2006~2015年中國華北地區氣溶膠的垂直分布特征

高星星,陳 艷,張 武

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2006~2015年中國華北地區氣溶膠的垂直分布特征

高星星,陳 艷*,張 武

(蘭州大學大氣科學學院,半干旱氣候變化教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

為研究高污染地區氣溶膠形成機理提供理論依據,利用CALIPSO衛星提供的Level 2Profile和Level 2VFM產品,分析了華北地區2006~2015年532nm總后向散射系數,退偏振比,色比及不同類型氣溶膠的時空變化特征,并結合地基觀測資料,探討了不同能見度下華北地區氣溶膠垂直分布特征.結果表明:華北地區氣溶膠粒子532nm總后向散射系數,退偏振比和色比范圍依次為0.5′10-3~8.0′10-3km-1sr-1,0.14~0.3和0.6~2.0,且具有顯著的季節和高度變化特征;能見度<5km時粒子散射能力最強,非球形最弱,粒徑最小,對應的最大532nm總后向散射系數,最小退偏振比和最小色比依次為0.012km-1sr-1,0.092和0.856,能見度>10km時相反;污染沙塵,沙漠沙塵,污染大陸氣溶膠和潔凈海洋氣溶膠集中在0~2km,出現的頻率依次為13.81%,8.48%,5.45%和1.22%.

華北地區；氣溶膠；垂直分布；CALIPSO

近年來,隨著我國經濟的高速發展和城市化進程的加快,華北地區大氣環境質量逐漸惡化,嚴重影響了人們的生活和公共安全[1].因此對該地區區域性大氣氣溶膠特征的研究具有重要的現實意義.氣溶膠的垂直分布對大氣的加熱,進而對大氣熱力結構的影響和改變,對氣溶膠－云相互作用扮演重要角色以及決定氣溶膠通過不同云微物理過程中的間接效應[2-3].以往許多工作通過飛機實驗和地面激光

雷達獲取了一些氣溶膠垂直廓線[4-7],但是目前該方法只能在有限的區域進行,利用衛星遙感可以彌補這一不足.被動式遙感衛星能夠對氣溶膠的水平分布和傳輸有較好的觀測,但是無法提供氣溶膠垂直方向的信息[8].激光雷達遙感是主動式遙感手段,CALIPSO衛星搭載的正交偏振云和氣溶膠激光雷達(CALIOP)是第一個能夠提供連續觀測的星載偏振激光雷達,能夠以高分辨率觀測全球范圍內云和氣溶膠的垂直分布[9].

目前利用CALIPSO衛星資料的相關研究主要是針對一次沙塵過程中氣溶膠垂直分布特征的研究,對長時間序列的研究還比較少.本文利用CALIPSO觀測的結果,探討了2006到2015年華北地區532nm總后向散射系數,粒子退偏振比,色比及不同類型氣溶膠粒子的時空分布特征,并結合地基觀測資料分析了不同能見度下氣溶膠的垂直分布特征,為華北地區區域性大氣氣溶膠特征的研究提供了理論依據,有利于了解高污染地區氣溶膠形成機理,也為國家制定區域大氣污染的控制政策提供理論依據[1].

本文分析區域為華北地區,經緯度范圍為32°N~42°N,110°E~120°E,如圖1所示.

1 云-氣溶膠激光雷達與紅外探測者衛星觀測系統資料介紹

CALIPSO是A-Train系列的太陽同步衛星,軌道高度為705km,每繞地球一圈96min,每16d獲取1次全球氣溶膠和云層的三維信息,軌道間距大約為1.55?.CALIPSO裝載的主要儀器是擁有波長為532nm和1064nm兩個通道的激光雷達,并隨衛星的運行,不間斷地收集82?Ｎ和82?S之間氣溶膠和云在2個波段上的衰減散射以及波長532nm極化后向散射的高分辨率廓線[10]. CALIOP通過接收大氣中不同層的后向散射,能夠較為準確地測量氣溶膠和云的垂直分布; CALIOP根據測得的退偏振比區分各類型氣溶膠;CALIOP能不受地表限制,克服被動遙感對太陽輻射的依賴,能在白天和夜晚進行觀測[11].因此,CALIPSO衛星給氣溶膠垂直結構和傳輸的研究提供了很大的方便.

