北京春季大氣氣溶膠光學特性研究

呂 睿,于興娜,沈 麗,于 超,朱 俊,夏 航

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北京春季大氣氣溶膠光學特性研究

呂 睿,于興娜*,沈 麗,于 超,朱 俊,夏 航

(南京信息工程大學,氣象災害教育部重點實驗室,氣候與環境變化國際合作聯合實驗室,氣象災害預報預警與評估協同創新中心,中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,江蘇 南京 210044)

為了解北京春季氣溶膠光學特性,利用AERONET Level 2.0數據資料研究了2010～2014年北京市春季大氣氣溶膠光學參數,以晴空作為背景,比較分析了春季及沙塵期間大氣氣溶膠光學性質的差異.研究發現,北京春季與沙塵期間粗粒子消光占總消光的28%和59%,沙塵期間粒子吸收僅占消光的11.4%,說明沙塵天氣發生時以粗粒子消光為主且吸收作用弱.沙塵天氣溶膠光學厚度呈現出高值,其值為春季平均值的1.7倍.Angstrom波長指數在沙塵期間遠小于非沙塵期間,且有85%小于0.6.北京春季體積尺度譜以粗模態峰為主,其中沙塵天粗模態的體積濃度為0.81μm3/μm2明顯大于春季的值(0.25μm3/μm2).沙塵期間單次散射反照率隨波長增加遞增,在波長440~1020nm間的平均值大于春季均值.復折射指數實部在沙塵過程的平均值達到1.51(440nm),春季均值為1.48(440nm),表明沙塵氣溶膠的散射能力更強;復折射指數虛部隨波長增大呈減小趨勢,且春季平均值大于沙塵期間的值.沙塵期間輻射強迫大于春季值,并遠高于春季晴空條件下均值.

春季；沙塵；氣溶膠；光學特性；北京

北京大氣重污染事件主要發生在春季和秋冬季節,其中春季以沙塵為主,2000~2010年沙塵型大氣重污染發生53次[1].徐文帥等[2]統計發現,僅2010年春季北京市經歷的沙塵過程就有15次之多;而在2014年4月10號受內蒙古沙塵輸送影響,北京市AQI指數飆升至246,主要污染物為PM10.

沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠的重要來源[3],也是對流層氣溶膠的主要組成部分.沙塵氣溶膠通過散射、吸收太陽輻射和吸收、發射紅外輻射直接影響地—氣系統輻射能收支,從而影響區域和全球的氣候及生態環境[4].近些年來,國內外學者在沙塵氣溶膠的輻射及氣候效應[5-7]、傳輸途徑[8-11]、理化特性[12-13]等諸多方面都有大量的研究.對于沙塵氣溶膠光學特性的研究方面,大多致力于干旱、半干旱區、撒哈拉沙漠、毛烏素沙漠等沙塵源區的研究[14-18],對于西太平洋、歐洲西北部、天津、北京等沙塵下游區的光學特性的研究較少[19-22],此外以往的研究中多基于一次或幾次典型沙塵過程[23-28],對于區域性長期觀測結果的分析較少[29-31],對長時間序列的沙塵氣溶膠光學特征的了解較缺乏.尤其是北京作為超級大城市和沙塵下游區,缺少春季長期系統的觀測研究.本文對北京市2010~2014年春季及沙塵天氣過程中大氣氣溶膠光學特性進行研究,包括氣溶膠光學厚度、Angstrom波長指數、消光因子、氣溶膠體積尺度譜分布、單次散射反照率、復折射指數、輻射強迫及輻射強迫效率,對比分析春季及沙塵期間氣溶膠光學特性的差異和聯系,對進一步認識北京春季氣溶膠特點及其環境、氣候效應提供參考,為大氣污染治理提供依據.

