基于CALIOP探測的合肥氣溶膠垂直分布特征

于彩霞,楊元建,鄧學良,石春娥,楊關盈,霍彥峰,翟 菁(1.安徽省氣象科學研究所,安徽省大氣科學與衛星遙感重點實驗室,安徽 合肥 230031；2.壽縣國家氣候觀象臺,安徽 壽縣 232200)

基于CALIOP探測的合肥氣溶膠垂直分布特征

于彩霞1,2*,楊元建1,2,鄧學良1,2,石春娥1,2,楊關盈1,2,霍彥峰1,2,翟 菁1,2(1.安徽省氣象科學研究所,安徽省大氣科學與衛星遙感重點實驗室,安徽 合肥 230031；2.壽縣國家氣候觀象臺,安徽 壽縣 232200)

利用2012～2013年CALIOP衛星產品及合肥地面常規觀測資料,篩選統計衛星過境的晴日、霾日過程,通過532nm消光系數、532nm后項散射系數、體積退偏比及色比對合肥霾日及晴日的氣溶膠垂直分布特征進行了對比分析.結果表明:霾日夜間,合肥污染物聚集層在500m以下,最大消光系數約為0.55.霾日白天,受湍流作用影響這一高度被抬升到300～700m,最大消光系數為0.67.霾日與晴日氣溶膠消光系數差異最為明顯的是在1km以內高度內,霾日消光系數為非霾日的3倍,說明霾時的氣溶膠聚集在低層大氣0～1km內.合肥霾發生時,不規則的、色比在0.2～0.6、后項散射系數在0.001～0.0050km-1?sr-1之間的一般陸地性氣溶膠增加.

CALIOP；霾；光學特性；垂直分布；氣溶膠

近年來隨著經濟的發展和城市化進程加快,長三角城市群空氣質量逐漸惡化.氣溶膠的聚集不僅使大氣能見度降低,影響人類正常的生產生活,并嚴重危害人體健康[1].此外,氣溶膠中的水溶性離子因吸濕性而影響云凝結核的濃度,從而引起間接的輻射強迫,而氣溶膠中的含碳物質因其對光的散射和吸收也直接影響地氣系統輻射平衡[2].氣溶膠的垂直分布是評估氣溶膠輻射效應的關鍵因素之一,氣溶膠在不同垂直高度上長波和短波輻射強迫主要受氣溶膠垂直分布的影響[3].在夜間,氣溶膠在低層起到保溫作用,在中高層降低所在氣層溫度,而白天,低層氣溶膠減少到達地面的太陽短波輻射導致低層溫度降低,中高層氣溶膠加熱所在的氣層[4].因此氣溶膠的垂直分布特征的探測對氣候變化、生態環境等多方面研究具有重要的意義.

美國NASA云－氣溶膠激光雷達紅外開拓者衛星(Cloud–Aerosol Lidar and Infrared PathfinderSatellite Observation satellite, CALIPSO)的主要任務之一就是探測全球范圍內氣溶膠的垂直分布情況[5]. CALIPSO探測范圍廣,具有較高垂直分辨率和測量精度,能夠連續、實時和長期地進行區域氣溶膠光學屬性和形態特征的垂直特性研究[6].在研究全球氣溶膠分布特征[7-8]、區域氣溶膠成分及來源[9-10]、氣溶膠垂直光學特性[11-12]等方面應用廣泛.

近年來為了評估CALIPSO氣溶膠數據質量,國內外學者們利用地基雷達以及飛機觀測等開展了廣泛的驗證研究.部分外國學者認為CALIPSO在532nm和1064nm波段反演的云和氣溶膠的消光系數、后向散射系數在數量級上與其他雷達反演結果具有較好一致性[13-14]. CALIPSO一級數據后向散射系數與地基雷達相關系數達到0.92,CALIPSO二級數據在氣溶膠種類劃分方面表現良好,在明顯的氣溶膠層, CALIPSO反演結果與地基雷達沒有明顯偏差[15].但 Tesche等[16]和 Wandinger 等[17]認為 532nm波段對沙塵氣溶膠的消光系數反演相比地基雷達反演結果偏低 25%～30%.譚靜等[18]在青海格爾木利用MARMOT(Middle Atmosphere Remote Mobile Observatory in Tibet)激光雷達系統觀測數據反演的消光系數曲線與衛星獲得的消光系數垂直廓線在垂直方向的變化趨勢上基本保持一致.而在合肥地區,Wu等[19]使用雙波長米氏散射激光雷達和偏振米散射激光雷達對CALIPSO數據進行了驗證,他們認為 CALIPSO能很好探測氣溶膠的高度及分布,532nm和1064nm的總后項散射系數和退偏比數據具有較高可信度.

