我國西南地區吸收性氣溶膠時空分布

王新瑩,李穎芳,桂 柯,廖婷婷 (1.成都信息工程大學大氣科學學院,高原大氣與環境四川省重點實驗室,四川 成都 610225；2.中山大學大氣科學學院,廣東 珠海 510275；.中國氣象科學研究院,大氣成分與環境氣象研究所,北京 100081)

吸收性氣溶膠對太陽輻射有強烈的吸收作用,可分為黑碳(BC)、有機碳(OC)以及沙塵(Dust).煙塵氣溶膠(主要由OC和BC組成)作為一種對亞洲地區影響較大的吸收性氣溶膠,在大氣中經歷一系列化學過程后后可對大氣產生增溫或降溫作用[1-2];還可以通過其光散射效應和對云微物理過程的影響,擾亂區域天氣狀況和全球輻射收支平衡[3-4].此外,煙塵氣溶膠可以降低源區和下風區的能見度和空氣質量[5];在長時間尺度上對云的垂直發展以及降水頻率產生影響[6].由于快速的城市化與工業化越來越多的氣溶膠排放進入大氣[7],考慮到吸收性氣溶膠在氣候變化中所起的作用,許多科學家對吸收性氣溶膠的氣候效應、光學特征及分布特征進行了系統的研究.劉旻霞等[8]研究發現臨汾地區吸收性氣溶膠為碳質主導,且西安為沙塵與碳質共同作用;侯燦等[9]利用CALIOP數據分析氣溶膠垂直結構發現不同類型的沙塵氣溶膠分布于地表及以上 3km的不同位置;張國強等[10]對寧夏吸收性氣溶膠的時空分布進行了研究并分析了其主要影響因子;李逢帥等[11]發現汽車尾氣、工業排放以及建筑粉塵是甘肅省吸收性氣溶膠的重要來源.

由于地理特征的不同,我國西南地區分為3部分:四川盆地、云貴高原以及青藏高原.四川盆地在經濟高度發展的同時,區域排放加之人類經濟活動導致了其吸收性氣溶膠的積累[12],常出現嚴重污染事件[13-14];云貴高原地區排放量相對四川盆地來說較小,但受生物質燃燒影響較大[15-16];青藏高原代表典型的清潔大氣條件,是一個理想的評估人類活動影響的站點[17].考慮到吸收性氣溶膠對地面輻射收支所產生的影響以及對大氣和環境造成的負面效應,以及目前對吸收性氣溶膠的變化趨勢,特別是空間三維分布研究較少,本研究利用統計方法,對我國西南地區吸收性氣溶膠的三維時空分布及演變趨勢進行研究,旨在為評估西南地區區域性氣溶膠氣候效應提供參考.

1 數據與方法

1.1 CALIOP氣溶膠產品數據

CALIPSO能夠獲取氣溶膠和云的垂直分布信息,辨別氣溶膠和云的種類.(https://www-calipso.larc.nasa.gov/resources/calipso_users_guide/data_sum maries/index.php)本文使用2007至2016年共10a的CALIPSO Level2夜間氣溶膠廓線產品(05kmAPro,V4.20),其具有夜間探測閾值更低的優勢[18].數據水平分辨率為 5km,垂直分辨率在 0.5～8.2km為 30m,在8.2～20.2km為60m,本文中高度均指平均海平面以上(a.m.s.l).由于Level 2數據產品是由Level 1反演得到,其結果存在不確定性,故本文質量控制(表1),并根據研究目的和研究區域的特點對廓線進行篩選,以提高數據質量及可信度.CALIPSO V4產品將氣溶膠分為6種類型:清潔海洋型、沙塵、污染大陸型、清潔大陸型、污染沙塵型和煙塵氣溶膠[18-19].廓線描述標記產品(Atmospheric Volume Description,AVD)為16位二進制編碼,當1～3位數字對應為十進制數3時確定該點為氣溶膠類型,10～12位數值對應為十進制數 6時,確定該點為本文研究對象煙塵氣溶膠(Elevated Smoke, ES).