搭載于CALIPSO衛星上的星載激光雷達CALIOP接收的信號經過類似于EOS的數據處理系統處理后,提供包括Level0,Level1A, Level1B,Level2,Level3和Level4五個級別的數據.Level 2 產品分為廓線產品和Level 2層數據產品及Level 2垂直特征層分布數據產品三種類型.廓線產品主要提供特征層的后向散射系數,消光系數以及偏振比的垂直廓線信息.特征層分布數據產品則主要提供特征層的識別和鑒定信息,如主要區分云的相態、辨別氣溶膠的子類等[12]. CALIPSO的L2數據是在L1數據基礎上去除云得到的[11].本文使用的數據為Level 2Profile產品的532nm總后向散射系數,粒子退偏振比和1064nm后向散射系數以及Level 2VFM產品的Feature_Classification_Flags.色比值是通過計算1064nm后向散射系數與532nm總后向散射系數的比值得到的.表1給出了CALIOP激光雷達2級數據的空間分辨率.

表1 CALIOP激光雷達2級數據空間分辨率 Table 1 Range Resolutions of Different Altitude Ranges for CALIPSO Lidar Level 2Data

2 結果分析

2.1 華北地區氣溶膠時空變化規律

時間變化規律以月均值為基礎,依據華北地區的氣候特點,將3~5月歸為春季,6~8月歸為夏季, 9~11月歸為秋季,12~2月歸為冬季;考慮到CALIOP軌道間的距離較大和2維空間研究較為方便,本文的空間變化規律均是指氣溶膠在垂直方向上的變化規律,即把整個研究區域當作一個點,把所有在這個區域中的數據都平均為一條廓線.

2.1.1 總后向散射系數的時空變化 532nm總后向散射系數是CALIPSO Level2氣溶膠廓線產品中的一個重要參數.因為這個激光雷達532nm有二個偏振通道,把它們后向反射信號合在一起才需要定義—個總后向散射系數,總后向散射系數用于衡量大氣中的氣溶膠粒子對光的散射能力,通過不同的取值判斷粒子的種類,其值越大則表明大氣中顆粒物的散射能力越強,反之越弱[13-14].532nm總后向散射系數的有效值范圍為0.0~0.05km-1sr-1,且研究表明,氣溶膠粒子的532nm總后向散射系數值域集中分布在0.003~ 0.009km-1sr-1之間,氣溶膠層頂高度處其臨界值為0.0015km-1sr-1[15].圖2為2006年6月到2015年10月532nm總后向散射系數的月均廓線時間序列圖:從時間變化上看,每年3~5月和9~11月是總后向散射系數的低值集中區間,12~2月和6~8月是總后向散射系數的高值集中區間;從垂直分布來看,總后向散射系數的值總體上隨高度遞減,表明低空顆粒物散射能力更強,高值區域主要集中在低層0~2km范圍內,而氣溶膠層頂高度大致為4km.激光雷達探測的是實際大氣環境條件下氣溶膠的后向散射,它不僅與干氣溶膠的特性有關,還與大氣的相對濕度有關,因此圖2中每年6~8月低層的總后向散射系數偏大還與這些月份相對濕度較高有關.

圖3是2006~2015年532nm總后向散射系數分高度層的多年逐月均值,進一步反映了氣溶膠粒子在不同垂直高度層上的散射特性.從圖3可以看出,532nm總后向散射系數分高度層的逐月均值的分布在0.5×10-3~8.0×10-3km-1sr-1之間,且其值大體隨高度遞減,其中0~2km高度上的逐月均值都在5.0×10-3km-1sr-1以上,明顯高于其它各層,表明低空顆粒物散射能力更強;各曲線大體呈正弦變化趨勢,春季位于峰谷處,進入夏季后,總后向散射系數開始增加,秋季后減少,冬季又開始增加,總體來說春秋季偏低,而冬夏季偏高.