1 資料來源與研究方法

1.1 資料獲取

本文所用數據來源于美國國家航空宇航局(NASA, National Aeronautics and Space Administration)在全球建立的地基氣溶膠觀測網絡Aerosol Robotic Network(AERONET),目前已超過600多個站點.本研究觀測點設于中國科學院大氣物理研究所樓頂(39.977°N、116.38°E)海拔約為92m.整個網絡統一采用法國CIMEL公司標準太陽光度計(CE318-1)和極化太陽光度計(CE318-11)兩種,其中前者含有5個波段,后者含有8個波段,所有通道的波段寬度為10nm.基于太陽光度計測量的直接太陽輻射和天空輻射數據,可以反演大氣氣溶膠的光學微物理特征參數,其中測得的太陽直接輻射數據可用來反演計算大氣透過率、消光光學厚度、氣溶膠光學厚度、大氣水汽柱總量和臭氧總量,而天空掃描數據可以反演大氣氣溶膠粒子尺度譜分布及氣溶膠相函數.太陽光度計在有關氣溶膠光學厚度的研究中運用廣泛,其反演結果受眾多科學工作者青睞[32-34].

AERONET數據主要包括3個質量等級:1.0級數據是沒有做去云處理的原始觀測數據,1.5級數據是僅做去云處理的數據,2.0級數據是經過去云處理和人工篩選的高質量數據,本研究使用的是2.0級氣溶膠反演資料數據.

1.2 特例選取

本文選取北京2010~2014年春季904組數據,晴空大氣(背景大氣)選取空氣質量等級為一級,空氣質量狀況為優,API(或AQI)<50的(數據來源:中華人民共和國環境保護部--政府網絡數據中心,http://www.mep.gov.cn/),共28d,89組數據;沙塵過程的選取來自于天氣報告、文獻[2,35-37]及新聞報道的印證,共選出沙塵過程16d,41組數據,如表1.文中春季數據未剔除沙塵天,非沙塵數據為春季剔除沙塵天的數據.

表1 北京2010~2014年春季沙塵日選取Table 1 The selected cases of dust events during 2010~2014 in Beijing

2 結果與討論

2.1 粗細粒子消光占比、氣溶膠光學厚度及Angstrom 波長指數

2.1.1 粗細粒子消光占比 AERONET將反演得到的最小d/dln的粒徑區間(0.439~0.992 μm)定為粗細粒子的分界點,并推薦使用0.6 μm作為分界值,故此處定義<0.6 μm為細粒子,0.6 μm為粗粒子.由圖1a可以看出,北京春季粗粒子和細粒子消光所占比例具有明顯的差別,粗粒子消光占比在0%~90%間均有分布,大多集中在40%以下,而細粒子消光占比平均值達到了72%.由圖1b可見,北京沙塵天粗粒子消光占比大多在50%以上,平均消光占比達到59%,說明北京沙塵天氣發生時粗粒子消光對總消光具有較大貢獻;但該值遠低于2001~2008年敦煌沙塵期間的值(79%)[29],表明在沙塵源區粗粒子對總消光的貢獻更為重要.此外,沙塵期間總粒子吸收占消光的百分比較低,表明沙塵期間氣溶膠散射是大氣消光的主要貢獻者.

2.1.2 氣溶膠光學厚度(AOD) AOD是表征氣溶膠消光性質的一個重要參數,能夠反映整個大氣柱的氣溶膠含量.如圖2所示,北京春季AOD隨波長增大有下降趨勢,與晴空背景變化趨勢一致,但是沙塵期間光學厚度隨波長減小較平緩,說明沙塵氣溶膠的參與使得大氣氣溶膠對太陽光衰減的波長選擇性減弱.晴空下平均AOD明顯低于北京春季及沙塵期間,比如440nm時背景大氣的AOD均值僅為0.31,春季的AOD均值為0.70,而沙塵期間平均AOD卻高達0.92,這表明沙塵天氣發生時有大量的顆粒物進入大氣,使氣溶膠含量明顯增加;春季平均AOD均高于1977~ 1985年北京地區平均AOD(0.4~0.5,550nm)[38], 2003年1月份平均值(0.42,440nm)[39]以及2010年北京秋季AOD均值(0.50,500nm)[40],以上結果表明大氣污染事件導致春季平均AOD增加,其中沙塵天氣的頻繁發生可能是主要原因.

由圖3可見,北京晴空背景與春季AOD分布均呈單峰結構,晴空下小于0.6的AOD出現的頻率超過93%,而春季只有近55%的AOD集中在0.1~0.6之間.沙塵期間AOD在0.1~2.2之間波動,其中在0.3~0.8(37%)、0.9~1.6(44%)范圍內呈現2個峰值.對比發現,沙塵天AOD低值區的頻率明顯低于晴空狀況與春季,而高值區頻率有顯著增加,說明沙塵過程的出現對大氣氣溶膠光學厚度貢獻了高值.

