泉及其周邊地區(qū)沙塵氣溶膠的時空分布特征。

表1 CALIPSO Level 1B 數(shù)據(jù)產(chǎn)品分辨率

MERRA(modern-era retrospective analysis for research and applications)是美國宇航局(NASA)研發(fā)的一套再分析資料。 MERRA-2[13]

GDAS系統(tǒng)是由美國國家環(huán)境預報中心提供的，用于將數(shù)據(jù)添加到一個網(wǎng)格化的三維模型空間，以便用觀測數(shù)據(jù)初始化天氣預報。GDAS數(shù)據(jù)的時間分辨率為6 h，即6 h記錄一次，分別為00:00，06:00，12:00和18:00，采用世界標準時間(UTC)，其空間分辨率為1°×1°，涵蓋的氣象要素有溫度、水平風速、垂直風速等。本文主要利用GDAS數(shù)據(jù)進行后向軌跡聚類分析[16]。

1.2 方法

CALIPSO提供了顆粒退偏振比(particulate depolarization ratio，PDR)、色比(color ratio，CR)、消光系數(shù)(extinction coefficient)和總后向散射系數(shù)(total backscatter coefficient)等[7]。退偏振比被定義為532 nm的垂直方向與水平方向上的后向散射系數(shù)的比率，即

體現(xiàn)的是氣溶膠的不規(guī)則性。一般氣溶膠的退偏振比接近于0，顆粒的不規(guī)則性隨著退偏振比的增大而增大，因此，氣溶膠粒子的存在性可以通過退偏振比進行驗證。有研究表明[17]，沙塵氣溶膠的退偏振比區(qū)間是0.06～0.35，當退偏振比的值超過0.1時，則表明已構成了沙塵天氣。以0.06為界限來判別沙塵氣溶膠和其他氣溶膠。

將1 064 nm的后向散射系數(shù)與532 nm總后向散射系數(shù)之比稱為色比，即

色比可以反應出氣溶膠粒子的大小特征。其比值與粒子的大小成正相關，即粒子隨著比值的增大而增大。式中，z表示的是探測高度，β532T(z)表示總后向散射系數(shù)，是垂直β532⊥(z)和平行β532//(z)后向散射系數(shù)之和。沙塵氣溶膠的色比在0.3～1.5之間，大部分聚集在0.8附近。煤煙型氣溶膠的色比大部分聚集在0.35附近[18]；因此，需要結合退偏振比來鑒別氣溶膠的類型，當退偏振比超過0.06時，則沙塵氣溶膠占主要成分。當色比值偏高時，則可判定是煤煙型氣溶膠；如果滿足色比值偏大，退偏振比值極小時，則可判定主要是混合型氣溶膠。

CALIPSO Level 2垂直特征層分布數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要用來輸出特征層的判別信息，用來區(qū)分氣溶膠的子類，氣溶膠類型是通過激光雷達信號進行區(qū)分的，通常將其劃分為六個類別，氣溶膠分類結果及方法見表2。

表2 CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)集氣溶膠分類

1.3 后向軌跡聚類分析

TrajStat是Meteinfo軟件中的一個插件，它的核心是模擬氣團的運行軌跡，然后對氣團產(chǎn)生的軌跡進行聚類分析，在軌跡文件中引入觀測數(shù)據(jù)，利用此文件確認他們的污染源區(qū)及軌跡[19]。本文引入了TrajStat插件，采用其中的歐式聚類算法對研究區(qū)段的氣團軌跡進行聚類。

2 結果與分析

2020年4月9日，我國西北地區(qū)有著明顯的沙塵過程，CALIPSO衛(wèi)星運行軌跡經(jīng)過該區(qū)域(圖1)，因此，對此次沙塵過程垂直特性的研究通過CALIPSO衛(wèi)星數(shù)據(jù)完成。

圖1 2020-04-09 CALIPSO衛(wèi)星軌跡

以2020年4月9日沙塵過程作為研究對象，給出了CALIPSO衛(wèi)星532 nm激光總后向散射系數(shù)的垂直剖面圖(圖2)和氣溶膠種類分類圖(圖3)。有研究結果表明[20]：當后向散射系數(shù)的值分布在0.000 1～0.000 8之間，則該粒子被定義為氣體分子；當后向散射系數(shù)位于0.000 1～0.004 5之間，則可以判定該粒子是氣溶膠；當后向散射系數(shù)值位于0.004 5～0.1之間，則該粒子被認為是云。由圖2可知，在39°N左右，地面至4 km高度存在大量的氣溶膠粒子，粒子數(shù)密度比較高，分布極不均勻，在4～8 km的范圍內(nèi)，粒子分布均勻，但是粒子數(shù)密度比地面至4 km高度范圍內(nèi)小很多。結合圖3可以進一步的判斷該地區(qū)的氣溶膠粒子主要為沙塵氣溶膠。

