杭州市大氣氣溶膠光學厚度研究

齊 冰,杜榮光,于之鋒,周 斌

(1.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051；2.杭州師范大學遙感與地球科學研究院,浙江 杭州 311121)

杭州市大氣氣溶膠光學厚度研究

齊 冰1*,杜榮光1,于之鋒2,周 斌2

(1.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051；2.杭州師范大學遙感與地球科學研究院,浙江 杭州 311121)

利用2011～2012年杭州國家基準氣候站內太陽光度計(CE-318)觀測資料,分析杭州市氣溶膠光學厚度(AOD)和Angstrom波長指數(α)的變化特征.結果表明,2011～2012年杭州市AOD500nm年平均值為0.86±0.47,α440~870nm年平均值為1.25±0.23.AOD季節變化特征不明顯,主要與該地區天氣形勢以及內外源影響密切相關.α季節變化差異也不大,受北方帶來的沙塵氣溶膠影響,春季α略偏低.AOD呈現單峰型日變化特征,峰值出現在15：00,谷值出現在06：00,午后AOD明顯升高主要與強烈的太陽輻射引起光化學反應產生的二次氣溶膠以及近地層氣溶膠在湍流輸送作用下向城市上空擴散有關.從頻率分布來看,AOD和α頻率分布均呈現明顯的單峰特征,并且較好的符合對數正態分布.α在高值區間1.1～1.7出現頻率為77.8%,表明杭州市以平均半徑較小的氣溶膠粒子為主,屬于城市-工業型氣溶膠類型.杭州市AOD的高值(>1.0)主要表現為粗模態氣溶膠以及細模態氣溶膠的吸濕增長.

太陽光度計；氣溶膠光學厚度；Angstrom波長指數；杭州

大氣氣溶膠在全球和區域氣候變化的研究中扮演著十分重要的角色[1].它通過吸收和散射太陽的長波和短波輻射,直接影響地氣系統的能量收支平衡,并且可以充當云的凝結核影響云的形成和消散,間接影響全球和區域氣候變化[2-3].已有研究表明,氣溶膠粒子可能會導致全球或區域的變暗[4],改變區域降水[5]以及對能見度產生影響[6].雖然氣溶膠的濃度和光學特性是評估和預測全球氣候變化中眾多不確定性因素之一[7].但是,氣溶膠光學厚度(AOD)和Angstrom波長指數(α)是氣溶膠光學特征2個基本的光學參數,也是研究氣候變化的關鍵因素[8].

在氣溶膠光學特性研究中,地基遙感被認為是精度較高的方法[9],并且常用于衛星產品的檢驗[10-11].目前,最廣泛的地基反演是由美國國家宇航局(NASA)在全球建立的氣溶膠觀測網絡(AERONET),主要是利用CE-318太陽光度計在全球范圍內獲取具有區域代表性的氣溶膠光學特性參數,為氣溶膠研究提供了寶貴的資料.我國許多學者利用AERONET資料分析了氣溶膠光學特性的時空分布特征[12],氣溶膠光學厚度和Angstrom波長指數的季節變化[13]以及氣溶膠單次散射反照率和粒子譜等特性[14-15].我國除了少量的 AERONET站外,還由中國氣象局建立的CARSNET[16]和中國生態系統研究網絡大氣科學分中心建立的CSHNET[17].這些聯合觀測網絡為全面研究我國區域大氣氣溶膠特性提供了重要的數據支撐.劉玉杰等[18]、劉曉云等[19]、劉菲等[20]利用太陽光度計分別對銀川、敦煌以及內蒙古地區沙塵氣溶膠的光學厚度進行反演和研究.王躍思等[21]、Xin等[22]利用CSHNET觀測網絡分析了 2004～2005年中國典型地區大氣氣溶膠的光學厚度、Angstrom波長指數等光學特性及其時空分布狀況.

杭州市是長江三角洲重要的中心城市之一,也是中國東南部的交通樞紐.隨著經濟的快速發展,城市化進程的加快,杭州城市氣溶膠不斷增加,由此引發的能見度下降以及空氣質量問題愈發引起關注.陳然等[23]利用1年的觀測資料對杭州地區氣溶膠光學特性進行了初步分析.本文主要利用 CE-318太陽光度計長時間序列觀測資料,反演獲得了杭州市氣溶膠光學厚度,同時計算了α.在此基礎上,詳細分析了該地區 AOD和 α的月、季變化及日變化特征,探討了AOD和α的頻率分布及其之間的關系.這有利于加深對該地區氣溶膠特性的認識,了解人為源排放對本地氣溶膠特性產生的影響,同時也減小該地區氣溶膠對環境和氣候效應的不確定性.

