基于自動能見度資料估算AOD變化特征分析

趙 燃,何曉華,羅海鳴

(1.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗 154100；2.蘿北縣氣象局，黑龍江 蘿北 154200)

基于自動能見度資料估算AOD變化特征分析

趙 燃1,何曉華1,羅海鳴2

(1.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗 154100；2.蘿北縣氣象局，黑龍江 蘿北 154200)

利用2016年蘿北氣象觀測站的自動能見度觀測資料、地面常規觀測資料,應用寬帶消光方法進行反演，建立蘿北縣2016年氣溶膠光學厚度(A0D)的時間序列，采用氣候趨勢分析、相關分析等方法，分析蘿北縣 A0D季、月、日變化特征，結果表明：AOD值隨季節有明顯的變化，冬季AOD值明顯大于其他三個季節，高出其它季節近1倍；1月的AOD值為全年最大，隨后開始下降，4-8月降至全年最低,隨后9月又迅速增大；在日變化曲線上看，A0D值存在2個明顯波峰和波谷。

氣溶膠；寬帶消光方法；光學厚度

1 引言

大氣氣溶膠是指懸浮在氣體中的固體和（或）液體微粒與氣體載體共同組成的多相氣體系，高濃度的氣溶膠產生的低能見度會給人們的日常生活帶來諸多不便。氣溶膠光學厚度 （英文名稱為Aerosol Optical Depth，簡稱AOD）是氣溶膠最基本的光學特性，國內外很多學者對氣溶膠光學厚度的反演及氣溶膠的微觀和宏觀特性進行了研究[1-2]。本文應用自動能見度觀測資料，估算了蘿北縣2016年AOD，并對其變化特征進行了分析。

2 資料與方法

2.1 區域概況

蘿北縣位于黑龍江省東北部，地處小興安嶺東麓低山丘陵與松花江下游平原交界處，與俄羅斯隔黑龍江相望，屬寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫1.57℃，年降水量549.1 mm。

2.2 資料來源

所用氣象資料來源于蘿北縣氣象觀測站(130°50′E、47°34′N，海拔 83.3 m）2016 年 1-12 月的地面觀測資料，常規項目觀測儀器為華云公司生產的CAWS3000型自動氣象站，能見度觀測儀為華云升達公司生產的DNQ1型前向散射式能見度儀。

2.3 資料說明

本文選取資料包括2016年蘿北國家氣象站地面水平能見度、相對濕度及天氣現象資料。能見度觀測儀每天24次定時觀測，能見度以米為單位，本文所用記錄為經數據處理后每日24次正點數據（根據《前向散射能見度儀觀測規范》正點數據為前10 min能見度平均值）。考慮到雨、雪、霧天氣條件下估算AOD時誤差較大，剔除了這些時間段觀測資料，共得到樣本7671個，占全部樣本的87.3%，觀測資料具有普遍代表性。以前能見度觀測為人工觀測時，研究人員僅采用14時觀測資料來估算AOD，為了與先前研究者的研究成果進行對比，本文中對14時資料進行了單獨分析。

2.4 研究方法

在標準狀況下(T=15℃ ,P=1013 hPa),假設氣溶膠服從Junge分布，在這些假設和標準的地面大氣溫度與氣壓條件下,根據Elterman(1970)得到的大氣垂直衰減量與地面能見度的關系,在海拔高度Z(單位:km)上的能見度VZ(單位:km)與訂正到海平面的能見度V(單位:km)之間存在公式1關系:

由此可推得大氣氣溶膠的光學厚度AODE （公式 2）為：

其中，Z是觀測站的海拔高度 （蘿北觀測站海拔0.0083km）， H1=0.886+0.022V km， H2=3.77 km，v*=-2,λ=0.55 μm。

該方法對我國地理分布有較高的敏感性，因此對不同的地區需要進一步訂正，蘿北縣地處我國東北地區,因此本文估算AOD時采用邱金桓所做訂正系數（公式 3）。

根據公式4即可計算出2016年蘿北縣各時次氣溶膠光學厚度（AOD）。

圖1 蘿北縣能見度-氣溶膠光學厚度關系圖

圖1是應用寬帶消光方法對地面觀測資料進行反演，建立的蘿北縣能見度-氣溶膠光學厚度關系圖。對于該方法計算出來的AOD值的可靠性，許多學者和專家做出過相應的檢驗,反演出來的AOD與MODIS中的AOD進行了相關性分析，結果表明兩種結果間的相關性很高,可見該方法計算得到的AOD值具有一定可靠性。