2.1.3 Angstrom波長指數()代表了粒子譜分布的平均情況,值越小,表示大粒子越多,反之表示小粒子越多.由圖4可見,北京春季Angstrom波長指數通常為高值,波動范圍在0~2.0之間,平均達到了1.03;當AOD>0.5時,在1.0~1.5間最為密集.沙塵期間Angstrom 波長指數明顯偏低,大多數分布在0~0.6之間,平均值僅為非沙塵期間的1/3,但明顯高于沙塵源區的值(0.1)[29],說明沙塵期間聚集了更多大粒徑的沙塵粒子,這一特點在沙塵源區更為明顯,而北京作為沙塵下游區,氣溶膠組成主要是較粗的沙塵氣溶膠和人為細顆粒物.圖4還可以發現,非沙塵期間AOD存在較多高值,部分甚至高出沙塵期間光學厚度的值,這可能是發生的霧霾等局地大氣污染造成的.

由圖5可見,北京春季Angstrom波長指數的頻率分布范圍相比于晴空和沙塵的頻率分布范圍較寬,值主要在0~2.0之間,其中近60%的在0.95~1.4之間聚集,這一研究結果與2002~2008年北京霧霾期間Angstrom波長指數的頻率分布峰值類似(0.95~1.3),但其頻率占比要遠小于霧霾期間的值(86%)[41],反映了北京春季大氣氣溶膠成分復雜;晴空與沙塵期間Angstrom波長指數的頻率分布均較集中,但分布呈現2個極端,晴空背景下92% 的Angstrom 波長指數介于0.85~ 1.8間,而沙塵天約有85%的集中在0.6以下,說明北京晴空條件下氣溶膠的主要成分是細粒子,出現沙塵天氣時氣溶膠大多以粗粒子為主.

2.2 氣溶膠粒徑譜分布

氣溶膠粒子與大氣氣溶膠的各種大氣效應,大氣氣溶膠粒子的形成、遷移轉化、輸送和清除機制及其物理、化學特性緊密聯系[42].圖6是北京晴空、春季及沙塵期間不同氣溶膠光學厚度下氣溶膠粒子的體積尺度譜分布情況,采用對數正態分布假設:

式中,d/dln表示體積尺度譜分布;v表示體積濃度;表示粒子半徑;v表示粒子的幾何平均半徑;表示標準偏差.

由圖6可見,2010~2014年北京晴空、春季和沙塵期間的氣溶膠體積尺度譜在不同AOD下大體呈雙峰型分布,并且均以粗模態為主模態峰,而沙塵源區氣溶膠尺度譜通常呈單峰型分布[17,29,43-44],說明北京沙塵期間并非單一的沙塵氣溶膠存在.晴空下氣溶膠體積濃度較低,春季及沙塵期間粗模態體積濃度相較于晴空背景均有增加,晴空粒子半徑為3.8μm處的平均體積濃度達到最大值(0.04μm3/μm2),僅為春季平均體積濃度最大值的1/3,沙塵期間最大值的1/10;春季細模態體積濃度較晴空有所增加但增幅低于粗模態,而細模態體積濃度在沙塵天仍處于與晴空背景類似的低值,北京春季氣溶膠中粗粒子占較大比例,尤其在沙塵期間粗粒子含量劇增.春季大氣氣溶膠尺度譜細模態的峰值半徑和體積濃度均隨著AOD的增加而增加.在粗模態部分,春季及沙塵天峰值半徑隨AOD的增加依次遞減,這可能因為沙塵的大粒徑顆粒在遠距離傳輸過程中經過重力作用自然沉降[45],和(或)春季存在較高的相對濕度時吸濕性粒子增長加劇的結果[46].粗模態體積濃度均隨氣溶膠光學厚度的增加而依次遞增,在沙塵期間不同AOD下粗模態體積濃度差異很大,AOD為1.63時體積濃度(0.81μm3/ μm2)是AOD=0.24時的8倍左右.

2.3 單次散射反照率及復折射指數

2.3.1 單次散射反照率()反映了輻射的吸收作用和散射作用的比重,決定了氣溶膠對輻射強迫的正、負效應,其微小變化會對輻射強迫計算產生較大影響[47].越趨近于1,表明氣溶膠的散射占消光的比例越大,反之亦然.在AERONET資料中當AOD<0.4(440nm)時單次散射反照率反演的誤差較大,故缺省.