1 資料與方法

采用法國CIMEL公司生產的CE-318型自動跟蹤掃描太陽光度計,濾光片中心波長分別為340,380,440,500,670,870,936,1020,1640nm,各波段帶寬為 10nm.儀器的視場角為 1°,太陽跟蹤精度小于 0.1.因為 936nm波段具有較強的水汽吸收,所以主要用來反演大氣中的水汽含量;其余波段主要是利用太陽直射輻射的測量值,采用統一的反演算法計算得出AOD.采用Langley法對太陽光度計進行標定,每年標定一次,方法原理可以參考文獻[24].本研究的數據資料采用 ASTPwin軟件對數據進行云處理后Level 1.5的氣溶膠反演產品.根據Che等[25]研究,ASTPwin軟件計算得出的 AOD值比 AERONET在 440,670,870, 1020nm分別高出0.01,0.01,0.01,0.03.可以近似認為兩者結果一致.

本研究采用的CE-318自動跟蹤掃描太陽光度計安裝在杭州國家基準氣候站內(120°10′E, 30°14′N),海拔高度 41.7m,周圍無建筑物阻擋,視野開闊,觀測站點西面緊鄰西湖,其余方向被密集的城市建設群包圍.氣溶膠主要來源于交通和居民的生產生活,因此觀測結果主要反映城市氣溶膠狀況.所使用的數據時段為2011年1月～2012年12月.利用ASTPwin軟件共獲取8626條Level 1.5數據資料,共計365d.2011年1～12月有記錄的天數分別為 11,8,17,23,16,9,18,18,18,8,13,11d; 2012年1～12月有記錄的天數分別為7,9,14,17,18, 13,25,19,17,24,16,16d.其中2011年1～2月、2011年10月～2012年2月由于云出現頻率較高造成AOD的觀測日數偏少.而2011年和2012年6月份AOD觀測日數較少主要是由于杭州正處于梅汛期,降水日數偏多.

AOD描述了氣溶膠對光的衰減,是氣溶膠消光系數在垂直方向上的積分.當氣溶膠粒子滿足Junge分布時,大氣氣溶膠光學厚度τ(λ)與波長 λ關系滿足以下公式∶

式(1)中,λ是觀測波段的波長; τ(λ)是對應波長氣溶膠光學厚度;β是 Angstrom 混濁系數;α為Angstrom波長指數[26].一般情況下0<α<2,較小的α代表大粒徑氣溶膠為主控粒子;相反,較大的 α代表小粒徑為主控粒子.本研究主要采用AOD500nm和α440-870nm的結果.

2 結果與討論

2.1 AOD和α的月、季變化

由圖1可見,杭州市AOD月平均值3月最高,為1.06±0.42;7月最低,為0.69±0.64.AOD在7～10月和11～次年3月呈現逐漸增加趨勢.3～7月大致呈現下降趨勢,其中AOD均值在6月出現了小幅回升,主要是由于6月杭州進入梅汛期,空氣中具有較為充沛的水汽含量,月平均相對濕度一年中最高.因此在較高相對濕度情況下,氣溶膠吸濕增長可以使AOD顯著增加[27].

圖1 AOD和α月平均值Fig.1 Monthly means of AOD and α

由圖2可見,杭州市AOD均值季節變化主要表現為冬季(0.92±0.38)和春季(0.92±0.43)略高于秋季(0.88±0.44)和夏季(0.75±0.57).從不同分位數變化可以看出,AOD75th的數值在不同季節相差不大,在1.0～1.25之間.而AOD25th、中位數數值在夏季遠低于其他季節,同時 AOD的最大值和最小值均出現在夏季,此外四分位間距也是夏季最高.由此可見,杭州市夏季 AOD的變化幅度非常劇烈.

