基于衛星資料的華東地區氣溶膠三維分布特征研究

唐志偉,許瀟鋒,楊曉玥,吳 浩,謝麗鳳

基于衛星資料的華東地區氣溶膠三維分布特征研究

唐志偉,許瀟鋒*,楊曉玥,吳 浩,謝麗鳳

(南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇 南京 210044)

利用MODIS和CALIPSO level2氣溶膠產品,通過統計分析多個氣溶膠光學參數(光學厚度、消光系數、色比和退偏振比)的時空分布及其變化,得出2007~2016年華東地區(27°N~37°N,113°E~123°E)氣溶膠三維分布特征.結果表明,華東地區氣溶膠光學厚度(AOD)年平均呈現出北高南低,平原高、山地低的分布特征.AOD季節分布表現為春夏高,秋冬低,夏季最高,冬季最低,且研究區域北部(31°N以北)AOD季節變化比南部地區劇烈.氣溶膠消光系數(σ)隨高度呈指數衰減,秋冬(春夏)低層σ較大(小)但隨高度衰減較快(慢),2km以下北高南低.年平均色比(CR)隨高度遞增,變化范圍為0.6~0.7,隨時間有減小趨勢.CR季節特征為4km以下春季最大,夏季最小且均一;4km以上冬季最大,夏季最小.年平均退偏振比(PDR)隨高度遞增,變化范圍為0.1~0.25,北部較大.PDR季節特征為5km以下春季最大,夏季最小;5km以上冬季最大,夏季最小.從氣溶膠組成來看,華東地區2km以下以污染沙塵為主;2~5km春季以沙塵為主,其它季節以煙塵為主;5km以上冬春以沙塵為主,夏秋以煙塵為主.

氣溶膠；光學厚度；消光系數；色比；退偏振比

大氣氣溶膠是造成霧霾、酸雨等大氣污染問題的主要原因之一[1],對人體健康和人類生產生活有很大影響.此外,氣溶膠的直接和間接輻射強迫對地氣系統的輻射收支平衡具有重要影響,其空間分布的差異性增強了氣候變化的不確定性.因此,研究氣溶膠的時空分布特征具有重要意義.

目前,研究大范圍氣溶膠分布特征主要采用衛星遙感資料,其中尤以MODIS氣溶膠產品應用最廣泛.MODIS氣溶膠產品的適用性在世界范圍內都獲得了較好的驗證[2~4].利用MODIS氣溶膠產品,很多學者在中國東部平原[5]、西北沙漠[6]以及四川盆地[7]等地區開展了研究.然而,MODIS只能給出整層的氣溶膠光學厚度,無法直接獲取氣溶膠的垂直分布.眾所周知,氣溶膠垂直分布的差異可導致輻射強迫空間分布的不同[8].CALIPSO的星載激光雷達(CALIOP)資料可以直接反演氣溶膠散射系數的垂直分布,進而獲取多個氣溶膠參數的垂直特征[9].因此,越來越多的學者開始利用CALIPSO產品分析氣溶膠的垂直特征[10-12].我國的一些學者也利用CALIPSO開展了中國多個區域的氣溶膠垂直分布研究,許瀟鋒等[14]利用CALIPSO資料分析了華北地區一次霾過程中氣溶膠垂直分布情況,發現本地煙塵和遠距離輸送的沙塵相混合形成的污染沙塵是本次霾過程的主要氣溶膠類型.劉璇等[15]利用CALIPSO資料研究華東地區氣溶膠的垂直分布特征發現該地區春季受到沙塵天氣影響,不規則大粒子增多,可見中國東部地區存在沙塵氣溶膠粒子的輸送.Huang等[13]綜合CALIPSO和地面激光雷達觀測了塔克拉瑪干和戈壁沙漠沙塵傳輸的垂直結構,發現在華東地區上空8~10km存在明顯沙塵層,這與后向軌跡模式得到的塔克拉瑪干和戈壁沙塵傳輸軌跡一致,該層與沙塵源地形成了雙層傳輸結構,造成中國東部地區沙塵的輸送.Guo等[16]結合MODIS和CALIPSO衛星產品得到中國地區氣溶膠的三維分布情況,發現氣溶膠分布受地理特征影響,垂直方向上氣溶膠存在高值層,在高值層以上隨高度增加不斷減小.由此可見,綜合利用MODIS和CALIPSO的氣溶膠產品,有助于更深入的獲取氣溶膠的三維時空分布特征,進而有利于減小氣溶膠輻射和氣候效應研究中的不確定性.

華東地區是我國經濟發展最快、人類活動最活躍的區域之一.近年來,隨著經濟的高速發展,華東地區的霧霾事件有不斷增加的趨勢[17].為了揭示該區域的氣溶膠特征,很多學者從氣溶膠光學厚度[18]、PM2.5濃度[19,43-44]、氣溶膠化學組分[20]以及氣溶膠垂直分布[21]等多個角度開展了相關研究.以上研究多個方面揭示了華東區域氣溶膠的特征及其變化.但是,針對該區域氣溶膠的三維分布研究,尤其是長期變化特征研究,還相對不足.因此,本文利用2007~2016年的MODIS和CALIPSO的氣溶膠產品,綜合分析了華東地區近10a的氣溶膠三維時空變化特征,以期為更深入理解該地區氣溶膠的輻射和氣候特征提供幫助.

1 數據與方法

本文的研究區域為中國華東地區(27°N~37°N, 113°E~123°E),如圖1所示.所用資料為2007~2016年MODIS/Terra 3km氣溶膠光學厚度(AOD)產品和CALIPSO level2氣溶膠廓線和VFM產品,并依據華東地區的氣候特征,定義3~5月為春季(MAM),6~8月為夏季(JJA),9~11月為秋季(SON),12~次年2月為冬季(DJF).MODIS的AOD產品在中國地區已經得到廣泛驗證[22]和應用[23],為了獲得均一的分辨率,本文首先將MODIS 3km數據插值到0.03°×0.03°的網格上,然后對格點數據進行統計平均,得到AOD月平均值,進而計算其年和季節平均.選取2007~2016年CALIPSO level2的532和1064nm氣溶膠廓線產品,統計分析了氣溶膠消光系數、退偏振比和色比的垂直分布特征.色比(CR)為1064和532nm后向散射系數的比值(式1),表征粒子粒徑大小,通常色比越大,粒徑越大.退偏振比(PDR)為532nm后向散射系數的垂直分量與水平分量之比(式2),表征粒子球形度,通常退偏振比越小,粒子越接近球形.