圖2 2020-04-09 532 nm激光總后向散射系數(shù)(單位為(km·sr)-1)的垂直剖面圖

圖3 2020-04-09 532 nm氣溶膠分類

圖4、圖5分別為該星下點時酒泉的退偏振比和色比圖，由圖可知，在地面至4 km高度的范圍內(nèi)，酒泉地區(qū)的退偏振比值在0.1～0.4之間，色比值在0.5～0.8之間，說明酒泉地區(qū)在這個時間段是沙塵天氣，類型為沙塵氣溶膠，并且在地面至4 km的范圍內(nèi)， 退偏振比和色比變化均比較明顯，呈不均勻分布。通過查看酒泉氣象站當時的實況記錄，2020年4月9日發(fā)生了浮塵天氣，能見度為4 485 m，表明分析結果與實況相符。

圖4 2020-04-09 CALIPSO衛(wèi)星532 nm顆粒退偏振比

圖5 2020-04-09 CALIPSO衛(wèi)星532 nm顆粒色比

相比于其他衛(wèi)星，CALIPSO衛(wèi)星的最大的優(yōu)勢是能夠提供氣溶膠垂直分布特征的數(shù)據(jù)。繪制此次沙塵過程的消光系數(shù)廓線(圖6)，根據(jù)消光系數(shù)的垂直分布可知，這次過程中沙塵主要分布在0～2 km，消光系數(shù)最大為0.2 km-1左右，這說明沙塵與低層大氣污染粒子混合，增大了消光系數(shù)；2 km以上消光系數(shù)與海拔高度成反比，即高度越大，消光系數(shù)越小，呈非線性減小。

圖6 2020-04-09酒泉沙塵過程 CALIPSO衛(wèi)星消光系數(shù)廓線

后向軌跡聚類是將一段時間內(nèi)的后退氣團軌跡按照一定方法進行分類歸納。將聚類結果與污染物質量濃度數(shù)據(jù)結合分析，聚類分析主要用于分析目標地點的氣團的來向構成以及占比。使用Meteoinfo軟件分析此次酒泉沙塵過程的來源，以酒泉地區(qū)為目標點向后72小時進行軌跡模擬，氣團的起始高度設置為1 000 m，并將后向軌跡結果進行聚類分析(圖7)，結果發(fā)現(xiàn)主要的軌跡有3條，來自酒泉西北方向的2條，占比分別約為21%和44%，來自酒泉東北方向的占比約為35%。氣溶膠光學厚度是氣溶膠最基本的光學特性之一，表征大氣渾濁度的物理量，可以在一定程度上反映大氣的污染程度。氣溶膠光學厚度的值較大時，表示大氣中的氣溶膠較多，反之，能見度大。從MERRA-2沙塵氣溶膠光學厚度區(qū)域分布(圖8)可以看出，這次沙塵過程起源于新疆，并且向東傳輸影響酒泉地區(qū)。

圖7 2020-04-09酒泉沙塵后向軌跡聚類分布圖

圖8 2020-04-09 MERRA-2沙塵氣溶膠光學厚度分布(審圖號為GS(2020)4632號)

3 結論

利用CALIPSO衛(wèi)星星載激光雷達數(shù)據(jù)、MERRA-2再分析資料和GDAS氣象數(shù)據(jù)，分析2020年4月9日甘肅酒泉地區(qū)沙塵天氣的產(chǎn)生和傳輸過程及沙塵氣溶膠的垂直分布特性和傳輸路徑，形成如下結論。

(1)CALIPSO衛(wèi)星監(jiān)測到此次沙塵的出現(xiàn)，沙塵氣溶膠分布在地面至4 km的海拔高度區(qū)間，退偏振比值分布在0.1～0.4之間，色比值分布在0.5～0.8之間，粒徑較大的粒子大多出現(xiàn)在地面附近，相對較小的粒子出現(xiàn)在對流層中高層，且分布隨高度變化比較均勻。

(2)此次沙塵天氣主要出現(xiàn)在2 km以下，消光系數(shù)最大為0.2 km-1左右，2 km以上消光系數(shù)隨高度增加呈非線性減小，表明沙塵與底層的污染粒子進行了混合，增大了消光系數(shù)。

(3)使用Meteoinfo軟件分析沙塵軌跡并進行聚類分析，從顯示結果可知，沙塵主要軌跡有3條，來自酒泉西北方向軌跡數(shù)2條，占比約為65%，來自酒泉東北方向的1條，占比約為35%。結合沙塵氣溶膠光學厚度分布可知，此次沙塵過程是西北路徑，起源于新疆且主要向東傳輸，從而影響到酒泉地區(qū)。