北京沙塵天氣期間氣溶膠光學(xué)特性分析

趙松林 鄧梅 趙輝 廖柏林 王雪琦 李瑤 蘇仲銘

摘要 利用全球地基氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)（AERONET）資料，分析了北京地區(qū)2001—2013年沙塵天氣期間氣溶膠的光學(xué)特性。結(jié)果表明，北京沙塵天氣期間受沙塵粒子的影響，氣溶膠光學(xué)厚度值（AOD）較大，且隨波長(zhǎng)增大而減小，在波長(zhǎng)440 nm處平均值約為1.2;氣溶膠Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)97.62%都聚集在0.7以下，說(shuō)明北京沙塵天氣期間粒子較大;沙塵天氣期間單次散射反照率隨波長(zhǎng)增加而增加，平均值約為0.93;復(fù)折射指數(shù)實(shí)部在波長(zhǎng)675 nm處最大，平均約為1.55，虛部在440 nm處最大，平均值達(dá)到0.006;總的不對(duì)稱(chēng)因子平均值約為0.72;北京地區(qū)沙塵天氣期間氣溶膠粒子譜型呈雙峰分布，且以粗模態(tài)粒子為主，其峰值隨光學(xué)厚度的增大而增大，粗模態(tài)粒子的峰值半徑平均約為2.6 μm。這些參數(shù)對(duì)于深入研究沙塵氣溶膠的輻射效應(yīng)和氣候效應(yīng)都是必不可少的。

關(guān)鍵詞 沙塵氣溶膠;光學(xué)厚度;Angstrom波長(zhǎng)指數(shù);單次散射反照率;復(fù)折射指數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2020）02-080-04

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.02.031

Optical Properties of Aerosol during the Dust Weather in Beijing

ZHAO Song-lin? et al（Loudi Meteorological Bureau，Loudi，Hunan 417000）

Abstract The global network of ground aerosol observation （AERONET） data was used to analyze the optical properties of aerosol during the dust weather in Beijing from 2001 to 2013. The results showed that account of the dust particles impaction during the dust weather in Beijing，the aerosol optical thickness （AOD） was large，which decreased with the wavelength increasing，and the average value was about 1.2 at the wavelength of 440 nm. 97.62% of aerosol Angstrom exponent gathered below 0.7，indicating that the particles were large during the dust weather in Beijing. The single scattering albedo during the dust weather increased with the wavelength increasing，and the average value was about 0.93. The real part of the complex refractive index at the wavelength of 675 nm was the most，and the average was about 1.55，and the largest imaginary part was at the wavelength of 440 nm，reaching 0.006. The total asymmetry factor average was about 0.72. The aerosol volume size distribution was a bimodal distribution type during the dust weather in Beijing，mainly concentrated in coarse particles，and the main peak value increased with the aerosol optical thickness increasing，the average radius of the peak was about 2.6 μm. All these parameters were essential for further study of the radiation effects and climatic effects of dust aerosol.

Key words? ?Dust aerosol;Optical thickness;Angstrom exponent;The single scattering albedo;The complex refractive index

沙塵天氣作為一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，屬于大氣氣溶膠的一種極端現(xiàn)象。沙塵暴的頻繁發(fā)生向大氣中輸入大量沙塵粒子，并在氣流的攜帶下進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送[1]，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和大氣環(huán)境產(chǎn)生重大影響。沙塵作為氣溶膠的主要成分之一，不但可以反射太陽(yáng)輻射，還可作為云的凝結(jié)核影響云滴數(shù)濃度和有效半徑，從而改變?cè)频墓鈱W(xué)厚度和生命期;沙塵粒子的吸收特性也會(huì)影響大氣輻射的加熱結(jié)構(gòu)[2]，沙塵氣溶膠不僅會(huì)改變區(qū)域的大氣輻射特性，另外，還對(duì)區(qū)域的水循環(huán)、季風(fēng)系統(tǒng)和局地的氣候環(huán)境造成很大影響[3]。北京地區(qū)處于蒙古國(guó)和內(nèi)蒙等地區(qū)沙塵暴發(fā)生地的下風(fēng)向位置，遠(yuǎn)距離輸送的外來(lái)沙塵造成北京地區(qū)沙塵天氣頻繁發(fā)生，引起了科學(xué)家們的高度關(guān)注。

氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）、單次散射反照率（SSA）、復(fù)折射指數(shù)（RI）、不對(duì)稱(chēng)因子（ASY）以及體積譜分布等是估算其輻射強(qiáng)迫的關(guān)鍵參數(shù)。目前，在沙塵氣溶膠氣候環(huán)境影響評(píng)估方面仍存在很大的不確定性[4]，主要原因在于對(duì)沙塵源區(qū)、沙塵傳輸過(guò)程以及氣候系統(tǒng)反饋機(jī)制的認(rèn)識(shí)不足，另外，缺乏沙塵氣溶膠物理、化學(xué)以及光學(xué)特性系統(tǒng)資料。近年來(lái)，有大量學(xué)者對(duì)亞洲地區(qū)沙塵的源地、傳輸路徑以及光學(xué)特性等進(jìn)行了大量研究，并取得了一定成果。Mori等[5]研究分析了亞洲沙塵遠(yuǎn)距離輸送過(guò)程中氣溶膠面積譜和化學(xué)組分;Liu 等[6]用CALIPSO雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析撒哈拉沙漠長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中沙塵氣溶膠的光學(xué)特性;延昊等[7]采用遙感數(shù)據(jù)分析了東亞沙塵的源地、傳輸路徑和時(shí)空分布的特征;徐超等[8]采用AERONET數(shù)據(jù)對(duì)比分析了恒河流域和蒙古國(guó)沙塵氣溶膠的光學(xué)物理特性。在沙塵氣溶膠光學(xué)特性方面的研究較多地針對(duì)接近沙塵源區(qū)的干旱和半干旱地區(qū)[9]，而對(duì)于北京等沙塵輸送的下游地區(qū)氣溶膠光學(xué)及微物理特性長(zhǎng)期研究較少[10]。所以，加強(qiáng)北京地區(qū)沙塵天氣情況下沙塵氣溶膠光學(xué)特性的觀測(cè)研究分析，以期為深入研究北京地區(qū)大氣氣溶膠的特點(diǎn)、區(qū)域環(huán)境以及氣候效應(yīng)提供依據(jù)。

