不同季節南京市上空氣溶膠的光學特性及垂直分布

張堅++鄭有飛++姜杰

摘要：為了了解不同季節南京市上空氣溶膠的光學特性，利用偏振微脈沖激光雷達對南京市上空大氣散射特性進行了為期1年的連續觀測，結合MODIS衛星數據分析了大氣氣溶膠光學特性的日變化和季節變化，并利用HYSPLIT模式分析了變化的原因。結果表明，①南京市上空氣團在春、秋、冬季主要來源于中國西北以及北方地區，大氣氣溶膠消光后向散射比分別為48.4、45.3和39.6 sr，退偏振比分別為0.18、0.19和0.20；而夏季主要來源于中國東南部工業污染城市以及南京周邊地區，消光后向散射比為63.2 sr，退偏振比為0.11；②大氣氣溶膠的垂直分布有明顯的季節變化趨勢，低層（<1 km）大氣氣溶膠光學厚度從大到小依次為冬季、夏季、秋季、春季，高層（>1 km）大氣氣溶膠光學厚度從大到小依次為夏季、春季、秋季、冬季；③大氣氣溶膠光學厚度有明顯的日變化特征，主要分為2種類型，在夏季和冬季為早晚高中午低；在春季和秋季則逐漸升高。

關鍵詞：大氣氣溶膠；消光后向散射比；消光系數；光學厚度；后向軌跡；南京

中圖分類號：X513；P412.25 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）02-0324-06

Aerosol Optical Properties and Vertical Distribution in Different Seasons over Nanjing City

ZHANG Jian，ZHENG You-fei，JIANG Jie

（School of Atmospheric Physics/Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Disaster， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044，China）

Abstract： Continuous observation of atmospheric diffusion properties in Nanjing was made by MPL for a year. The seasonal changes of optical properties of aerosol over Nanjing city were analyzed. Its reasons were studied combing with data of HYSPLIT. The results showed the air mass was mainly from northwestern and northern China at spring， autumn and winter， with the extinction-to-backscatter ratio of 48.4 sr， 45.3 sr， 39.6 sr， respectively. Depolarization ratio was 0.18， 0.19， 0.20 mainly from the southeastern China and the surrounding areas of Nanjing city at summer， with the extinction-to-backscatter ratio of 63 sr and depolarization ratio of 0.11. The vertical distribution of aerosol has significant seasonal variation. The orders of the optical depth from big to small were winter，summer，autumn and spring in low layer below 1 km. The order was summer，spring，autumn and winter in high layer above 1 km. The optical depth of aerosol has significant diurnal variation. AOD was higher in the morning and evening at summer and winter， and lower in the noon， increased gradually at spring and autumn.

Key words： atmospheric aerosol； extinction-to-backscatter ratio； extinction coefficient； optical depth； backward trajectory； Nanjing

大氣氣溶膠是由大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的。它可以通過直接和間接輻射效應影響地氣系統的輻射收支平衡來影響全球氣候，進而對農業生產以及生態環境產生重要影響，特別是大氣氣溶膠對農業生產影響的研究已經成為一個比較熱門的研究領域，例如大氣氣溶膠可以降低到達地面的太陽輻射，進而顯著降低作物的光合作用，導致作物產量損失，又可以通過改變氣候因子如溫度、降水等來影響作物的產量[1]。

為了準確評估和預測全球以及局地氣候變化，大氣氣溶膠輻射效應需要準確計算，但是目前為止它還有很大的不確定性[2]。大氣氣溶膠的光學厚度以及垂直分布對大氣氣溶膠直接輻射效應和間接輻射效應都有非常重要的影響[3，4]。目前國內外對大氣氣溶膠光學厚度的研究相對較多，其中應用最廣泛的是由美國國家宇航局（NASA）發起，由全球許多國家參與的氣溶膠觀測網絡（AERONET）以及Terra和Aqua衛星搭載的中分辨率成像光譜儀（MODIS）。大氣氣溶膠的垂直分布對大氣頂層輻射強迫的評估有顯著的影響[5]，但是國內對于它的研究并不多見且未形成系統的觀測網絡。利用彈性后向散射激光雷達可以同時反演氣溶膠的光學厚度以及垂直分布廓線，且具有較高的時空分辨率，是目前最為準確的方法，已經被很多學者證實[6]。

南京市作為長江三角洲地區重要的工業化城市，受到工業排放、交通運輸、農作物燃燒等局地污染物影響非常嚴重，同時南京市屬亞熱帶季風氣候，冬季和夏季間的風向轉換十分明顯，在不同的季節會受到沙塵、海鹽以及南部污染氣團遠距離輸送的影響，氣溶膠光學特性具有較大的可變性。因此，詳細了解南京市上空大氣氣溶膠的光學特性對于該地區氣候效應以及農業生產的研究非常重要。