由圖7可以看出,春季單次散射反照率在440~675nm波段呈增長趨勢,在675~1020nm波段變化很弱,但隨著AOD的增加不同波長下的依次增大;沙塵期間在不同AOD下均隨波長增加而遞增,其中在440~675nm波段增勢劇烈,表明沙塵氣溶膠隨著波長的增加散射能力逐漸增強.春季在440~1020nm單次散射反照率平均值為0.92,沙塵天達到了0.94,遠大于Jing 等[48]2009年北京夏季觀測值(0.80),說明春季及沙塵期間氣溶膠以散射作用為主.沙塵天440nm波段均值為0.88,與2001~2011年北京沙塵天結果類似(0.89)[49],低于沙塵源區敦煌站的值(0.96)[44],的差異可以歸因于沙塵與吸收型氣溶膠的相互作用.同時,沙塵期間當AOD<1.63時,隨著光學厚度的增加依次增加.

2.3.2 復折射指數 復折射指數是研究氣溶膠中散射組分和吸收組分含量的基礎數據[24,50].復折射指數的實部反映了粒子的散射能力[47];虛部則反映粒子的吸收能力.AOD<0.4(440nm)時復折射指數反演的誤差較大,故缺省.

由圖8可以看出,沙塵期間實部在任意光學厚度下隨波長增加表現出先增加后減小趨勢,并在675nm達到最大;AOD<1.63時,復折射指數實部隨著光學厚度增加而遞減;在440nm時實部均值達到1.51,高于春季的平均值(1.48),說明北京沙塵過程中散射型氣溶膠含量增加.此外,本研究中沙塵天實部值要小于榆林沙塵期間的值(1.55±0.5)[17],可能是因為黑碳等城市吸收型氣溶膠參與所致.春季與沙塵期間復折射指數虛部均隨波長的增大而表現出減小趨勢,并在440~ 675nm波段急劇下降,在675~1020nm隨波長變化不明顯;虛部隨AOD的變化無明顯規律.沙塵期間復折射指數虛部均值為0.003僅為春季的1/2,這一結果與王玲等[24]2010年北京觀測及模擬結果類似,表明春季大氣氣溶膠有多種污染源參與,而沙塵期間主要為弱吸收作用的沙塵型氣溶膠.

2.4 輻射強迫與輻射強迫效率

氣溶膠粒子輻射強迫的大小與其含量的時空變化和本身的光學性質有關[51].輻射強迫效率是指單位光學厚度產生的直接輻射強迫. AERONET數據中大氣層頂(TOA)高度為120km,大氣層底(BOA)高度為0.092km,此處將大氣層底輻射強迫近似地作為地面輻射強迫.

由圖9可以看出,北京晴空背景下大氣層頂輻射強迫值為-45.82W/m2,地面輻射強迫值為-15.86W/m2,明顯低于于春季大氣輻射強迫(TOA為-31.68W/m2,BOA為-84.01W/m2),更遠低于沙塵天大氣輻射強迫(TOA為-47.29W/m2, BOA為-112.04W/m2);以上結果均要高于北京2014年春季晴空條件下均值(TOA為-6.38W/m2, BOA為-30.12W/m2)[52],說明沙塵氣溶膠對地表的降溫作用和對大氣的增溫作用更加明顯.當其它條件相同的時候,氣溶膠吸收性強(單次散射反照率小)、前向散射小的(不對稱因子小)則地面的輻射強迫效率就大[53].沙塵天氣期間輻射強迫效率小于春季,這與上文對于單次散射反照率的分析結果相同,也與波長440nm時不對稱因子統計結果一致(春季0.69;沙塵0.73).

由圖10得知,北京春季輻射強迫與氣溶膠光學厚度變化趨勢一致,隨著AOD的增加地面輻射強迫的差異要比大氣層頂更明顯,主要可以歸因于近地面存在不同類型的氣溶膠.大氣層頂的輻射強迫存在個別正值,此時單次散射反照率(440nm)小于0.8,負折射指數虛部(440nm)大于0.025,反映了當吸收作用很強時輻射強迫會由負變正,這與Hansen等[54]研究結果類似.從斜率來看,TOA的斜率小于BOA,說明在地表輻射強迫對于AOD的變化更加敏感[55].大氣層頂輻射強迫效率隨AOD的增加變化并不明顯,在AOD<0.5分布較廣,范圍在-120~0W/m2間;地面輻射強迫效率隨氣溶膠光學厚度的增加明顯減小,與大氣層頂的輻射強迫效率相比,其值在同一光學厚度下分布范圍更廣.