已有針對安徽地區霾的研究主要是基于地面單點激光雷達資料[20]或基于衛星的氣溶膠水平分布研究[21],而對霾天的垂直結構研究較少.本文在以往成果基礎上,采用 CALIPSO星載激光雷達反演資料,對比分析安徽霾與非霾期 間氣溶膠消光特性的垂直分布特征,以期為安徽地區霾及其氣候環境效應的監測和研究提供新的觀測方法和科學依據.

1 數據介紹

1.1 衛星探測數據

CALIPSO衛星于2006年4月28日發射升空,衛星上攜帶有3個有效載荷:雙波長偏振激光雷達(CALIOP)、紅外圖像探測儀(IIR)、廣角照相機(WFC).CALIOP以20.16Hz的重復頻率發射532nm和1064nm波長的激光脈沖,3個接受通道分別測量1064nm的后向散射信號及532nm后向散射信號的正交偏振成分,水平分辨率 333m, 8km以下垂直分辨率為30m;8～20km垂直分辨率為60m.本文使用CALIPSO一級數據(Level1)和二級數據產品( Level2). Level1主要提供583層雙波長衰減后向散射系數廓線.對一級數據進行校正并經過一系列算法處理得到的二級數據包括333m、1km、5km的云產品和5km的氣溶膠層產品和廓線產品.

1.2 地面數據

本文所用常規觀測資料為合肥 2012～2013年08:00、14:00、20:00能見度、相對濕度數據、逐日天氣現象數據(冰雹、吹雪、浮塵、毛毛雨、輕霧、沙塵暴、霧、雪、雪暴、煙幕、揚沙、雨、雨夾雪、陣性雨夾雪、陣雪、陣雨、霾).

2 方法

2.1 研究站點及范圍選取

選取了合肥為代表性站點,研究氣溶膠消光系數的垂直分布特征.由于CALIPSO重返周期16d,時間分辨率較低,為提高衛星數據的利用率,以研究站點為中心,劃定區域范圍(116.5～117.5°E、31.5～32.5°N).我們認為當衛星經過該區域時,其提取的數據可代表該時段研究站點的氣溶膠平均狀況.圖 4給出了衛星在合肥(圖4.a和 4.b)的過境示意圖.過境時間分為白天和晚上.

2.2 霾日、晴日判定及篩選

計算合肥的日平均能見度(08h、14h、20h, 3個時次的平均值).若日平均能見度＜10km,相對濕度＜90%,且未發生影響視程的天氣現象,則判定為一個霾日[22].若日平均能見度＞10km,且未發生影響視程的天氣現象,則判定為一個晴日.

按照霾日晴日判別標準,2012～2013年合肥霾日 275d、晴日 76d.提取 2012～2013年CALIPSO在合肥過境71d,剔除數據缺失日期,有效過境47d.CALIPSO過境日期與研究區域霾日晴日時間匹配后獲得合肥霾日樣本數 12d,晴日樣本數14d.

圖1 CALIPSO過境示意Fig.1 Diagram of CALIPSO track when it pass through Hefei (a: nighttime b: daytime)

表1 數據樣本數統計Table 1 Sample statistic of data

2.3 氣溶膠體積退偏比、色比

3 結果

3.1 霾日、晴日氣溶膠消光系數垂直廓線

通過對篩選出的霾日、晴日樣本統計分析,圖2給出了合肥0～4km范圍內氣溶膠消光系數的垂直廓線.霾日、晴日氣溶膠消光系數均隨高度減小.霾日消光系數垂直變化顯著,污染物聚集于近地層,最大消光系數約為0.55.晴日消光系數的垂直變化較小,且無明顯的聚集層,最大消光系數約為0.23.

2km以上霾日和晴日的氣溶膠消光作用無明顯差別.在2km以下同一高度霾日的氣溶膠消光系數均明顯大于晴日,說明霾發生時氣溶膠主要分布在低層大氣中(0～2km).在1～2km范圍內,霾日氣溶膠消光系數在0.15～0.32之間,非霾日在0.1～0.15之間,霾日消光系數約為非霾日的2倍.在0～1km范圍內霾日和晴日差異更顯著,霾日氣溶膠消光系數在 0.35～0.55之間,非霾日在0.1～0.23之間,同一高度霾日消光系數約為非霾日的 3倍,說明合肥霾發生時氣溶膠雖然可以擴散到2km的大氣中,氣溶膠含量增多導致消光系數增大,但在1km以下人為原因產生的氣溶膠對大氣的消光作用更為顯著,從而導致大氣能見度明顯下降.

