中國北方大氣氣溶膠微物理特性研究

張樂琪，劉 韜，張桂梅

(橫山縣氣象局，陜西橫山 719000)

中國北方大氣氣溶膠微物理特性研究

張樂琪，劉 韜，張桂梅

(橫山縣氣象局，陜西橫山 719000)

利用AERONET( Aerosol Robotic Network)榆林、北京、香河、蘭州四站點的數(shù)據(jù)分析中國北方大氣氣溶膠的光學和物理特性。分析內容包括：氣溶膠光學厚度、單次散射反照率、復折射指數(shù)、散射不對稱因子、Αngstrom波長指數(shù)、氣溶膠體積尺度譜分布。分析結果表明：春季光學厚度為四季中最大；沙塵源區(qū)的Αngstrom波長指數(shù)和光學厚度的關系較為簡單，且隨光學厚度的增加呈降低趨勢，下游地區(qū)Αngstrom波長指數(shù)和光學厚度關系較為復雜；所有站點的體積譜分布均呈雙峰分布，夏半年積聚態(tài)為主模態(tài)，冬半年粗模態(tài)為主控模態(tài)；粗粒子的散射不對稱因子大于細粒子的。

大氣氣溶膠；微物理特性；光學厚度

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中直徑為0.001～100 μm的液體、固體微粒體系。氣溶膠的存在對于局地微氣候、區(qū)域環(huán)境、全球環(huán)境、區(qū)域以及全球輻射收支平衡、酸沉降、人體健康等有著直接或者間接的關聯(lián)[1-3]，越來越受到世人以及學界的關注。大氣氣溶膠的組成成分較為復雜，總的來說一般可將大氣氣溶膠分為幾大類，因此，在了解不同地區(qū)不同類別的大氣氣溶膠情況下，在比較具有代表意義的地區(qū)建立長期監(jiān)測的地面觀測站點，以便獲得相關大氣氣溶膠的微物理與輻射特性，在此基礎上建立相應的動態(tài)模式來研究各區(qū)域和類型的大氣氣溶膠，對于大氣氣溶膠的輻射強迫和衛(wèi)星遙感研究具有非常重要的意義。亞洲沙塵氣溶膠的主要來源為中國和蒙古，而中國的沙塵源主要為中國西北地區(qū)，因此中國北方大氣氣溶膠微物理特性主要受到沙塵氣溶膠和人為污染氣溶膠的影響，尤其是春季，西風將大量的沙塵氣溶膠輸送到自由大氣層并遠距離輸送，對整個大氣輻射強迫和大氣環(huán)境造成影響[4-7]。以蘭州和榆林為沙塵源區(qū)的代表站點，北京和香河為下游地區(qū)的代表站點，通過對兩類區(qū)域站點的大氣氣溶膠微物理特性比對和差異分析，從而揭示沙塵氣溶膠長距離傳輸?shù)纳鷳B(tài)環(huán)境效應及氣候強迫的重要意義。

1 研究站點和數(shù)據(jù)資料簡介

Aerosol Robotic Network(AERONET)是由美國國家宇航局NASA及其合作單位在全球范圍內設立的氣溶膠光學特性監(jiān)測網，它包含全球海洋和陸地大約400個氣溶膠觀測站點。目前，中國大約有50多個站點，其中北京、蘭州、榆林和香河4站的觀測時間較長，觀測結果基本上能反應站點所在地的氣溶膠光學特性，這些數(shù)據(jù)己經在AERONET網站(http://aeronet.gsfe.nasa.gov)共享。利用4站的大氣氣溶膠光學特性數(shù)據(jù)研究中國北方大氣氣溶膠的微物理特性。

蘭州、香河、榆林、北京4站的地理位置和觀測時間見表1。季節(jié)的劃分：冬季為12、1和2月，春季為3—5月，夏季為6—8月，冬季為9—11月。冬半年一般包括冬季與春季，夏半年一般包括夏季和秋季。

表1 各觀測站點的位置、海拔高度及觀測時間

2 結果分析

2.1 光學厚度

大氣氣溶膠的光學厚度(ΑOT)是氣溶膠微物理特性的重要參數(shù)之一，是表征大氣混濁度和氣溶膠含量的一個重要物理量。圖1給出了中國北方4站月平均光學厚度(670 nm)變化圖。可以看出，各站點的光學厚度值隨季節(jié)變化比較明顯，且春季光學厚度最高。蘭州春冬季光學厚度較夏秋季高，其原因為：蘭州春季主要受沙塵氣溶膠影響，冬季受供暖排放的燃燒氣溶膠影響，氣溶膠濃度和粒徑均增加。榆林春季月平均光學厚度較高，夏季為春季的88.9%，而秋季僅為春季的46%；其4月平均光學厚度為4站全年最高，其他站點4月也表現(xiàn)出了較高的月平均光學厚度值，這與中國北方春季尤其是4月沙塵天氣有關，也與長期地面氣象觀測情況相符[8]。中國西部地區(qū)如瓦里關和格爾木的光學厚度也表現(xiàn)出了類似的季節(jié)變化趨勢[9]。