1 資料來源

南京市位于中國東南部長江三角洲地帶，是一個工業污染比較嚴重的城市。為了觀測南京地區以及長江三角洲地區的大氣氣溶膠參數，中國氣象局在南京信息工程大學建立了南京綜合觀測試驗基地來對南京地區大氣參數進行綜合性觀測。本研究中所使用的偏振微脈沖激光雷達安裝在南京信息工程大學的中校區試驗基地中，位于長江以北，距離南京市中心鼓樓區約16 km。

采用質點軌跡、擴散以及沉降綜合模擬系統HYSPLIT（Hybrid single-particle 3 結果與分析

3.1 不同季節氣團的來源

由于南京市屬于季風氣候，因此不同季節南京市上空的大氣氣溶膠類型有很大的不同，通過大量的三維軌跡來分類分析氣流特征，三維軌跡模擬時間從2010年11月至2011年10月，選取每天00：00、6：00、12：00以及18：00后向追蹤72 h，為了研究邊界層以內大氣氣溶膠特性，軌跡起始高度設定為500 m。使用的統計方法為聚類分析方法[9]以及條件輸送概率場方法[10]，其中聚類分析方法把多條后向軌跡進行分類處理，用來定量地分析氣團的來源，條件輸送概率場方法可以直觀地看出后向氣團的空間分布。

圖1給出了500 m高度（為離地高度，下同）上氣團的后向軌跡，分析表明除夏季外，其余季節的大部分氣團均來源于中國北部以及西北部地區。在春季，61%（2、4、5類型）的氣團來源于中國西北方向，途經外蒙古和內蒙古之間的戈壁沙漠到達南京市，傳輸過程中氣團攜帶大量的沙塵，另外13%（1類型）的氣團來源于日本海以及朝鮮半島，26%（3類型）的氣團來源于中國南部，這些軌跡都發生在5月下旬，是春季向夏季轉變的日期；在夏季35%的氣團來源于中國東南部，包括22%（3類型）的氣團來自南海，13%（4類型）的氣團來自太平洋，這些氣團攜帶了大量來源于東南部工業污染城市的氣溶膠，46%的氣團為局地氣團，主要來源于南京市周圍的區域，16%的氣團來源于日本海，只有3%的氣團來自沙塵源區；秋季和冬季幾乎所有氣團都來自北方的內蒙古和外蒙古地區，但秋季有75%（1、2類型）的氣團是經過渤海和黃海區域從北部到達南京，25%的氣團來源于中國西北內陸。而冬季大部分氣團都來源于中國西北內陸。綜上所述，在春、秋、冬季南京市上空氣團主要來源于中國西北以及北方地區，途經沙塵源區戈壁沙漠，夏季主要來源于中國東南部以及南京周邊地區。

3.2 大氣氣溶膠光學特性的季節變化

表1給出了觀測期間激光雷達消光后向散射比、退偏振比、主要氣團來源以及大氣邊界層高度，其中退偏振比是激光雷達接收到的垂直脈沖信號與總脈沖信號的比值，用來區分沙塵與非沙塵氣溶膠，有研究表明當退偏振比大于0.15時，大氣氣溶膠為沙塵型氣溶膠[11]；邊界層高度可以利用激光雷達后向散射信號變化的最大值所對應的高度來得到，其對大氣氣溶膠垂直分布有很大的影響。從氣團來源可以看出，夏季氣團來源于中國東南部城市，該地區工業發達且人口密集，大氣氣溶膠類型為城市和工業污染型，大氣氣溶膠消光后向散射比達到63.2 sr，產生高值的原因是由大氣氣溶膠的類型決定的，另外夏季相對濕度較高，大氣氣溶膠粒子的吸濕增長使得細粒子濃度增加，也會使得消光后向散射比有一定增長。夏季的退偏振比為0.11，可以看出大氣氣溶膠不規則程度較低。春、秋、冬季的氣團主要來源于中國北方以及西北地區，大氣氣溶膠退偏振比較高，分別為0.18，0.19和 0.20，屬于沙塵型氣溶膠，消光后向散射比分別為48.4、45.3、39.6 sr。

圖2給出了2010年11月至2011年10月大氣氣溶膠消光廓線的季節變化（實線）特征以及相應的標準差（陰影），同時也給出了大氣氣溶膠消光廓線的年平均值（點線）。由圖2可知，大氣氣溶膠主要分布在3 km以下的高度范圍內，最大的年平均消光系數大約為0.4 km-1，出現在近地面區域，并從地面往上逐漸減少，表明該地區有較大的近地面污染，季節平均的大氣氣溶膠消光廓線與年平均的大氣氣溶膠消光廓線相似，即最大的大氣氣溶膠消光系數出現在近地面，且消光系數隨高度的增加而減小；春季由于大氣邊界層較高使得在1 km以上高度消光系數大于年平均值，而1 km以下高度則小于年平均值；在夏季，強烈的對流運動以及較大的光學厚度使得在各個高度上消光系數均大于年平均值；秋季消光廓線類似于年平均值，而冬季1 km以下高度消光系數大于年平均值，1 km以上高度小于年平均值。

