塔克拉瑪干沙漠腹地氣溶膠不同波段散射系數比較

彭艷梅，高　磊，王　舒，肖高翔，何　清，劉新春（.新疆氣象服務中心，新疆　烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆樹木年輪生態實驗室/中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆　烏魯木齊 830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆　塔中 84000）

散射系數代表的是大氣中的氣溶膠、氣體分子、水汽等對太陽輻射的散射情況，反映的是氣溶膠的光學性質，表示對光的消光情況。大氣氣溶膠的存在直接影響光在大氣中的傳播，產生消光作用，即造成光在大氣原傳播方向上的衰減[1]，氣溶膠光學性質的研究是氣溶膠輻射效應及氣候效應研究的重要基礎。

目前積分濁度（Nephlometer）是常用的直接測量氣溶膠散射系數的觀測方法，濁度計就是使用該方法，直接對氣溶膠散射系數（δsp）進行測量。在此觀測基礎上，國內外也開展了較多的相關研究。早期Charlson、Bodhaine B等[2，3]分別運用阿拉斯加Barrow、夏威夷莫納羅亞山（Mauna Loa）、薩摩亞群島（Samoa）以及南極等大氣監測基準站的濁度計資料來分析大分子氣體、氣溶膠的散射特征。此外，國際大氣化學計劃（IGAC）通過多次氣溶膠性質實驗（ACE）也獲得了許多非常有價值的氣溶膠散射數據[4，5]。在觀測基礎上，學者進一步研究氣溶膠散射的影響因素。研究發現，氣溶膠散射除與當地氣象條件高度相關外[6]，與本身粒徑也有很大的關系。一般來說，氣溶膠粒徑越小，對光的散射作用越強[7-10]。

2001年中國氣象局開始實施沙塵暴監測網的建設，共建立了20個沙塵暴監測站點。沙塵氣溶膠光學厚度大，分布范圍廣，且粒徑譜變化范圍很大，其輻射效應比較復雜[11，12]。陳霞、劉新春等[13-17]對沙塵氣溶膠的光學特征進行了分析，取得一定成果。同年，中國氣象局開始在華北、西北共15個沙塵暴監測站點安裝了積分濁度計，隨后胡波、柯宗建、楊蓮梅等[18-20]首批使用積分濁度計觀測資料對氣溶膠散射系數變化特征進行了分析。隨著研究的深入，對氣溶膠散射影響因子的研究更多。目前研究表明，PM2.5、PM10質量濃度、能見度與氣溶膠散射系數有較大相關[21-24]。另外，更多的積分濁度計在城市安裝，使國內氣溶膠散射的研究從沙塵擴展到城市污染型氣溶膠[25-29]。目前國內氣溶膠散射研究多集中在單波段上，對于不同波段散射系數對比分析相對較少，謝銀海[29]、曹賢潔[30]等分別分析了張掖地區和南京地區氣溶膠不同波段散射反照率；Stefano Corradini[31]的研究也表明，氣溶膠對不同波段光的散射能力是不同的。本文利用2010年塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站積分濁度計3通道（450 nm、525 nm、635 nm）觀測資料，對沙漠腹地氣溶膠不同波段散射特征進行初步探討。

1　研究區概況與數據處理

1.1　研究區概況

塔克拉瑪干沙漠是我國最大的沙漠，占全國沙漠總面積的一半，是世界第二大移動沙漠，也是中國沙塵的主要來源。塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站位于38°58′N，83°39′E，建于沙漠腹地200 km，下墊面是大面積移動沙丘。塔中周邊有小面積的生活區和道路周邊少量梭梭，紅柳等，其他地區多為流沙地表[32]。

1.2　數據處理

本文采用的數據主要是2010年塔中試驗站沙塵氣溶膠散射系數值、PM10質量濃度、塔中氣象站地面報表數據。該站常年受沙塵氣溶膠影響，積分濁度計和PM10監測儀分別按照《大氣成分觀測業務規范（試行）》、《沙塵暴天氣監測規范》（GB/T20479-2006）要求都進行了定期維護和標定，以保證觀測數據的質量。