杭州市春季容易受到北方沙塵天氣南下或是局地污染源的影響[28],大氣中氣溶膠粒子長時間滯留容易造成春季 AOD的增加.夏季隨著氣溫升高,空氣中含水量也逐漸增加,在高溫高濕條件下加快氣溶膠的氣-粒轉化過程,增加了氣溶膠的形成能力,使城市氣溶膠產生了積聚效應[29].此外,夏季太陽輻射強烈,大氣光化學反應活躍,有利于二次氣溶膠的形成.因此夏季濕熱的天氣條件是造成 AOD高值的另一重要原因.而城市周邊農作物夏季秸稈燃燒產生的污染物對AOD也會有一定影響.秋季和冬季主要受大陸高壓系統控制,大氣層結穩定,逆溫出現頻率高,污染物擴散條件差,氣溶膠主要來自于局地人為源排放且濃度相對較高[30],因此會導致AOD增加,特別是在霧霾天氣影響較為嚴重時期,AOD會出現明顯上升[31].由此可以看出,杭州市AOD值四季都處于較高濃度水平,且季節變化特征不明顯,主要與該地區天氣形勢以及內外源影響密切相關.

圖2 AOD季節變化Box-Plot圖Fig.2 Box plot of seasonal variations of AOD

從α逐月變化可以看出(圖1),α最小值出現在 4月,為 1.09±0.20;最大值出現在 10月,為1.38±0.15.除了4月和7月外,α在其余月份均高于1.20,并且從9月至次年2月月均值變化范圍很小,在1.29～1.34之間.由圖3可見,α季節變化主要表現為秋季(1.32±0.23)和冬季(1.31±0.18)大于夏季(1.24±0.21)和春季(1.17±0.24).杭州市α季節變化特征與上海浦東的研究結果相一致[27].杭州市春季α相對較低,可能受北方沙塵粒子遠距離輸送影響.盡管如此,Eck等[12]研究表明,當α大于 0.8時,即使在春季,氣溶膠中混合了粗粒子模態的沙塵氣溶膠,人口密集的城市依然以細粒子占居主導,進而影響AOD變化.由圖3可以看出,杭州市各個季節α的25th均都遠大于0.8,說明杭州市主要以粒徑較小的氣溶膠粒子為主控模態.這也與長江三角洲地區污染物主要是由人為源排放以及光化學反應產物有關[32].

圖3 α季節變化Box-Plot圖Fig.3 Box plot of seasonal variations of α

2.2 AOD日變化

圖4 AOD日變化Fig.4 Daily variation of AOD

圖4給出2011～2012年杭州市AOD日變化,07∶00和 18∶00由于小時樣本數較少(N≤30),故未加入統計.由圖4可見,杭州市AOD大體呈現單峰變化特征,下午高于上午,峰值出現在15∶00,為 0.93±0.61;谷值出現在 06∶00,為 0.68± 0.43.早、晚高峰時期AOD值也非常接近,在0.80左右. AOD在07∶00～10∶00略微呈現增加趨勢主要是由于日出之后,人類活動開始活躍,伴隨上班早高峰的出現,人為排放的氣溶膠逐漸增加,與此同時低層大氣通常出現逆溫,大氣層結也較穩定,不利于污染物的擴散.中午前后,由于太陽輻射的不斷加強,大氣層結變得越來越不穩定,近地層氣溶膠在湍流輸送作用下向城市上空擴散,加之午后由于強烈的太陽輻射引起光化學反應活躍,增加二次氣溶膠的生成.因此AOD在11∶00～15∶00出現較為明顯的增加過程.臨近傍晚,大氣層結開始逐漸趨于穩定,邊界層高度降低,同時伴隨著下班晚高峰,人類活動產生的氣溶膠再次得到集中釋放,因此AOD依然維持在高位.

2.3 杭州市AOD與其他城市比較

2011～2012年杭州市 AOD500nm年平均為0.86±0.47,是我國AOD高值地區之一.從表1可以看出,杭州市AOD與北京、鄭州等地區非常接近,基本處于同一水平.同時發現,長江三角洲地區AOD普遍較高,即便是臨安區域背景站,AOD依然沒有表現出明顯的差異,主要是由于長江三角洲是中國典型工業區域之一,人口密集,人為活動排放產生的大量污染物導致環境污染非常嚴重.與龍鳳山區域背景站的 AOD觀測相比,杭州市AOD值約為龍鳳山的2.7倍.龍鳳山位于中國東北地區國家森林公園內,生態環境良好,附近沒有工業污染源,且人口也較少,因此AOD較小.這也反映出經濟發達地區城市上空大氣氣溶膠負載量明顯增加.