表1 CALIPSO氣溶膠EC質量控制的條件概述Table 1 Overview of the conditions for quality control of CALIPSO EC data

1.2 再分析產品

1.2.1 MERRA-2氣溶膠產品數據 Merra-2再分析數據(Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications)可提供長期全球觀測并對太空氣溶膠觀測的同化結果進行再分析,再分析的結果考慮了氣候系統中氣溶膠與其他物理過程之間發生的相互作用,提供了包括氣溶膠數據、氣象場和臭氧等的信息,并給出了不同類型氣溶膠的特性,如黑碳、沙塵、有機碳、硫酸鹽等[20].本研究使用 2007～2016年 MERRA-2月產品數據集 tavg1_2d_aer_Nx (M2T1NXAER)中500nm處的BC和OC相關數據集,用于分析我國西南地區吸收性氣溶膠光學厚度(AAOD)的空間分布與時間變化趨勢.Merra-2數據在經向與緯向上分別有576和361個格點,水平空間分辨率為 0.5°×0.625°.

1.2.2 ECMWF氣象數據 使用由歐洲中期數值預報中心(ECMWF)發布的第 5代全球氣候再分析數據產品ERA5數據集進行風場分析.EAR5數據集分為 2類:分氣壓層提供的數據以及單一層次的數據,氣壓層數據包含了從1000hPa(地面)到1hPa的37個氣壓層上的16個大氣量,主要包括云量、位勢高度、位勢渦度、相對濕度、水平風速以及垂直風速等.為研究區域輸送對于四川盆地以及云貴高原地區吸收性氣溶膠分布的影響,使用不同氣壓層的月平均數據集中 850hpa高度處的平均風場(https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysi s-era5-pressure-levels-monthly-means?tab=overvie w).同時利用一元線性回歸法分別計算了 AAOD的季節以及年際變化趨勢,即建立時間與變量的一元線性回歸方程,通過對每個格點數據進行線性回歸分析來了解 AAOD的長期變化趨勢.為檢驗變化趨勢是否顯著,對結果進行了 95%的顯著性檢驗,通過顯著性檢驗的格點用“+”標出,若通過顯著性檢驗,則表明該格點變化趨勢是顯著的.

選取的空間尺度為 22°N～40°N,70°E～110°E,根據不同的地理和地貌特征,將西南地區劃分成為 3個地理單元:四川盆地、云貴高原和青藏高原,其區域劃分邊界如圖 1所示.根據研究區域的氣候特點,本文對季節作如下劃分:3～5月為春季,6～8月為夏季,9～11月為秋季,12月～次年2月為冬季.

圖1 中國西南地區區域劃分及地形Fig.1 Regions as defined in this work (in boxes above)overlaied on top of the topographic height over southwestern China

2 結果與討論

2.1 吸收性氣溶膠空間分布及季節變化特征

從圖2可以看出,四川盆地為BC的主要集中分布地區,呈現出冬季>秋季>春季>夏季的特征.冬季AAOD值可達到0.056以上;夏季最小但數值仍保持在0.035以上,這說明四川盆地BC污染物主要與人為排放有關[21].冬季氣溫低,風速小,相對濕度小且邊界層高度低,污染物容易累積[22],使得四川盆地冬季常出現重污染事件,表現為冬季四川盆地存在 BC AAOD凸顯值的特征[23-24];夏季 BC值最小,一部分原因是由于夏季是四川盆地降水發生的主要季節,而濕沉降是BC的主要清除方式之一;另一部分原因則是由于夏季天氣炎熱、大氣對流旺盛、大氣層結不穩定的條件利于 BC擴散[25].由于地形原因,四川盆地內部常為靜風區,因此風速對BC變化的影響較小.在盆地內,風速與氣溶膠光學厚度之間的弱相關也得到了研究的證實[11,26].云貴高原地區也分布有一定的 BC,但僅在春季有較為明顯的數值分布.云貴高原春季盛行偏西風,Zhu等[27]研究發現在緬甸地區上空存在上升氣流,而在云貴高原附近存在下沉氣流,緬甸北部存在的較厚的氣溶膠層由盛行西風傳輸到研究區,故云貴高原春季BC AAOD的大值可能是來自源區的氣溶膠經長距離輸送到下風向區域的結果.