散射系數觀測值來源于塔中試驗站積分濁度計，該試驗站使用的是澳大利亞ECOTECH公司的Aurora 3000型濁度儀，可同時測量450 nm（藍），525 nm（綠）和635 nm（紅）。氣溶膠散射系數（δ sp）的量綱是長度的倒數，以Mm-1（10-6m-1）來進行表示，數據輸出保留的是兩位小數。塔中試驗站的濁度計安放在室內，用軟管將進氣管延伸到屋頂之上，進氣口處離屋頂約1.5 m高，距離地面高度約4 m。該濁度儀觀測時間間隔為5 min，所使用數據是從2010年1月1日0：00開始，至2010年12月31日23：55（北京時間）。剔除每天儀器零氣檢測期間00：00，00：05，0：15三個數據，然后對數據的異常值、缺測、負值進行了甄別，最終總體數據連續性較好，可較好代表全年變化特征，共得到有效監測數據311 202條。

PM10數據來自塔中試驗站安裝的美國自動監測儀TEOM-1400 a型PM10自動監測儀，PM10自動監測儀數據記錄為5 min質量濃度平均值，30 min質量濃度平均值，1 h質量濃度平均值，24 h質量濃度平均值，單位為μg·m-3。對PM10的原始數據進行了檢查，剔除明顯有誤的數據，主要是PM10質量濃度為負數的數據。共計PM10有效數據105 221條。另外，基本氣象資料來自塔中氣象站的地面報表。

將2010年逐日瞬時觀測的積分濁度計散射系數δ sp和PM10濃度求日均值，在此基礎上再求月平均和季度平均。

2　結果分析

2.1　小時平均值分布特征

圖1為2010年塔中氣溶膠各波段散射系數小時平均值分布圖，表示三波段散射系數在各總樣本中出現頻率，三波段散射系數小時平均值有效樣本均為8745個，區間間隔為100 Mm-1。

從小時平均值統計結果來看，散射系數變化范圍很大，其中450 nm：28.0～6 457.3 Mm-1，525 nm：39.6～8 442.8 Mm-1，635 nm：46.8～9 659.6 Mm-1，很明顯波長越長，散射系數小時平均值變動范圍越大，最大值也越大。三波段（450 nm、525 nm、635 nm）散射系數平均值分別為：288.0、318.4、443.8 Mm-1。從圖1可以看出，在＜100 Mm-1時，450 nm出現最多，占20.9%，其次是525 nm，占6.8%；在100～200 Mm-1間，525 nm出現最多，達50.6%，其次是450 nm，占37.5%；在＞200 Mm-1的各區間，除1800～1900 Mm-1外，均是635 nm出現頻率最多，而450 nm和525 nm在＞200 Mm-1的各區間出現頻率差距較小。450 nm和525 nm在0～200 Mm-1的頻率分別是58.4%、57.4%，超過一半散射系數小時平均值位于該區間；635 nm在0～200 Mm-1的頻率為15.6%，大多數小時平均值位于＞200 Mm-1區間。說明塔中氣溶膠對635 nm的太陽輻射的散射作用最大，其次是525 nm，最小為450 nm。

圖1　2010年塔中三波段散射系數小時平均值分布

2.2　散射系數日變化特征

圖2為2010年塔中散射系數的日變化。從圖2可以看出，塔中三波段散射系數變化趨勢與PM10質量濃度基本一致，都具有夜間高、白天低，且明顯的日變化特征。在凌晨出現峰值，之后逐漸下降，至下午出現谷值，然后再逐步上升出現次日的峰值。在整個日變化中，始終保持635 nm散射系數＞525 nm，525 nm散射系數＞450 nm。另外，日變化波動程度也隨波長增大而增大，635 nm散射系數變化范圍：399.6～519.5 Mm-1，525 nm：276.4～387.0 Mm-1，450 nm：249.8～335.5 Mm-1。