表1 我國部分地區CE-318氣溶膠光學厚度觀測結果比較Table 1 AOD observed by CE-318at some other sites in China

2.4 AOD和α的頻率分布

由圖5可見,杭州市AOD出現頻率主要區間在0.2～1.2之間,占總樣本的76.7%;其中AOD出現頻率最高區間為0.4～0.6,占總樣本的20.3%;次高區間為0.6～0.8,占總樣本的19.2%.而AOD在極端清潔值區間 0～0.2的出現頻率很低,僅占總樣本的2.7%.這表明區域的人為源氣溶膠占有很大比例.圖5還反映出杭州市AOD頻率分布呈現明顯的單峰分布特征,并且較好的符合對數正態分布.類似的分布特征在 O’Neill等[39]研究中同樣被證實.參考湯潔等[40]分析方法,最大出現頻率所對應的數值(即對數正態分布的平均值)可以代表該地區氣溶膠的本底值.擬合結果表明觀測期間內杭州市AOD最大出現頻率對應的數值為 0.58,可以認為該值是觀測期間杭州市AOD的本底值.

圖5 AOD頻率和對數正態分布Fig.5 Frequency and lognormal distribution of AOD

圖6 α頻率和對數正態分布Fig.6 Frequency and lognormal distribution of α

由圖6可見,與AOD的分布相類似,杭州市α頻率分布也呈現明顯的單峰分布特征.α出現頻率最高的區間在 1.3～1.4之間,占總數的 23.3%.落在高值區間1.1～1.7的α出現頻率為77.8%.這個數值要高于太湖1.1～1.7的α約為70%[15],與上海浦東1.1～1.7的α約為79%相當[27].綜合2年的觀測資料得出α的年平均值為1.25±0.23.以上分析表明杭州市氣溶膠粒子主控模態比較穩定且平均半徑較小,屬于城市-工業型氣溶膠類型[41].

2.5 AOD和α的關系

由圖7可見,AOD和α沒有明顯的可辨析關系.α在0～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0區間時,對應的AOD均值分別為1.23±0.82、0.71±0.55、0.82±0.47、0.77±0.34.在α不同的區間范圍,AOD的跨度均較大,其標準差接近或超過各自平均值的 50%.這反映出杭州城市上空存在不同組分的氣溶膠.李成才[42]對香港的研究表明,α和 AOD呈明顯反相關關系,在清潔時期以水溶性氣溶膠為主,污染時期沙塵或煙煤型比例增大.Che等[43]對塔克拉瑪干沙漠的研究表明,主要受沙塵氣溶膠的影響,隨著AOD的增加,α減小.杭州市的觀測結果有明顯不同,這可能與不同地區污染來源不同有關.杭州市的氣溶膠主要來源于城市的復合型污染物.同時也會受到周邊區域污染物輸送的影響,加之杭州地處杭嘉湖平原地區,西南面都是丘陵和山脈,輸送來的氣溶膠和局地源氣溶膠易在杭州城市上空匯集,從而導致杭州城市氣溶膠成分比較復雜.

圖7 AOD和α散點圖Fig.7 Scattergram of AOD and α

2.6 氣溶膠類型分類

Gobbi等[44]建立了一種區分氣溶膠類型的分類方法,它可以區分云干擾及氣溶膠細粒子的增長和吸濕部分.具體方法是將不同波段Angstrom波長指數的差值δα(α440-675nm-α675-870nm)定義一種計算Angstrom波長指數曲率dα/dλ,利用δα和α440-870nm的散點分布來區分氣溶膠類型.在坐標系中,通過不同區間的 AOD對氣溶膠粒子進行分類.氣溶膠細粒子親水特性會同時導致氣溶膠的粒徑和細模態氣溶膠 AOD比例(η)的增加.而云干擾僅僅會導致細模態氣溶膠 AOD比例(η)的增加,氣溶膠細粒子的粒徑保值不變.