3 AOD特征分析

3.1 AOD年變化

表1 2016年蘿北縣年平均AOD

經估算蘿北縣2016年AOD值為0.28。為了與前人的研究相對照，對14時的資料進行了單獨分析，得到了AOD值為0.23，兩者相差22%，兩個值與以前學者[2]的估算相近，并在NASA觀測值范圍之內（表1）。全天的自動觀測資料有較好的客觀性和代表性，14時是全天AOD最低的時候，單一資料對研究AOD的變化存在誤差。

3.2 AOD季節變化

為了便于分析，并考慮到蘿北縣地處我國東北高緯度地區，按物候學定義11月-次年3月為冬季、4-5月春季、6-8月為夏季、9-10月為秋季，利用各月AOD值計算得到2016年各季節 AOD值。從AOD值的四季分布上看 （圖2）AOD變化特征明顯，冬季 AOD值達 0.38，明顯大于其他三個季節，秋季為0.25，春季、夏季僅 0.2，約為冬季的50%。在24次平均值和14時平均值的對比上看，兩者季節變化趨勢基本相同，春、夏季兩者相差不明顯，秋季達到0.04,冬季則達到0.1，冬季用14時數據代表全天數據是有較大誤差的，用能見度自動觀測數據更能較好的反映AOD的變化特征。

圖2 四季AOD日平均圖

3.3 蘿北AOD月變化

分析2016年逐月平均AOD（圖3），月分布特點是：氣溶膠光學厚度月變化曲線上單一波峰、波谷特征較為明顯，最小值出現在4月和8月，為0.19,最大值出現在1月，為0.43；4-9月出現曲線變化不明顯的特性，AOD波動幅度僅為0.06,此時正是東北地區的春、夏季節，盛行西南風有利于城市上方污染物的遠距離擴散，加之空氣中濕度大，有益于降水形成，濕溫共同作用會影響氣溶膠的形成，雨水的沖刷又大大縮短氣溶膠的生命期，使AOD減少，溫度、濕度表現為與AOD呈現負相關。9月-次年3月份，是北方嚴冬季節，這期間AOD急劇變化特征明顯。從氣候條件上分析嚴冬季節，在冬季風的影響下降水少，不利于空氣污染物的沉降、擴散，局地污染較為嚴重，冬季采暖更提升了大氣中氣溶膠的含量，因此冬季呈現AOD較高的特點，其主要影響因素是人類的生產、生活。

圖3 月平均AOD變化圖

3.4 蘿北AOD日變化

分析2016年年平均各時次AOD，日分布特點是：AOD具有雙峰、雙谷的日變化規律,早7時、晚18時均有最高值為0.39的日高峰，12時、24時則處在谷底。在四季變化的日值圖上，四個季節均有這種變化，只是在冬季較其它季節更為明顯，在北方嚴冬季節，AOD急劇變化特征明顯，日最高值和最低值相差達3倍，在最大程度上影響了年日均線的分布情況。AOD日曲線呈雙峰、雙谷的特征與人類的活動息息相關，早、晚的日高峰時段正是人們出行、生活的高峰時段，冬季黑碳氣溶膠濃度也出現最高值,表明冬季受人為排放的影響最明顯。

4 結論

通過對地面能見度等觀測資料進行反演計算，建立蘿北縣2016年氣溶膠光學厚度（A0D)的時間序列資料，分析了氣溶膠光學厚度的季、月、日的變化特征，結果表明：

（1）利用能見度估算得到的AOD,盡管對極高和極低值的估計還有一定偏差,但可以較好地反映出蘿北縣氣溶膠光學厚度變化特征。能見度自動觀測資料的應用在客觀上提升了估算氣溶膠光學厚度的精度，并對研究AOD日變化提供了第一手的分析資料。

（2）本文估算蘿北縣氣溶膠光學厚度為0.28，處于較低水平，中國AOD分布特征為東南高、西北低,本研究與以前學者研究結論是一致的。

（3）AOD值隨季節有明顯的變化，冬季 AOD值明顯大于其他三個季節，高出其它季節近1倍；1月的AOD值為全年最大，隨后開始下降，4-8月降至全年最低,隨后9月又迅速增大；在日變化曲線上看，A0D值存在2個明顯波峰和波谷。

（4）人為排放對AOD的影響最為明顯，與大氣成份的相關性需要進一步研究。

[1]宗雪梅,邱金桓,王普才,等.近 10年中國 16個臺站大氣氣溶膠光學厚度的變化特征分析[J].氣候與環境研究,2005,10(2):201-207.

[2]秦世廣,石廣玉,陳林,等.利用地面水平能見度估算并分析中國地區氣溶膠光學厚度長期變化特征[J].大氣科學,2010,34(2):449-456.

X16

A

1002－252X(2017)03－0011－02

2017－6－1

趙 燃（1974-），男，黑龍江省富裕縣人，蘭州大學，碩士生，高級工程師.