圖2　2010年塔中各波段散射系數與PM10質量濃度的日變化

塔中氣溶膠PM10濃度隨著入夜開始增大，至0時達到最大，三波段散射系數也是隨著日落而增大，均在凌晨02時出現最大值；三波段散射系數日最小值與PM10濃度最小值同時出現在17時，無明顯次峰值，日變化都呈單峰變化。這與大多城市氣溶膠散射研究結論不同，城市氣溶膠散射系數日變化基本上是雙峰型[18，19]。本研究與城市氣溶膠散射系數日變化的極小值都在出現在午后，基本相同；但是極大值出現時間卻相差較遠。這主要是因為除了氣象條件，城市大量的人類活動也是影響氣溶膠濃度的主要因素之一，表現在人類活動產生氣溶膠的高峰時段（機動車輛的排放、居民烹飪燃燒）多為城市氣溶膠散射系數出現峰值時。而沙漠腹地人為影響很小，除強烈的沙塵天氣時，氣溶膠濃度日變化主要由大氣穩定度決定。沙漠地區在深夜逆溫比較強烈，清晨隨著太陽輻射的增強，逆溫結構被破壞（圖3），氣溫升高，濕度減小，大氣對流運動逐漸增強。氣溫和風速在17時達到一天中的最大值，相對濕度達到最小值，形成較好的擴散條件，氣溶膠濃度較低，PM10濃度達到最小，散射系數也在17時出現谷值。隨著日落，大氣開始趨于穩定，氣溫降低，對流減弱，風速減小，濕度增加，使得擴散條件逐漸變差，PM10濃度逐漸增大，散射系數也開始逐漸回升，PM10濃度在0時達到峰值，而三波段散射系數值在02時達到峰值。在整個日變化過程中，始終是635 nm散射系數＞525 nm，525 nm散射系數＞450 nm，且635 nm與525 nm間的差值＞525 nm與450 nm的差值。進一步說明塔中氣溶膠對635 nm的太陽輻射的散射作用最明顯。

2.3　2010年塔中散射系數年變化特征

圖3　2010年塔中氣溫、相對濕度、風速的日變化

圖4是2010年塔中氣溶膠三波段散射系數與PM10質量濃度年變化，三波段散射系數年變化趨勢基本一致，且都與PM10質量濃度變化接近。年變化中，3月450 nm散射系數最大；其余月份均是635 nm散射系數最大。各月三波段散射系數間大小排序略有差異，1～5月，除3月散射系數平均值是450nm最大，635 nm次之，525 nm最小外，另外4個月均是635 nm最大，450 nm次之，525 nm最小。6—12月三者大小排序則一致，635 nm最大，525 nm次之，450 nm最小。

圖4　2010年塔中三波段散射系數與PM10質量濃度年變化

三波段散射系數月均值的極值出現時間不同。450 nm散射系數在9月最小，為97.3 Mm-1；525 nm和635 nm散射系數最小都出現在2月，分別為145.9、233.6 Mm-1；450 nm散射系數在2月也較小，僅次于最小值。因為秋冬季節塔中沙塵天氣較少發生，且塔中地區冬季氣溫低，2010年冬季平均氣溫-6.6℃，天氣寒冷，整個冬季除2月有2 d未結冰外其他時間均結冰，地表沙塵不易被吹入大氣中，因此2月塔中氣溶膠散射系數都較小。PM10質量濃度月均值最小出現月份與三波段都不一致，出現在10月，為194.3 μg·m-3。450 nm和525 nm散射系數均在4月出現最大值，分別為531.9、503.8 Mm-1，635 nm散射系數最大值出現在6月，為685.7 Mm-1，次大值為671.0 Mm-1，出現在4月。PM10質量濃度月均值最大出現月份與450 nm和525 nm一致，也是在4月，為1 013.7 μg·m-3。結合塔中地面報表，2010年沙塵暴日數出現最多的是4月，達7 d；6月雖然出現沙塵暴只有2 d，但是揚沙和浮塵日數高達16 d和21 d（表1）。表明塔中氣溶膠三波段散射系數都與沙塵天氣有明顯的相關性。

2.4　不同沙塵條件下散射系數變化特征

圖5是三種不同沙塵天氣下三波段散射系數的變化圖。其中，沙塵暴天氣選取6月25日16：42—20：00，揚沙天氣選取4月8日14：40—18：50，浮塵天氣選取4月4日13：55—20：00。圖5中時間分別是沙塵天氣發生前后各延長3 h。