2.1.2 退偏振比時空變化 CALIOP還提供了532nm體積退偏比的垂直廓線.退偏振比(PDR)定義為垂直方向的散射光分量與水平分量之比, PDR越大,粒子非球形越強[16].圖4是2006年6月到2015年10月華北地區氣溶膠粒子退偏振比的月均廓線時間序列,氣溶膠粒子的退偏振比的有效值范圍為0.0~1.0,其值域集中分布在0.1~ 0.3之間;從時間上看,退偏振比表現出明顯的紅綠相間的規律,其中綠色聚集區間為退偏振比較低的夏季,其它季節退偏振比值均較高,即不規則顆粒物較多;從垂直分布來看,退偏振比值總體上隨高度遞增,約90%的高值區集中在2km以上的高空中,表明華北地區的規則顆粒物主要集中在低層0~2km處,而不規則顆粒物分布在2km以上.

圖5為2006~2015年退偏振比分高度層的多年逐月均值.由圖5可知,各曲線大體上均呈現出正弦變化趨勢;0~2km和2~4km高度層對應的退偏振比曲線為兩峰兩谷型,其中冬夏季均處于峰谷處,退偏比值較小,且夏季對應的谷底更深,而春秋季節處于峰頂處,退偏振比值較大;4~6km, 6~8km和8~10km高度層對應的退偏振比曲線為兩峰一谷型,其中秋冬季處于峰頂處,退偏振比值較大,夏季處于峰谷處,退偏比值較小;夏季,5個高度層的退偏振比值相差不大且其值都較低;從6月份到9月份,8~10km對應的退偏振比值(0.204,0.183,0.197和0.202)均處于最高位置, 2~4km退偏振比值(0.192,0.159,0.158和0.174)均處于第二高位置;0~2km退偏振比值在大多數都處于最低位置(7月最低為0.148),僅在7,8和9三個月略微高于4~6km,說明0~2km始終以規則顆粒物為主;冬季6~8km退偏振比值最大,其次依次是4~6km,8~10km,2~4km和0~2km,說明冬季中高層不規則顆粒物均較多.

2.1.3 色比時空變化 色比的定義為CALIOP觀測所得的1064nm的后向散射系數與532nm的總后向散射系數的比值,色比值越大,表明顆粒物越大[17-18].532nm總后向散射系數的有效值范圍為0.0~0.05km-1sr-1,1064nm后向散射系數的有效值范圍為0.0~0.03km-1sr-1.圖6是2006年6月到2015年10月色比值的時間序列.由圖6可知,色比值整體分布在0.6~2.0之間;0~4km高度上的色比值與其他高度上的色比值相比整體上偏低,表明4km以下的顆粒物較小,非球形特征不明顯; 2~4km高度上的色比值與其他高度層上的色比值相比總體上最小,表明該層主要以細粒子為主;與其他年份相比,同一高度層上2006年的色比值最小;與其他年份的各季節和各高度層相比,2006年夏季6~8km之間的色比值是最小的.色比值的年均值為1.591,2006~2015年色比值的年均值依次為0.920, 1.703, 1.185, 1.246, 1.530, 1.753, 2.155, 1.915, 1.432和2.077.

圖7是2006~2015年色比分高度層的多年逐月均值.由圖7可知,從整體上看,各層均值的變化波動較小;6~8km高度層上的6月份和4~6km高度層上的1月份對應的色比值分別為5.783和3.952,相比其他值異常的高;除12月份外,2~4km的色比值均處于最低位置,8月份最低為0.891;從6月份到9月份,6~8km對應的色比值(5.783, 2.723,3.228和3.182)均處于最高位置,8~10km色比值(2.060,2.410,2.901和3.047)均處于第二高位置;夏季6~8km的色比值最高,其次依次是8~10km,4~6km,0~2km和2~4km;0~2km高度對應的色比值曲線大體呈正弦變化趨勢,屬于兩峰兩谷型,冬夏季處于峰谷,色比值偏低,春秋處于峰谷,色比值偏高;2~4km高度上夏季的色比值偏低,其他季節的色比值基本保持在1.2左右; 6~10km高度上對應的色比值曲線均在夏季處于峰谷,色比值偏高,其他季節基本保持不變.