圖3給出了不同高度層的AOD的分布情況，從圖3可以看出，1 km以下高度AOD冬季最大，夏季次之，春季最小，這是因為冬季地表溫度過低，污染物主要集中在地表，導致近地面污染嚴重，因此AOD最高，而夏季是由于相對濕度過高，大氣氣溶膠吸濕作用而導致AOD較高。在1～2 km的高度范圍內，由于冬季混合層無法抬升到較高的高度導致AOD最低，夏季由于相對濕度較高以及邊界層對大氣氣溶膠的抬升使得夏季AOD最高。在2 km以上高度，AOD變化趨勢類似于1～2 km高度AOD的變化趨勢，兩者的差異在于2 km以上高度的AOD冬季幾乎為0，可以看出冬季的大氣氣溶膠粒子很少能抬升到2 km以上的高度。

3.3 大氣氣溶膠光學特性的日變化

圖4給出了2011年4月18日不同時刻以及19日02：00的大氣氣溶膠消光系數的垂直廓線，發現以下特點：低層（<1 km）消光系數變化趨勢為早晚大中午小，高層（1～2 km）消光系數變化趨勢為早晚小中午大，這是由于隨著太陽輻射的增強，湍流運動把低層的氣溶膠抬升到高層的原因；在08：00、21：00、02：00邊界層類型為穩定邊界層，大氣氣溶膠消光系數隨高度上升呈減小趨勢，12：00、16：00邊界層類型為不穩定邊界層型，在邊界層以內大氣氣溶膠均勻混合；02：00出現了典型的多氣溶膠層結構，這是由于大氣氣溶膠在夜間干沉降的過程中，上部大氣氣溶膠層與整體分離產生的駐留層，該層為中性結構，這層大氣氣溶膠隨時間下降緩慢，有時甚至繼續抬升，可以解釋污染物的移除過程[12]。

由于不同季節大氣氣溶膠的類型不同，大氣氣溶膠光學厚度的日變化趨勢也有很大的不同。圖5給出了4個季節8：00～18：00的AOD的變化趨勢。其中春季變化比較平緩，且AOD逐漸升高，這是由于春季氣團主要來源于中國北方地區，含有大量的沙塵，夜間一部分沉降于地表，白天由于湍流以及人類活動導致地表沙塵抬升到空中，導致光學厚度逐漸升高，此結果與北京市以及蘭州市的觀測結果很相似[13，14]。

在夏季，AOD中午低早晚高的變化趨勢非常明顯，夏季由于氣溶膠主要來源于中國東南部地區，吸濕性較高[15，16]，而早晚濕度相對較高，導致AOD早晚高，這與南海以及黃海的觀測結果一致[17，18]；秋季與春季有相同的變化趨勢，都是由于邊界層的抬升導致AOD逐漸變大；冬季變化趨勢與夏季相似，但產生這種變化趨勢的原因則是因為冬季早晚溫差大，容易產生逆溫現象，使得污染物集中在低層，導致霧霾現象的頻繁出現，而隨著邊界層的抬高，污染物向周邊地區擴散，從而使得中午的AOD減小。

4 結論

利用2010年11月至2011年10月為期1年的激光雷達觀測資料結合后向軌跡數據，分析了南京市上空不同季節大氣氣溶膠的來源和光學特性，以及大氣氣溶膠光學特性的日變化，得到以下主要結論。

1）南京市上空氣團來源有明顯的季節變化，在春、秋、冬季南京市上空氣團主要來源于中國西北以及北方地區，并途經中國重要的沙塵源內蒙古戈壁沙漠，大氣氣溶膠消光后向散射比分別為48.4、45.3、39.6 sr，退偏振比較高，分別為0.18、0.19、 0.20；夏季南京市上空氣團主要來源于中國東南部污染城市以及南京周邊地區，大氣氣溶膠粒子的吸濕增長使得細粒子濃度增加，消光后向散射比達到63.2 sr，退偏振比為0.11。

2）大氣氣溶膠主要分布在3 km高度以下，且從下往上逐漸減小，其垂直分布具有明顯的季節變化，在1 km高度以下，AOD冬季最大，夏季次之，春季最小；在1 km高度以上，AOD夏季最大，冬季最小，春季大于秋季。

3）大氣氣溶膠垂直分布以及光學厚度都有明顯的日變化，在穩定邊界層中氣溶膠隨高度的上升呈逐漸減小的趨勢，而邊界層不穩定時，邊界層內氣溶膠均勻混合；大氣氣溶膠光學厚度的日變化分為2種類型，在夏、冬兩季早晚高中午低；在春、秋兩季則逐漸升高。夏季大氣氣溶膠光學厚度日變化的原因是大氣氣溶膠主要來源于東南部污染嚴重區域，大氣氣溶膠吸濕性較強，早晚濕度高使得大氣氣溶膠光學厚度較高；冬季是由于早晚多發的霧霾天氣造成早晚大氣氣溶膠光學厚度較高；在春、秋兩季南京市上空氣團主要來源于中國西北以及北方地區，含有大量沙塵，夜間會沉降到地表附近，隨著太陽輻射的增強，邊界層變得不穩定，沙塵抬升至空中而導致光學厚度逐漸升高。

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