圖1 中國北方4站679 nm月平均光學厚度

另外，6月的北京(0.68)、7月的香河站(0.62)也出現(xiàn)較高的月平均ΑOT，甚至超過各自4月的月平均ΑOT，其原因可能與大氣較穩(wěn)定、降水較少，不利于污染物擴散和清除等因素有關[10]；冬季4站月平均AOT相對于其他季節(jié)低一些，這可能是由于中國北方受冬季風影響，污染物擴散加快；除4月外，北京和香河月平均AOT均高于另外2站點。這說明人為污染氣溶膠是中國北方東部地區(qū)主要的大氣氣溶膠。

2.2 Angstrom波長指數(shù)

Αngstrom波長指數(shù)α描述了氣溶膠光學厚度隨波長的變化，是衡量氣溶膠粒子大小的一個重要光學參數(shù) ,α的范圍一般為0lt;αlt;2，平均值大約為1.3[11]。α越小說明氣溶膠粒子平均半徑越大,粒子尺度越大；反之,α越大說明氣溶膠粒子平均半徑越小,氣溶膠粒子尺度越小,越接近分子散射[12]。

圖2為中國北方4站月平均Angstrom波長指數(shù)，從圖2可以看出：北方4站月平均Αngstrom指數(shù)的最低值都出現(xiàn)在4月，榆林4月月平均α(0.32)在沙塵氣溶膠的α值范圍內，而蘭州4月月平均α(0.54)略高于沙塵氣溶膠的α值，表明中國北方西部地區(qū)4月主要受沙塵氣溶膠的影響。從季節(jié)來看，Angstrom指數(shù)春季相對較小，夏季相對較大，說明春季大氣氣溶膠粒子的粒徑比較大，中國北方春季多沙塵天氣。中國北方東部地區(qū)全年α介于0.7與1.4之間，表明中國北方東部地區(qū)主要為城市-工業(yè)氣溶膠、生物質燃燒氣溶膠等人為污染氣溶膠。

圖2 中國北方4站月平均Αngstrom波長指數(shù)

圖3給出了4站氣溶膠光學厚度(870 nm)與Angstrom指數(shù)的函數(shù)關系。當AOTlt;0.2時，榆林和蘭州沙塵源區(qū)站點的α在負值到2.0之間變動；當AOTgt;0.2時，α保持在零左右。同時，榆林和蘭州站在AOTgt;0.2時，α變動較小，AOT-α關系相對比較簡單，基本上隨AOT增大α表現(xiàn)出減小的趨勢，而北京和香河的AOT-α關系復雜。圖3體現(xiàn)出的AOT-α的關系也說明了沙塵源區(qū)主要以粗的沙塵氣溶膠粒子為主控粒子，經過遠距離傳輸和粗粒子的干、濕沉降作用，北方東部地區(qū)的氣溶膠粒子主要是不同粒徑大小的沙塵粒子和人為污染粒子[13]。

圖3 中國北方4站不同氣溶膠光學厚度條件下Αngstrom波長指數(shù)

2.3 體積尺度譜分布

氣溶膠粒子的體積譜分布是研究大氣氣溶膠的微物理特征和大氣輻射強迫的一個重要參數(shù)。圖4為中國北方香河、北京、榆林和蘭州4站冬半年的平均體積尺度譜分布。可以看出，4站具有類似的譜分布特征，均呈雙峰分布。其中積聚態(tài)的粒子半徑主要集中在0.07～0.3 μm，而粗模態(tài)的粒子半徑主要集中在3～6 μm。并且當AOTgt;1時，蘭州和榆林在半徑為0.3～0.5 μm出現(xiàn)了一個偽峰，而其它站點沒有。

圖4 冬半年中國北方4站氣溶膠體積尺度譜分布

榆林和蘭州積聚態(tài)峰值平均半徑隨AOT增大有減小的趨勢。當AOTlt;0.6時，峰值平均半徑為0.11～0.15 μm；當AOTgt;0.6時，峰值平均半徑在0.1 μm左右。而對于粗模態(tài)峰值半徑卻隨著AOT增大而增大，當AOTlt;0.6時，峰值平均半徑為3 μm左右，當AOTgt;0.6時，峰值平均半徑5 μm左右。