圖8 AOD670nm、α和δα的關系圖8 The relationship among AOD670nm、α and δα

本文采用該方法將所有瞬時的 AOD670nm、α440-870nm以及 δα(α440-670nm-α670-870nm) 數據,結合圖解法分析杭州市氣溶膠的類型.圖 8是以折射率m=1.4-0.001i為參考,采用雙模態、對數正態分布的α和δα函數對氣溶膠類型進行分類的示意.由圖8可見,杭州市AOD的高值主要表現為細模態粒子(AOD>1.0,δα<0,η>70%)和粗模態粒子(AOD>1.0,δα>0,η<30%)的影響.這種類似的分布特征在北京[44]和榆林[45]同樣被證實.因此可以推斷杭州城市氣溶膠高AOD特性與沙塵氣溶膠以及細模態氣溶膠的吸濕增長有關.圖 8還可以看出,杭州市AOD在大于1.0的污染狀況下,氣溶膠主要集中在細模態粒子增長區域(1.0<α<1.5, δα<0),與之相對應的細模態粒子AOD比例介于70%～90%,粒徑大小范圍約在0.12～0.17μm之間.

3 結論

3.1 2011～2012年杭州市AOD500nm年平均值為0.86±0.47,是我國氣溶膠光學厚度較厚地區之一.杭州市 AOD季節變化特征不明顯,冬春季節要略高于夏秋季節,主要與該地區天氣形勢以及內外源影響密切相關.AOD頻率分布呈現明顯的單峰特征,并且較好的符合對數正態分布.

3.2 2011～2012年杭州市 α440-870nm年平均值為1.25±0.23. α季節變化主要表現秋、冬季節要高于夏、春季節.春季α略偏低與北方帶來的沙塵氣溶膠有一定影響.α在高值區間1.1～1.7出現頻率為 77.8%,表明杭州市以平均半徑較小的氣溶膠粒子為主,屬于城市-工業型氣溶膠類型.

3.3 AOD日變化大致呈現單峰型變化特征.早晚高峰時期AOD相差不大.午后AOD明顯升高主要與強烈的太陽輻射引起光化學反應產生的二次氣溶膠以及近地層氣溶膠在湍流輸送作用下向城市上空擴散有關.

3.4 從AOD和α的散點分布來看,兩者沒有明顯的可辨析關系.受局地污染和地形等綜合因素影響,杭州城市上空氣溶膠的成分比較復雜.杭州市 AOD的高值(>1.0)主要表現為粗模態氣溶膠以及細模態氣溶膠的吸濕增長.

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致謝：感謝中國氣象科學研究院車慧正副研究員對本文提供的寶貴意見和指導.

Aerosol optical depth in urban site of Hangzhou.

QI Bing1*, DU Rong-guang1, YU Zhi-feng2, ZHOU Bin2
(1.Hangzhou Meteorological Bureau, Hangzhou 310051, China；2.Institute of Remote Sensing and Earth Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 311121, China). China Environmental Science, 2014,34(3)：588～595

The characteristics of aerosol optical depth (AOD) and Angstrom wavelength exponent (α) were analyzed and compared using Cimel sunphotometer data from 2011 to 2012 at national basic meteorological station in Hangzhou city of China. The results showed that the mean value of AOD500nmand α440-870nmwere 0.86±0.47and 1.25±0.23, respectively. The averaged AOD over Hangzhou had no obviously seasonal variation characteristics. It was closely related to the weather patterns and internal and external sources influence in this region. The seasonal variation of α was not distinct. Due to dust aerosol spreading from north of china, the α measured in spring was a little lower compared to other seasons. The diurnal variation of averaged AOD showed a single peak distribution with the peak value and valley value at 15：00 and 06：00 respectively. The significantly increased value of AOD in the afternoon were due to the secondary aerosols generated from photochemical reactions that caused by strongly solar radiations and the aerosols in the surface layer spreading to upper layer influenced by turbulent transfer action. Both the AOD and α showed obvious single peak of frequencies based on the frequency distribution. It was found that the AOD and α can be better characterized by a lognormal distribution. The frequency of α, occurring in the high value range between 1.1and 1.7was 77.8%, which indicated that the average effective radii of aerosol particles were small and the aerosols should be classified as urban-industrial aerosols in Hangzhou. The data also showed high AOD(>1.0) both clustering in the fine mode growth wing and the coarse mode.

sunphotometer；aerosol optical depth；Angstrom wavelength exponent；Hangzhou

X513

：A

：1000-6923(2013)03-0588-08

齊 冰(1981-),男,江西南昌人,工程師,碩士,主要從事大氣物理與大氣環境研究.發表論文7篇.

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《中國環境科學》編輯部

2013-07-21

國家自然科學基金項目(41206169);國家公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201206011);杭州市科技局社會發展科研攻關項目(20120433B14,20130533B09)

* 責任作者, 工程師, bill_129@sina.com.

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