2.2 不同能見度下的氣溶膠粒子的垂直分布特征

選取位于研究區域內的14個地面觀測站,將2006年6月~2015年10月期間這14個地面觀測站的日平均能見度觀測值的平均值作為研究區域的日平均能見度值,然后依次篩選出華北地區能見度<5km,>10km,5~10km之間的日子,最后從2006年6月~2015年10月期間CALIPSO衛星經過我國華北地區的日子里依次挑選出能見度<5km,>10km及5~10km之間的所有日子的數據來進行分析,分別為997,334和2094日[19-20].

由圖8a可知,隨著高度的增加,不同能見度下的532nm總后向散射系數變化趨勢基本保持一致,在0~2km之間靠近地面處呈遞增趨勢,之后迅速遞減,到2km以上開始遞減的越來越緩慢,到6~8km和8~10km高度上基本保持不變;整體來看,在0~10km高度上532nm總后向散射系數隨高度的增加而遞減,表明隨著高度的增加氣溶膠粒子的散射能力越來越弱;當能見度<5km時,532nm總后向散射系數總體上明顯高于其他兩個污染時期,當能見度>10km時,532nm總后向散射系數總體上明顯低于其他兩個污染期,表明能見度<5km時的氣溶膠粒子散射能力最強,能見度>10km時的氣溶膠粒子散射能力最弱;能見度<5km,5~10km之間以及>10km時對應的532nm總后向散射系數的最大值依次為0.012, 0.009和0.007km-1sr-1,且均出現在靠近地面處.

由圖8b可知,隨著高度的增加,不同能見度下的退偏振比變化趨勢基本保持一致,0~8km之間呈遞增趨勢,8~10km之間基本保持不變;整體來看,在整個高度上退偏振比值隨著高度的增加而增加,表明隨著高度的增加,粒子的不規則程度越來越高;當能見度<5km時,退偏振比總體上明顯低于其他兩個污染時期,當能見度>10km時,退偏振比總體上明顯高于其他兩個污染時期,表明能見度<5km時的氣溶膠粒子的不規則程度最低,能見度>10km時的氣溶膠粒子的不規則程度最高;能見度<5km,5~10km之間以及>10km時對應的退偏振比的最小值依次為0.092,0.115和0.142,均出現在靠近地面處,最大值依次為0.276,0.253和0.290,均出現在6~8km高度上.退偏振比廓線隨高度遞增這可能是由于沙塵在低空已經和其他氣溶膠混合,導致粒子非球性降低,而在高空傳輸的沙塵很少受到污染,從而保持了原來較大的退偏振比值.

由圖8c可知,隨著高度的增加,不同能見度下的色比變化趨勢基本保持一致,0~4km之間呈遞減趨勢,4~6km之間呈緩慢遞增趨勢,8~10km之間基本保持不變;整體來看,在0~10km高度上色比值隨高度的增加呈遞減趨勢,表明隨著高度的增加氣溶膠粒子越來越大;色比值集中分布在0.9~2.0之間;當能見度<5km時,色比值整體上明顯小于其他兩條廓線對應的色比值,當能見度>10km時,色比值整體上大于其他兩條廓線對應的色比值,能見度5~10km的廓線整體上介于其他兩條廓線之間,表明能見度<5km時的氣溶膠粒子尺寸最小,能見度>10km時的氣溶膠粒子尺寸最大;能見度<5km,5~10km以及>10km時對應的色比的最小值依次為0.856,0.9和0.856,均出現在2~4km高度上.

2.3 各類型氣溶膠粒子的垂直分布特征

在CALIOPSO激光雷達系統中,根據探測到的氣溶膠的高度,位置,下墊面類型,消光系數,雷達彩色比等參數可將氣溶膠分為潔凈海洋氣溶膠,潔凈大陸氣溶膠,沙漠沙塵,污染沙塵,污染大陸氣溶膠以及煙塵6種類型[21].