北京和香河的積聚態(tài)峰值平均半徑隨AOT增大而增大。當AOTlt;0.6時，平均半徑為0.11 μm左右；當AOTgt;0.6，最高峰值平均半徑在0.11～0.15 μm左右。而粗模態(tài)峰的平均半徑卻隨著AOT的增大而減小，如在AOTlt;0.6時平均半徑集中在7 μm左右，AOTgt;0.6時又降至4.6 μm。

圖5給出夏半年期間中國北方4站的平均體積尺度分布。4站積聚態(tài)半徑主要集中在0.09～0.15 μm，粗模態(tài)半徑主要集中在3.8～5.0 μm。從圖5也可以看出，積聚態(tài)和粗模態(tài)半徑隨AOT增大表現(xiàn)出增大的趨勢，尤其是 AOTlt;0.6時表現(xiàn)較明顯。當北京和香河地區(qū)的AOTgt;1.5，榆林和蘭州站的AOTgt;1時，積聚態(tài)峰半徑上升到0.25～0.3 μm。

圖5 夏半年中國北方4站氣溶膠體積尺度譜分布

分析可知，在冬半年期間沙塵源區(qū)的粗模態(tài)峰占主要優(yōu)勢，說明沙塵粒子為主控粒子。夏半年與冬半年情況相反，下游地區(qū)的積聚態(tài)峰為主模態(tài)峰。對于榆林和蘭州兩個沙塵源區(qū)測站，由于所在城市工業(yè)建設頻繁、機動車輛較多，因此，兩站點在夏半年粗模態(tài)和積聚態(tài)相平衡。

2.4 不對稱因子

大氣氣溶膠粒子的不對稱因子是表明粒子前向散射能力的一個重要參數(shù)。散射不對稱因子值在±1之間變動，對于瑞利散射而言，其值為0，而當其值為-1時為完全后向散射，當其值為1時為完全前向散射。

圖6給出了冬半年中國北方4站粗粒子(rgt;1.0 μm)和細粒子(r≤1.0 μm)所對應的不對稱因子隨波長的變化關系圖，從圖中可以得出：各站點粗粒子所對應的不對稱因子值比細粒子高；粗粒子和細粒子所對應的不對稱因子隨波長增加均呈現(xiàn)下降趨勢，粗粒子不對稱因子在440～670 nm波長范圍內體現(xiàn)出了敏感性。沙塵源區(qū)站點細粒子所對應的不對稱因子的值隨光學厚度值的增大表現(xiàn)出增大趨勢，下游站點當AOTgt;0.6時也表現(xiàn)出相似的情況；當波長為440 nm時，沙塵源區(qū)站點所對應的的不對稱因子的值大于下游站站點；粗粒子和細粒子的不對稱因子的平均值分別為0.57和0.86。

圖6 冬半年中國北方4站粗粒子(實線)和細粒子(虛線)不對稱因子隨波長的變化

圖7給出了夏半年各站點粗粒子和細粒子所對應的不對稱因子隨波長的變化關系圖，從圖中可看出：各站點粗粒子所對應的不對稱因子值比細粒子高；粗粒子和細粒子所對應的不對稱因子隨波長增加均呈現(xiàn)下降趨勢，粗粒子在440～670 nm隨波長的變化體現(xiàn)出了敏感性；各站點細粒子的不對稱因子的值隨AOT的增大而增大。上述結論與冬半年相同，整體而言，夏半年中國北方4站點當波長介于440～1 020 nm時細粒子和粗粒子不對稱因子值的變化范圍分別為0.45～0.7和0.75～0.9。

圖7 夏半年中國北方4站粗粒子(實線)和細粒子(虛線)不對稱因子隨波長的變化

從圖6和圖7看出，沙塵氣溶膠源區(qū)的不對稱因子大于下游地區(qū)的不對稱因子，粗粒子對應的不對稱因子值高于細粒子的，說明沙塵源區(qū)的粗粒子具有更強的前向散射能力。

2.5 單次散射反照率

單次散射反照率定義為氣溶膠散射消光與總消光的比，是衡量氣溶膠粒子吸收特性的參數(shù)。圖8給出了各觀測站點單次散射反照率的月變化，從圖中看出，北京、榆林、香河和蘭州單次散射反照率最大值分別為0.937、0.938、0.96、0.937，分別出現(xiàn)在8、7、7和7月；北京、香河和蘭州單次散射反照率最小值分別為0.84、0.85和0.89，并且分別出現(xiàn)在12、12和2月。單次散射反照率呈夏季高、冬季低的特點；蘭州和榆林常年單次散射反照率值較高，反映了蘭州和榆林地區(qū)的氣溶膠散射能力較強。