表1　2010年塔中各月沙塵日數統計　d

圖5　2010年塔中不同沙塵天氣下三波段的散射系數變化

從圖5可以看出，三個波段散射系數在不同沙塵天氣下，隨時間的變化基本一致。各波段散射系數均是沙塵暴天氣時最大，揚沙次之，浮塵最小。從圖5a看出，隨著沙塵暴的發生，三波段的散射系數均逐漸升高，三個波段在沙塵暴過程中平均值分別是：2 183.3、2 273.6、2 640.2 Mm-1，三者都明顯大于年均值，沙塵暴對太陽輻射的衰減明顯。沙塵暴過程，基本保持635 nm散射系數最大，525 nm次之，450 nm最小。在揚沙天氣下（圖5b），三者平均值分別是（450 nm到635 nm）：350.6、341.4、456.2 Mm-1，揚沙過程，仍保持635 nm散射系數最大，但450 nm散射系數略大于525 nm。這在浮塵天氣（圖5c）中表現得更為明顯，三者平均值分別是（450 nm到635 nm）：205.8、142.9、247.1 Mm-1。過程中除635 nm散射系數保持最大外，450 nm散射系數明顯大于525 nm。不同沙塵天氣下，氣溶膠對三波段的散射作用不同。不同沙塵天氣下，塔中氣溶膠對635 nm散射作用都是最明顯的，對450 nm和525 nm散射作用不同：沙塵暴時，對525 nm的散射作用＞450 nm，在揚沙和浮塵時，對450 nm的散射作用＞525 nm，尤其在浮塵時。

2.5　散射系數與PM10質量濃度的關系

圖6是2010年塔中三波段散射系數與PM10質量濃度小時值點聚圖。3個波段與PM10質量濃度的相關性通過α=0.05顯著水性水平的檢驗，說明3個波段與PM10質量濃度具有顯著的正相關關系。從圖6可知，450、525、635 nm與PM10質量濃度的相關系數相差不大，分別為0.876、0.879、0.860，PM10質量濃度在一定程度上都能反映3個波段散射系數的大小。

圖6　2010塔中三波段散射系數與PM10質量濃度小時值點聚圖

各季內三波段散射系數與PM10濃度相關程度顯著（通過α=0.01顯著性水平下檢驗），除秋季450 nm以外，其余季節各波段均超過0.8。但是季節內相關系數差異大于年均值（表2）。春、冬季450 nm散射系數與PM10濃度相關系數最大，525 nm次之，635 nm最小。夏、秋季相關系數則是525 nm最大。各波段中，不同季節的相關系數不同，450 nm在春季相關系數最大，為0.919，其次為冬季，秋季最小；525 nm在秋季最大，為0.922，其次是春季，冬季最小。635 nm也是在秋季最大，為0.919，其次是春季，夏季最小。

表2　2010年塔中各季節三波段散射系數與PM10質量濃度小時值相關系數

3　結論

（1）塔中氣溶膠三波段散射系數平均值分別（從450 nm到635 nm）為：288.0、318.4、443.8 Mm-1。塔中氣溶膠對635 nm太陽輻射的散射作用最大，其次是525 nm，最小為450 nm。

（2）三波段散射系數日變化一致，都呈單峰變化：夜間高、白天低，具有明顯日變化特征。在整個日變化中，散射系數始終保持635 nm最大，525 nm次之，450 nm最小。

（3）三波段散射系數年變化基本一致。1—5月中，除3月散射系數是450 nm最大，635 nm次之，525 nm最小外，另外4個月均是635 nm最大，450 nm次之，525 nm最小。6—12月散射系數則均是635 nm最大，525 nm次之，450 nm最小。

（4）三波段散射系數均是沙塵暴天氣時最大，揚沙次之，浮塵最小。不同沙塵天氣下，塔中氣溶膠對635 nm散射作用都是最明顯的，對450 nm和525 nm散射作用不同：沙塵暴時，對525 nm的散射強于450 nm，在揚沙和浮塵時，對450 nm的散射強于525 nm，尤其在浮塵時。

（5）三波段散射系數與PM10質量濃度都顯著正相關，PM10質量濃度與525 nm散射系數相關程度最大，450 nm次之，635 nm最小。但是季節內相關程度略有差異：春、冬季PM10濃度與450 nm散射系數相關程度最大，525 nm次之，635 nm最小。夏、秋季則是525 nm最大。各波段不同季節相關系數也有較大差距，450 nm在春季相關系數最大，其次為冬季，秋季最小；525 nm在秋季最大，其次是春季，冬季最小。635 nm也是在秋季最大，其次是春季，夏季最小。