圖2 2007～2016年Merra-2BC AAOD的季度均值與850hPa風場疊加分布Fig.2 Climatological seasonal averages of BC AAOD (from MERRA-2) from 2007 to 2016 (stipples are the 850hpa wind field from ERA-5)

2.2 吸收性氣溶膠時間變化趨勢

由圖3可見,最為明顯的區域為印度北部恒河流域、云貴高原南部地區以及四川盆地,三者均存在明顯的減小趨勢(-0.05/a及以上),同時在河套上游地區也發現了一定程度的增大趨勢(小于0.02/a).四川盆地位于青藏高原的背風坡,在大地形的影響下當地的氣象狀況、污染物擴散條件較為固定;且與OC、沙塵不同,四川盆地當地的BC除源于自然的生物質燃燒外,幾乎全部來自于人為燃燒過程[28].因此在四川盆地出現顯著下降趨勢可能與國家制定更為嚴格的排放政策與控制標準,污染物的排放減少有關[12].同時有研究對寧夏附近地區吸收性氣溶膠的變化趨勢進行分析,發現吸收性氣溶膠含量存在規律性波動、總體上升的特征,與圖3的結果一致,這與當地地理環境(黃土高原、沖積平原)條件有關,污染物不易擴散,使得在全國總體存在污染物下降趨勢的背景下寧夏附近扔出現上升趨勢[29].

圖3 Merra-2BC AAOD 2007～2016年年變化趨勢分布Fig.3 Annual trend from 2007 to 2016as calculated from MERRA-2BC AAOD

由圖4可以發現,四川盆地的BC含量在春季與冬季均出現了一定程度的下降,但僅有春季的趨勢系數分布通過了顯著性檢驗;云貴高原南部地區在春秋冬 3個季節均呈現不同程度的下降趨勢,其中春季下降趨勢最為明顯.4個季節中變化幅度最大的區域出現在春季的云貴高原南部地區,趨勢系數可達到-0.05/a.

圖4 Merra-2BC AAOD 2007～2016年的季度變化趨勢分布Fig.4 The seasonal trend distribution of MERRA-2BC AAOD from 2007 to 2016

2.3 吸收性氣溶膠三維分布特點

考慮到煙塵氣溶膠以BC與OC為主,且OC在西南地區占比很小[30],故可以用煙塵氣溶膠的結果來描述BC氣溶膠在研究區中的時空分布,用總消光系數(EC)來描述煙塵氣溶膠在大氣中的分布情況.從圖5中可以看出,3個區域BC的垂直分布存在明顯的季節變化及區域特性:四川盆地BC濃度水平在夏秋季節較高,春季最小,且主要集中在3km以下,這表明四川盆地的BC氣溶膠主要來自于本地源的貢獻.春季BC垂直廓線在3km左右存在一個小峰值;夏秋季節的高值與每年夏收和秋收之際相對應,此時四川盆地內存在有大量的秸稈燃燒,排放的污染物導致了高值的出現[31].

圖5 CALIPSO Level2氣溶膠廓線產品中煙塵氣溶膠EC區域垂直廓線Fig.5 Seasonal climatology of the CALIPSO level2 vertical extinction profile of smoke aerosols over the three regions used in this paper

CALIPSO中的氣溶膠廓線產品較好的彌補了再分析數據產品中青藏高原處吸收性氣溶膠的信息缺失.青藏高原的BC濃度明顯低于四川盆地以及云貴高原,除夏季之外,其他 3個季節均呈現由低層向高層遞減的趨勢,表明青藏高原的BC氣溶膠主要來自低層向高層的輸送.其中夏季濃度最高,在 6～8km處存在一峰值,這是由于青藏高原夏季為熱源,熱力效應使得青藏高原有上升氣流,邊界層被抬升,使得BC沿著青藏高原斜坡向上輸送[32].

云貴高原BC氣溶膠濃度在2～5km的季節變化十分明顯,春季BC濃度從低層至5km左右明顯高于其他季節,利用再分析數據產品所得出的結論一致.且垂直廓線在 2～3km左右形成一個峰值,由這種垂直結構可以推斷,云貴高原上空BC分布除了由本地春耕時的生物質燃燒的低層排放產生外還存在高空輸送,這可能受春季東南亞地區生物質燃燒排放的氣溶膠高空輸送的影響[16,33].

相較于圖4,圖6能清晰的看出BC不同層次的逐年浮動變化以及同一年份的垂直分布狀況.3個地區的EC分布均集中在5km以下;四川盆地的總EC最大,青藏高原最小.從時間變化上來看,云貴高原和四川盆地從2013年起開始出現下降趨勢,以四川盆地更明顯.BC氣溶膠在青藏高原的抬升高度較高,可以被抬升到8～10km左右的高度;云貴高原BC氣溶膠分布主要集中在 2～4km左右;四川盆地則集中在1～3km左右.