圖8 中國北方4站單次散射反照率月變化

4 結論

利用AERONET 2001—2013年反演數(shù)據(jù)對中國北方大氣氣溶膠的微理特性進行了研究。通過比較分析可以得到以下結論。

(1) 中國北方光學厚度季節(jié)變化比較明顯，春季主要受沙塵氣溶膠粒子影響，夏季主要以人為氣溶膠為主，使得春季和夏季都有較高的光學厚度，春季最高；沙塵源區(qū)榆林和蘭州的Αngstrom波長指數(shù)與光學厚度的關系比較簡單，隨光學厚度的增加呈下降趨勢；對于下游地區(qū)，Αngstrom波長指數(shù)和氣溶膠的光學厚度關系較為復雜，表明了下游地區(qū)受沙塵氣溶膠粗粒子和人為污染的細粒子等不同粒徑的氣溶膠共同影響。

(2) 中國北方4站表現(xiàn)出類似的體積譜分布特征：峰值半徑分別集中0.1～0.15 μm的積聚態(tài)和3.8～6 μm的粗模態(tài)。冬半年期間沙塵源的粗模態(tài)峰占主要優(yōu)勢，而夏半年下游區(qū)的積聚態(tài)峰為主模態(tài)峰。榆林和蘭州夏半年粗模態(tài)和積聚態(tài)均表現(xiàn)出均衡的趨勢。

(3) 北京、香河和蘭州站單次散射反照率有季節(jié)性變化，夏季gt;春季gt;秋季gt;冬季；沙塵源區(qū)蘭州和榆林兩站的氣溶膠粒子散射能力較強。

(4)中國北方4站不論是冬半年還是夏半年，粗粒子對應的散射不對稱因子總是大于細粒子所對應的散射不對稱因子；粗粒子和細粒子的散射不對稱因子均隨波長增加呈現(xiàn)下降趨勢。

[1] 朱恩云,馬駮.中國大氣氣溶膠的研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學與管理,2008,33(12):57-59.

[2] 汪安璞.大氣氣溶膠的研究新動向[J].環(huán)境化學,1999，18(1):11-15.

[3] 張小曳.中國大氣氣溶膠及其氣候效應的研究[J].地球科學進展,2007，22(1):13-22.

[4] 申彥波,沈志寶,汪萬福.2001年春季中國北方大氣氣溶膠光學厚度與沙塵天氣[J].高原氣象，2003,2(22)：185-190.

[5] 劉建軍,鄭有飛,吳榮軍.近沙塵源區(qū)氣溶膠光學特性的季節(jié)變化及其統(tǒng)計學描述[J].中國沙漠,2009，29(1):174-182.

[6] 李韌,季國良.敦煌地區(qū)大氣氣溶膠光學厚度的季節(jié)變化[J].高原氣象,2003,22(1)：84-87.

[7] 章文星,呂達仁,王普才.北京地區(qū)大氣氣溶膠光學厚度的觀測和分析[J].中國環(huán)境科學,2002,22(6)：495-500.

[8] Xia Xiangao, Chen Hongbin, Wang Pucai.Aerosol properties in a Chinese semiarid region[J]. Atmospheric Environment, 2004,38(27):4571-4581.

[9] 周自江.近45年中國揚沙和沙塵暴天氣[J].第四紀研究,2001,21(2)：9-17.

[10] 車慧正,石廣玉,張小曳.北京地區(qū)大氣氣溶膠光學特性及其直接輻射強迫的研究[J].中國科學院研究生院學報, 2007,24(5): 699-704.

[11] 章澄昌,周文賢.大氣氣溶膠教程[M].北京：氣象出版社，1995.

[12] 白鴻濤,陳勇航，王洪強.黃土高原半干旱區(qū)氣溶膠光學特性季節(jié)變化特征[J].干旱區(qū)地理，2011,34(2)：292-299.

[13] 于興娜.東亞地區(qū)大氣氣溶膠的微觀特性及表面化學反應對其影響 [D].上海：復旦大學，2008.

張樂琪，劉韜，張桂梅. 中國北方大氣氣溶膠微物理特性研究[J].陜西氣象，2014(3)：12-16.

1006-4354(2014)03-0012-05

2013-08-07

張樂琪(1990—)，女，漢族，陜西榆林人，學士，主要從事天氣預報和人工影響天氣。

X513

A