不對(duì)稱(chēng)因子表示氣溶膠粒子前向散射能力的大小，對(duì)于瑞利散射認(rèn)為其ASY值為0;對(duì)于完全前向散射ASY值為1;當(dāng)ASY值為-1時(shí)認(rèn)為粒子完全后向散射。由圖3可以看出，北京地區(qū)沙塵天氣期間不對(duì)稱(chēng)因子在440～675 nm波段隨波長(zhǎng)的增大而減小，在440 nm波長(zhǎng)處不對(duì)稱(chēng)因子平均值為0.74;在675～1 020 nm時(shí)隨波長(zhǎng)變化不明顯，平均約為0.70。

氣溶膠粒子復(fù)折射指數(shù)包括實(shí)部和虛部，實(shí)部反映氣溶膠粒子的散射能力，而虛部反映粒子的吸收能力，是反映氣溶膠粒子光散射和吸收能力的基本參數(shù)，其大小與粒子的尺度、組成以及形狀半徑等有密切關(guān)系。高的實(shí)部值表示散射型的氣溶膠，虛部值較大時(shí)表示吸收型的氣溶膠[19]。由圖3可知，復(fù)折射指數(shù)的實(shí)部在波長(zhǎng)440～675 nm隨波長(zhǎng)的增大而增大，在675～1 020 nm變化不明顯，在4個(gè)波段的平均值約為1.55，在675 nm處最大，約為1.56;復(fù)折射指數(shù)的虛部在440 nm處最大，約為0.006，在4個(gè)波段的平均值約為0.004。礦物沙塵粒子的復(fù)折射指數(shù)實(shí)部范圍為1.53±0.05，虛部一般小于0.006[20]。

2.4 北京地區(qū)沙塵天氣天數(shù)的月平均變化和年際變化

由圖4a可以看出，觀測(cè)的總天數(shù)和統(tǒng)計(jì)的沙塵天數(shù)變化一致，呈單峰型分布，若不考慮儀器等外在因素條件的影響，則觀測(cè)的天數(shù)主要受天氣條件的影響，季風(fēng)期的季風(fēng)系統(tǒng)帶來(lái)的大量水汽造成的陰雨天氣不利于觀測(cè)，一般在季風(fēng)前期的觀測(cè)天數(shù)相對(duì)較多。圖4a顯示北京地區(qū)沙塵天氣主要集中在春季和冬季，主要是因?yàn)槠陂g干旱少雨，有利于產(chǎn)生大風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)等不穩(wěn)定天氣條件和沙塵源分布等。圖4b為2001—2013年北京地區(qū)沙塵天氣逐年的變化趨勢(shì)，擬合線的置信度為95%。從圖4b可以明顯地看出，在北京地區(qū)2001—2013年的沙塵天氣天數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，由于采取了一系列有效的沙塵治理手段，逐漸減小了沙塵天氣的影響。

3 結(jié)論

（1）北京地區(qū)沙塵天氣情況下受沙塵粒子的影響，氣溶膠光學(xué)厚度較大，440 nm處平均值約為1.2;且氣溶膠光學(xué)厚度隨波長(zhǎng)的增加而減小，說(shuō)明沙塵粒子對(duì)波段的選擇性。氣溶膠Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)97.62%都聚集在0.7以下，AOD>0.6時(shí)，90.48%的ɑ波長(zhǎng)指數(shù)都小于0.6，說(shuō)明北京沙塵天氣期間粒子較大。

（2）沙塵天氣期間氣溶膠體積譜分布呈雙峰型，以粗模態(tài)粒子為主，且主模態(tài)峰值隨光學(xué)厚度增大而增大，峰值半徑平均約為2.5 μm，沙塵天氣期間粗模態(tài)的體積濃度是細(xì)模態(tài)的體積濃度的6.5～19倍。

（3）沙塵天氣期間單次散射反照率隨波長(zhǎng)增加而增加，平均值約為0.93;不對(duì)稱(chēng)因子在波段675～1 020 nm的平均值約為0.70;氣溶膠復(fù)折射指數(shù)的實(shí)部和虛部在4個(gè)波段的平均值分別約為1.55和0.004，說(shuō)明沙塵天氣期間以粗粒子散射為主。

（4）北京地區(qū)沙塵天氣主要集中在春季和冬季，且在2001—2013年的沙塵天氣天數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

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責(zé)任編輯：鄭丹丹