圖6 基于CALIPSO Level2氣溶膠廓線產品得到的2007～2016年區域煙塵氣溶膠EC垂直分布時間序列Fig.6 Time series of annual mean vertically resolved extinction coefficient of smoke aerosols over the three regions

如圖7所示,青藏高原夏季煙層主要分布在海拔6km以上,印度恒河流域夏季煙塵氣溶膠層高于其他季節,由于煙塵氣溶膠是一種不易溶解的物質,不能被雨水清除,但它可以被提升到對流層上部并輸送到青藏高原[34];對云貴高原而言,春季 EC值明顯較高.在中國西南地區,干季(11月至次年4月)生物質燃燒對空氣質量影響較大,其相關污染物甚至可輸送至東北太平洋[35].Zhu等[13]研究發現,東南亞的火災點最多發生在 3月和 4月,且云貴高原受西風氣流控制,煙塵氣溶膠可以隨西風輸送到我國西南地區,從而導致春季云貴高原出現煙塵氣溶膠的高值.

圖7 基于CALIPSO Level2氣溶膠廓線產品得到的2007～2016年區域煙塵氣溶膠EC隨海拔高度逐年季節變化Fig.7 Time series of year-by-year seasonally averaged mean vertically resolved extinction coefficient of smoke aerosols, over the three regions

青藏高原與四川盆地的最大值均出現在夏季,與圖 2中該區域最大值出現于冬季的結果不符.可能與主導 AAOD的氣溶膠類型不同有關,有研究發現四川盆地在冬季污染大陸型氣溶膠以及污染性沙塵占比較大,人為因素影響顯著,而 BC氣溶膠占比較小[36].云貴高原的分布則與圖 2春季數值最大的結果較為相符,說明BC對當地的AAOD影響最為主要.

2.3.2 三維分布特征 在垂直方向上以 1km為間隔,分層顯示1～6kmEC的垂直分布,并分別選取經過3個研究區域的代表性經緯度剖面進行分析,即85°E,95°E,105°E 作緯向平均,選取 24°N,32°N,38°N經向平均.

由圖 8可以看出,西南地區存在明顯的東高西低,南高北低的分布特點:BC氣溶膠主要分布在青藏高原東南部人類活動頻繁的恒河平原和青藏高原東部的四川、貴州一帶,高度在4km以下,明顯的大值則分布在3km以下.

圖8 基于CALIPSO Level2氣溶膠廓線產品得到的2007～2016年煙塵氣溶膠EC三維分布Fig.8 Three-dimensional EC distribution of smoke aerosols compiled from 2007 to 2016 using multiple passes of CALIPSO level2 aerosol profile products

從圖9,圖10可以看出,青藏高原東南部以及云貴高原BC的季節分布均呈現春冬高,夏秋低的特點.冬季四川盆地上空2～3km處存在一個EC的高值(約為 0.06km-1),說明當地存在高空輸送,可能與東南亞在干季的生物質燃燒有關[26,36].

圖9 基于CALIPSO Level2氣溶膠廓線產品得到的煙塵氣溶膠EC不同季節三維經向平均Fig.9 Three-dimensional meridional average of smoke aerosol EC in different seasons based on CALIPSO level2 aerosol profile products

圖10 基于CALIOP Level2廓線產品得到的煙塵氣溶膠EC不同季節三維緯向平均Fig.10 Three-dimension zonal mean of smoke aerosol EC in different seasons based on CALIOP level2profile products

3 結論

3.1 從水平分布上看,西南地區 BC分布呈較明顯的季節特征,大致為冬季>秋季>春季>夏季.冬季四川盆地氣溫低、風速小、濕度大,邊界層高度低等原因導致了AAOD凸顯值的出現;夏季BC值最小,與當季擴散清除條件較好有關.云貴高原春季的較大值則受南亞東南亞地區生物質燃燒的區域輸送作用影響較大.

3.2 從垂直分布上看,CALIPSO反演的煙塵氣溶膠垂直廓線在四川盆地的結果與再分析數據的水平分布結果不符,這可能與研究區主導 AAOD的氣溶膠類型不同有關:四川盆地的冬季氣溶膠類型以污染大陸型以及污染性沙塵為主,而文章中使用的煙塵氣溶膠在研究區所占的比例較小,導致結果有所偏差.云貴高原兩種數據結果較為符合,說明當地吸收性氣溶膠的主導類型即為煙塵氣溶膠(西南地區即為BC氣溶膠).

3.3 從時間變化上看,再分析數據的結果表明變化趨勢存在明顯的季節性差異:春季與冬季 BC在四川盆地均出現了一定程度的下降;在云貴高原南部地區,春季則存在最為明顯的下降趨勢.