將2006年~2015年期間各類型氣溶膠出現的次數進行統計,并計算出相應的頻率,得到了我國華北地區氣溶膠成分比例圖(圖9).由圖9可知,隨著高度的增加,污染沙塵,沙漠沙塵,污染大陸氣溶膠和潔凈海洋氣溶膠出現的頻率越來越低,潔凈大陸氣溶膠出現的頻率先增大后減小,在4~6km之間達到了最大;煙塵在0~2km和2~4km之間的頻率相差不大,均為4.1%左右,在4~6km之間頻率最小為2.74%,在6~8km之間頻率最大為9.84%,在8~10km之間頻率為8.24%;在0~2km之間,污染沙塵出現的頻率最高,達到了13.81%,然后依次是沙漠沙塵,污染大陸氣溶膠,煙塵,潔凈海洋氣溶膠和潔凈大陸氣溶膠,相應的頻率是8.48%,5.45%,4.13%, 1.22%和0.68%;在2~4km之間,與0~2km相同污染沙塵和沙漠沙塵依然居于前兩位,為9.29%和8.00%,然后依次是煙塵,潔凈大陸氣溶膠,污染大陸氣溶膠和潔凈海洋氣溶膠,分別為4.23%,4.05%和1.11%;在4~6km之間,頻率最高的是潔凈大陸氣溶膠,為5.85%,然后依次是沙漠沙塵,污染沙塵,煙塵,污染大陸氣溶膠和潔凈海洋氣溶膠,分別為3.75%,3.67%,2.74%, 0.02%和0.01%;在6~8km之間,頻率居于首位的是煙塵,為9.84%,然后依次是沙漠沙塵,污染沙塵,潔凈大陸氣溶膠,污染大陸氣溶膠和潔凈海洋氣溶膠,相應的頻率分別為2.20%,1.04%,1.03%, 0.00%和0.00%;在8~10km之間,與6~8km之間相同,頻率從高到低依然分別是煙塵,沙漠沙塵,污染沙塵,潔凈大陸氣溶膠,污染大陸氣溶膠和潔凈海洋氣溶膠,對應的頻率分別為8.24%,0.57%, 0.05%,0.30%,0.00%和0.00%.華北地區低層氣溶膠以污染沙塵,沙漠沙塵,污染大陸氣溶膠和煙塵為主,這與華北既是工業污染區又是沙塵天氣高發區有密切關系[22-24].

圖10為2006年~2015年期間中國華北地區各季節氣溶膠成分比例.由圖10可知,與全年氣溶膠各成分比例圖(圖9)相比,春季沙漠沙塵在0~2km,2~4km和4~6km上出現的頻率均顯著增加,污染沙塵在0~2km和2~4km上出現的頻率均顯著減少;與全年氣溶膠各成分比例圖相比,夏季煙塵在0~2km和2~4km上出現的頻率顯著增加,位居第二,沙漠沙塵頻率減少,位居第三;與全年氣溶膠各成分比例圖(圖9)相比,秋季煙塵在6~8km上出現的頻率顯著減少,成為各高度層中最小的;冬季氣溶膠各成分比例圖與全年氣溶膠各成分比例圖(圖9)最相似.春季沙漠沙塵顯著增加,這與沙塵天氣多發生于春季密切相關,污染沙塵,污染大陸氣溶膠和煙塵在春季頻率最低,可能意味著春季華北人類生產活動最弱.

3 討論

本文使用的數據為CALIPSO的L2數據,它是在L1數據基礎上去除云得到的,而在利用星載激光雷達資料討論氣溶膠特性時最重要的一個問題就是云清除,同時,L2數據經過了嚴格的質量控制,具有很高的準確度和可信度,因此本文的結果具有較高的可信度.

本文開展氣溶膠垂直分布特征研究時主要基于數據進行了現象分析,尚缺乏一定的機理成因探討,對氣溶膠的空間分布也只是針對垂直方向進行了研究分析,未對水平方向進行分析,在后續的研究工作中,將進行深層次的成因剖析和水平方向的研究.