圖2 合肥霾日、晴日氣溶膠消光系數垂直廓線Fig.2 Vertical profile of aerosol extinction coefficient on haze day and clear day at Hefei

3.2 近地層消光系數垂直分布對比分析

圖3 合肥霾日、晴日(白天、夜間)氣溶膠消光系數垂直廓線Fig.3 Aerosol extinction coefficient vertical profile during the day and night of haze day and clear day

由 3.1的分析可知,雖然大氣中氣溶膠可以從地面延伸到高空,但大多聚集于近地面層 0～2km 內,這與沈仙霞等[24]研究結果一致. CALIPSO在合肥過境時間分為白天和夜間,進一步對霾、非霾、夜間、白天4種情況下合肥近地層(0～2km)的氣溶膠消光系數垂直分布進行了統計對比分析(圖3).

在夜間,低層大氣消光系數最大,氣溶膠消光系數隨高度減小.即夜間地面氣溶膠濃度較高.霾發生時,夜間最大消光系數約為0.55,污染物聚集在500m以下,霾日白天最大消光系數為0.67,污染物聚集在 300～700m,明顯高于夜間.這可能是由于白天湍流運動較強,混合作用充分,污染物因此被抬升,且向高層大氣中延伸,而在夜間混合作用減弱,或是由于夜間逆溫層的出現導致氣溶膠在低層聚集.

3.3 氣溶膠后向散射系數垂直分布特征

不同高度空間的大氣成分有一定區別,因此不同高度大氣成分對太陽輻射的散射能力不一致.霾發生時顆粒物增多,氣溶膠濃度增大,從而導致大氣消光系數增強,這在0～1km范圍內表現明顯,1～2km高度范圍次之.圖4分別給出了合肥霾天和晴日532nm總后向散射系數頻率密度分布.對比受人為排放氣溶膠影響的低層大氣(0～2km)以及影響較小的中高層大氣(2～6km)在霾和非霾情況下的氣溶膠分布特征.

已有研究結果表明,在0～10km高度范圍內,云層后向散射系數主要為 0.0045～0.01km-1?sr-1,氣體分子和氣溶膠的后向散射系數主要集中在0.0001～0.0045km-1?sr-1,而氣溶膠后向散射系數主要集中在0.0008～0.0045km-1?sr-1[25].

0～1km 高度內,霾日后向散射系數在 0～0.0010km-1?sr-1之間的分布頻率為25.3%,晴日為32.7%,霾日減少 7.4%.霾日后向散射系數在0.0010～0.0050km-1?sr-1之間的分布頻率為49.1%,晴日為46.5%,霾日增加2.6%.且霾日在增加的氣溶膠中,后項散射系數在 0.0010～0.0050km-1?sr-1之間的氣溶膠增加更明顯.即霾發生期間,低層大氣氣體分子減少,氣溶膠增多,后項散射系數增強.霾日與晴日,后向散射系數在 0.0010～0.0050km-1?sr-1之間的分布頻率隨高度而減小,即雖然霾發生時高度氣溶膠比例均有所增加,但整體上氣溶膠含量隨高度減小.

圖4 合肥霾日、晴日不同高度532nm總后項散射系數頻率分布Fig.4 Frequency distribution of 532nm total attenuated backscatter coefficient at different heights on haze day and clear days

3.4 霾日、晴日氣溶膠體積退偏比垂直分布特征

體積偏振比越大,顆粒物越不規則[26].對合肥市霾天、晴日氣溶膠體積退偏振比頻率分布情況進行分析表明(圖3),在0～2km高度內,氣溶膠的體積退偏比主要集中在0%～10%之間,表明規則顆粒物較多;在4～6km、6～8km高度內,體積退偏比為 10%～40%的氣溶膠比例增多,即不規則顆粒物較多.規則與不規則的氣溶膠同時存在于各個高度,隨著高度的增加,規則的氣溶膠有所減少,較不規則的氣溶膠逐漸增多,氣溶膠的不規則性增強.這與劉瓊等[27]對上海的研究結果相符.

霾日 0%～10%范圍內的體積退偏振比在各高度層的平均頻率為 23.8%,晴日為 41.0%,霾日時減少17.2%;霾日30%～40%范圍內的體積退偏振比在各高度層的平均頻率為23.8%,晴日4.2%,霾日減少了 13.7%,說明霾天時規則氣溶膠含量減少,不規則氣溶膠含量增加.這主要因為霾發生,PM10等顆粒物易以凝聚狀等多種混雜狀態存在,因此顆粒物表面規則性較差,從而具有較大的體積退偏振比.在低層大氣(0～2km)中,與晴日相比,霾日 0%～10%范圍內的體積退偏振比減少了13.9%;可見合肥大氣污染物中存在一定濃度的不規則顆粒物,顆粒物濃度上升從而對視程造成影響.