3 結論

3.1 北京市沙塵期間總粒子吸收占消光的百分比平均值僅為11.4%,粗粒子消光占比遠高于春季,說明沙塵氣溶膠吸收作用弱,粗粒子消光占主導地位.沙塵期間AOD高于春季值,并且遠高于晴空背景下光學厚度值,沙塵天約有55%的AOD大于0.9.AOD>0.5時,沙塵期間Angstrom波長指數多集中在0.5以下,而非沙塵期間大多分布在1.0以上,春季頻率分布相較晴空背景及沙塵期間寬,說明春季氣溶膠成分復雜;晴空與沙塵頻率分布分別集中在大值區與小值區,反映了晴空條件下氣溶膠主要由細粒子構成,沙塵期間氣溶膠以大顆粒物為主.

3.2 北京市晴空、春季及沙塵期間尺度譜均為雙峰結構,主模態峰均為粗模態,且體積濃度均隨AOD的增加而遞增,春季粗模態體積濃度最大值是晴空條件下的3倍,沙塵期間粗模態峰值是晴空的10倍.

3.3 沙塵期間單次散射反照率在所有波段的平均值為0.94高于春季值(0.92),說明沙塵天氣期間散射作用更強.沙塵期間實部值高于春季,虛部值低于春季,沙塵氣溶膠表現出更強的散射特性,吸收作用較弱.輻射強迫在沙塵期間值更大,輻射強迫效率晴空條件下值更大,說明沙塵期間氣溶膠對大氣加熱作用和地表冷卻作用影響更強烈.

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致謝：感謝AERONET為本文提供資料，同時感謝工作人員對北京站點的管理與維護.

* 責任作者, 副教授, xnyu@nuist.edu.cn

Aerosol optical properties in spring over urban Beijing

Lü Rui, YU Xing-na*, SHEN Li, YU Chao, ZHU Jun, XIA Hang

(Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education, Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change, Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)., 2016,36(6)：1660~1669

The purpose of this study is to investigate the optical properties of aerosols during spring in Beijing. A comparison of aerosol optical properties was performed between spring and dusty days from Aerosol Robotic Network (AERONET) measurements during 2010~2014. The extinction of coarse particles (>0.6μm) accounted for 28% and 59% of that of total particle in spring and dusty days respectively. Average absorption percent out of extinction for total particles were 11.4% during dusty days. This result indicated that aerosol extinction was dominated by coarse particles. The aerosol optical depth showed high values in dusty days with the average value was 1.7 times higher than that of spring. Angstrom exponents during dusty days were higher than those of spring, and about 85% of them less than 0.6 during dusty days. The aerosol volume size distributions presented abimodal structure (fine and coarse modes), and the coarse mode was dominant in spring. The volume concentrations of coarse mode in spring were evidently lower than those of dusty days. The single scattering albedo showed an increasing trend with wavelengths during dusty days in Beijing. The averaged single scattering albedos were about 0.92 for dusty days and 0.89 for spring during 440~1020nm. The real parts of the refractive index at 440nm were 1.48 during spring and 1.51 during dusty days, suggested the aerosol particles from dust source regions were involved in a stronger scattering. The imaginary parts of refractive index showed a decreasing trend with wavelength sand the average value in dusty days were higher than that of spring. The averaged aerosol radiative forcing in dusty days was higher than that of in spring and in clean days in Beijing.

spring；dust；aerosol；optical properties；Beijing

X513

A

1000-6923(2016)06-1660-09

呂 睿(1994-),女,江蘇徐州人,碩士研究生,主要從事氣溶膠與大氣環境研究.發表論文1篇.

2015-11-16

中國科學院戰略性先導科技專項(B類)(XDB05030104);國家自然科學基金項目(41475142);江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃項目(201510300053y,201510300065y);江蘇省高校“青藍工程”資助項目;江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)