4 結論

4.1 利用CALIOP/CALIPSO衛星2006~2015年的L2級數據產品分析了我國華北地區氣溶膠的垂直分布特征, 華北地區氣溶膠粒子532nm總后向散射系數范圍為0.5′10-3~8.0′10-3km-1×sr-1之間.空間分布上0~2km高度上的532nm總后向散射系數集中于0.005km-1×sr-1以上,明顯高于其他各層.時間變化上總后向散射系數春秋季偏低,而冬夏季偏高.

4.2 退偏振比范圍為0.14~0.3.從時間上看,退偏振比冬夏季偏低;從垂直分布來看,退偏振比值總體上隨高度遞增,約90%的高值區集中在2km以上的高空中.

4.3 色比值整體分布在0.6~2.0之間,年均值為1.591. 0~4km高度上色比值與其他高度上色比值相比整體上偏低,2~4km高度上色比值總體上最小.各高度層上的色比值夏季均明顯偏低,0~ 2km上的色比值冬夏季偏低,春秋季偏高.

4.4 各能見度下的532nm總后向散射系數隨高度增加大體上呈減小的趨勢,而退偏振比和色比隨高度增加大體上呈增加的趨勢.總體來看,能見度<5km時粒子散射能力最強,非球形最弱,粒徑最小,對應的最大532nm總后向散射系數,最小退偏振比和最小色比依次為0.012km-1×sr-1,0.092和0.856,能見度>10km時相反.

4.5 污染沙塵,沙漠沙塵,污染大陸氣溶膠和潔凈海洋氣溶膠集中在0~2km,出現的頻率依次為13.81%,8.48%,5.45%和1.22%,潔凈大陸氣溶膠在4~6km之間達到了最大5.85%,煙塵在4~6km之間頻率最小2.74%,在6~8km之間頻率最大9.84%.春季沙漠沙塵和污染沙塵在0~4km高度上出現的頻率最高;夏季在0~4km高度上頻率位居前3位的依次是污染沙塵,煙塵,沙漠沙塵.

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致謝：感謝美國NASA LDAAC(Langley Distributed Active Archive Center)提供的CALIPSO衛星資料.

* 責任作者, 工程師, chenyan@lzu.edu.cn

Vertical distribution of atmospheric aerosol particles over North China from 2006 to 2015

GAO Xing-xing, CHEN Yan*, ZHANG Wu

(Key Laboratory of Semi-Arid Climate Changes with the Ministry of Education, College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)., 2016,36(8)：2241~2250

To provide theoretical basis for studying the formation mechanism of aerosol, this paper analyzes the spatial and temporal variation characteristics of 532nm total backscatter coefficient, particulate depolarization ratio, color ratio, and different types of aerosol over North China from 2006 to 2015 by using Level 2 profile and Level 2VFM products provided by CALIPSO system.Vertical distribution characteristics of aerosol under different visibility conditions are then analyzed over North China based on surface observation data. The results show that 532nm total backscatter coefficient, particulate depolarization ratio, and color ratio over North China range from 0.5×10-3~8.0×10-3km-1×sr-1, 0.14~0.3, and 0.6~2.0, respectively, which all shows characteristics of significant variation with season and height. In addition, aerosol particles have a stronger scattering ability, more regular shape, and smaller sizes with visibility of less than 5km than more than 5km and vice versa with visibility of more than 10km. When the visibility is less than 5km, the corresponding maximum 532nm total backscatter coefficient, minimum particulate depolarization ratio, and minimum color ratio are 0.012km-1×sr-1, 0.092, and 0.856, respectively. The results also show that the aerosols of polluted dust, dust in desert, polluted continental and clean marine concentrate between 0 to 2km, whose occurrence frequencies are 13.81%, 8.48%, 5.45%, and 1.22%, respectively.

North China；aerosol；vertical distribution；CALIPSO

X513,P461

A

1000-6923(2016)08-2241-10

高星星(1991-),女,陜西咸陽人,博士,研究方向為大氣輻射與遙感.發表論文2篇.

2016-01-05

國家重大科學研究計劃項目(2012CB955302),蘭州大學中央高校基本科研業務費專項資金(lzujbky-2015-8)共同資助