圖5 合肥霾日、晴日不同高度氣溶膠體積退偏比頻率分布Fig.5 Frequency distribution of volume depolarization ratio at different heights on haze day and clear days

3.5 霾日、晴日氣溶膠色比垂直分布特征

色比可以反映氣溶膠粒子的大小,色比越大表明氣溶膠顆粒越大.研究表明一般氣溶膠具有較小的色比值主要集中在 0～0.5,海洋型氣溶膠粒子的色比集中在 0～0.75,煙塵的色比范圍為0～1.5;沙塵粒子的色比范圍為0.25～1.25[7].

晴日各高度層內,隨著色比值增大,頻率減小.即在晴日各高度層均以細顆粒物為主.霾發生時0～2km內色比在 0～0.6的氣溶膠比例為 41.9%,說明合肥霾日低層大氣氣溶膠以一般的陸地氣溶膠細顆粒物為主.在 0～2km高度內,非霾時色比在 0～0.2的氣溶膠比例最高,而霾日色比在0.2～0.4的氣溶膠比例最大,說明霾發生時低層大氣中顆粒物粒徑增大.霾日色比在 0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8范圍內的氣溶膠各高度層累積頻率相對于晴日增加,而色比在 0～0.2、0.8～2.0范圍內的氣溶膠各高度層累積頻率對于晴日減少,說明合肥霾日增加的氣溶膠主要為色比在0.2～0.6的一般陸地性氣溶膠.而對杭州地區的研究[28]表明,因為杭州市區大氣溶膠類型以一般性氣溶膠和海洋型氣溶股為主,霾天0～2km色比在0.5～0.8的氣溶膠明顯增多.合肥霾發生時,在高層(4～6km)大氣中色比在 1.0～2.0之間的氣溶膠累積頻率達到 35.7%,所占比例高于中低層大氣(0～4km),表明霾發生時在高層大氣中容易出現煙塵、沙塵等粒子.

圖6 合肥霾日、晴日不同高度氣溶膠色比頻率分布Fig.6 Frequency distribution of color ratio at different heights on haze day and clear days

4 結論

4.1 在2km以下同一高度霾日的氣溶膠消光系數均明顯大于晴日,即霾發生時氣溶膠主要分布在0～2km大氣內.尤其在0～1km高度內,同一高度霾日消光系數約為晴日的3倍,說明1km內大氣受人為排放氣溶膠影響作用明顯,霾發生時氣溶膠易在0～1km大氣邊界層內聚集.

4.2 在夜間氣溶膠消光系數均隨著高度減小,氣溶膠聚集在近地層;霾發生時,夜間污染物聚集層在500m以下;而在白天,受湍流擴散作用影響,污染物聚集層被抬升至 300～700m,明顯高于夜間.白天與夜間大氣氣溶膠垂直分布存在差別.

4.3 合肥霾日與晴日在大氣垂直高度上均以規則的細顆粒物為主.與晴日相比,霾期間低層大氣顆粒物散射能力大于晴日期間,不規則的、色比在0.2～0.6、后項散射系數在0.001～ 0.0050km-1?sr-1之間的一般陸地性氣溶膠增加.

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Vertical distribution characteristics of aerosol optical properties on haze and clear day in Hefei based on CALIOP satellite measuring.

YU Cai-xia1,2*, YANG Yuan-jian1,2, DENG Xue-liang1,2, Shi Chune1,2, YANG Guan-ying1,2, HUO Yan-feng1,2, ZHAI Jing1,2(1.Key Laboratory of Atmospheric Science and Satellite Remote Sensing, Anhui Institute of Meteorology, Hefei 230031, China；2.Shouxian National Climate Observatory, Shouxian 232200, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1677～1683

Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) Satellite and surface observation data in Hefei were applied to conduct contrastive analysis of 532nm extinction efficient, 532nm total attenuated backscatter coefficient, volume depolarization ratio and colour ratio between haze day and clear day. The results showed during the night-time of haze day, pollutants in Hefei gathered within 100～500m with the maximum extinction coefficient value about 0.55. When haze episodes happened, aggregation level was elevated to about 300～700m due to turbulent and the maximum extinction coefficient reached to 0.67. Compared with clear days, 532nm extinction coefficient within 0～1km during haze days increased by 2times, indicating that aerosols were gathered under 1km height. What’s more, irregular aerosol with colour ratio value between 0.2～0.6, backscatter coefficient value between 0.001km-1?sr-1and 0.005km-1?sr-1increased when haze event happened.

CALIOP；haze；optical property；vertical distribution；aerosol

X513

A

1000-6923(2017)05-1677-07

于彩霞(1988-),女,山東威海人,助理工程師,碩士,主要從事大氣環境研究.

2016-10-09

安徽省淮河流域氣象開放研究基金資助項目(RC201504, HRM201508);公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201206011-04)

* 責任作者, 助理工程師, xiaoyu_abcd@126.com