2010年秋季鞍山气溶胶光学特征变化

("2010年秋季鞍山气溶胶光学特征变化赵胡笳;马雁军;王绪鑫;苏虹强;朱轶明【摘要】利用2010年9—11月鞍山大气成分监测站CE-318太阳光度计观测资料,依据气溶胶光学厚度测量原理,计算得到2010年鞍山秋季大气气溶胶光学厚度、波长指数等大气光学特性数据,通过统计,给出鞍山秋季气溶胶光学特性分布特征。结果表明：随着测量AOD波段的降低,AOD值逐渐增大,9月AOD平均值最大,10月AOD平均值次之,11月AOD平均值最小。从频率分布看,2010年9月AOD日平均值集中分布在0.4—0.6之间,10月和11月AOD日平均值集中分布在0.0—0.4之间,表明10—11月大气较为清洁;波长指数日平均值的频率分布说明秋季大气污染物以细粒子为主。500nm的AOD值与波长指数为对数关系,两者在9、10月和11月的相关系数分别为0.5145、0.8412和0.2715;9月AOD与PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度为较小负相关,10月和11月AOD与PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度为正相关,且10月和11月AOD与气溶胶细粒子相关性较为显著。AOD值与能见度在趋势上呈较小的负相关性,可能是由于高层气溶胶粒子对气溶胶光学厚度产生了主要影响。%BasedontheobservationaldatawithCE-318sunphotometerinAnshanatmosphericcompositionmonitoringstationfromSeptembertoNovember2010,theatmosphericaerosolopticaldepth(AOD)andAngstromexponentandsoonwerecalculatedaccordingtotheprinciplesofAODmeasurements.TheopticalfeatureofaerosolwasanalyzedinAnshan.TheresultsindicatethatAODvalueincreaseswiththedecreaseofwavelength.ThemeanmaximumAODvalueoccursinSeptember,theninOctober,andtheminimumoneisinNovember.Forthefrequencydistributions,themeandiurnalAODvaluesconcentratefrom0.4to0.6inSeptember2010andfrom0.0to0.4inOctoberandNovember2010,respectively.TheseresultssuggestthattheairiscleanfromOctobertoNovember.AccordingtothefrequencydistributionsofAngstromexponent,atmosphericpollutantisdominatedbyfineparticlesinautumninAnshan.ThereisalogarithmicrelationshipbetweentheAOD(500nm)valuesandAngstromexponent,andbothcorrelationcoefficientsare0.5145,0.8412and0.2715inSeptember,OctoberandNovember,respectively.AODvalueisanegativecorrelationwithconcentrationsofPM10,PM2.5,PM1.0inSeptember,whileitisapositivecorrelationinOctoberandNovember.ThecorrelationbetweenAODvalueandfineparticleofaerosolissignificantinOctoberandNovember.ThereisalessnegativecorrelationbetweenAODvalueandvisibility,anditsuggeststhataerosolparticlesinupperlevelhaveamajorimpactonaerosolopticaldepth.【期刊名称】《气象与环境学报》【年(卷),期】2012(028)004【总页数】8页(P55-62)【关键词】气溶胶光学厚度;波长指数;PM10;PM2.5;PM1.0;能见度【作者】赵胡笳;马雁军;王绪鑫;苏虹强;朱轶明【作者单位】中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁沈阳110016鞍山市气象局,辽宁鞍山114004;中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁沈阳110016;鞍山市气象局,辽宁鞍山114004;鞍山市气象局,辽宁鞍山114004;辽宁省气象局,辽宁沈阳110001【正文语种】中文【中图分类】X513引言气溶胶光学厚度(aerosolopticaldepth，AOD)是表征大气气溶胶消光特性的一个重要参数，它反映了整层大气或某特定大气层中颗粒物对太阳辐射的削弱程度，气溶胶光学特征不仅是气溶胶研究领域的重要内容，也是环境研究、大气订正中的重要因子［1］，对人类生活和地区气候效应的研究也具有及其重要的研究意义。国外科学家对大气气溶胶光学特性进行了许多研究［2－6］。近十几年，国内学者对中国不同地区大气气溶胶光学特性也进行了大量研究，如北京地区(车慧正等［7］)，塔克拉玛干沙漠地区(李霞等［8］、延昊等［9］)，西藏当雄地区(张军华等［10］)，敦煌地区(刘晓云和岳平［11］)，腾格里沙漠地区(张文煜等［12］)，珠江三角洲地区(谭浩波等［13］)，兰州地区(赵秀娟等［14］)，上海地区(宋磊和吕达仁［15］)和青岛地区(陈静静等［16］)。利用气溶胶光学特征数据不仅可以直接得到相应的光学厚度，还可以间接分析AOD与其他气象要素之间的相互关系。申彦波等［17］利用大气光学厚度资料分析其与水平能见度以及沙尘天气之间的关系。贾盛洁等［18］利用AOD值季节变化研究其与地面风向、湿度和能见度等气象要素的关系。罗云峰等［19］利用太阳直接辐射总量、日照时数、总云量、大气能见度和地面水汽压等资料反演大气气溶胶的光学厚度值。研究手段多采用多波段太阳光度计［20］、卫星遥感测量［21］、地面气象实测资料反演［22－23］、光谱消光法［24］、宽带消光法［25］、太阳—大气紫外光谱辐射计(SAUVS)［26］、差分光谱吸收(DOAS)技术［27］和MODIS图像反演［28］等多种方法。气溶胶光学特征是气溶胶研究中的一个重要的研究领域，国内针对中国东北区域大气气溶胶光学特性的研究较少，因此，对东北区域气溶胶光学特征变化的研究十分迫切。鞍山位于辽宁中部，地处中纬度松辽平原东南部边缘，是中国重要的钢铁生产基地。其地貌特征是东南高西北低，山区面积占全区总面积的56.97%，属暖温带大陆性季风气候区。分析鞍山地区大气气溶胶的光学特性对今后研究中国东北地区以及辽宁城市群的大气气溶胶光学特性及其他研究方向具有一定的借鉴作用。本文利用CE-318太阳光度计，获得了鞍山市秋季不同波段的大气气溶胶光学厚度，通过分析其变化特征，可为研究鞍山市大气气溶胶特性提供科学依据，同时为环境监测和同期质量预报提供参考。1资料与方法CIMEL公司制造的全自动跟踪扫描太阳辐射计CE-318，滤光片8个波段中心波长位于340，380，440，500，670，870，1020nm和1640nm，各波段宽度为10nm。它的光学头上装有四象限探测器，可以自动跟踪太阳进行太阳直接辐射测量、太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。CE-318光度计测得的太阳直接辐射数据可用来反演计算大气透过率、消光光学厚度、气溶胶光学厚度、大气水汽柱总量和臭氧总量，它的天空扫描数据可以反演大气气溶胶粒子尺度谱分布及气溶胶相函数，因此，太阳光度计是目前最精确的光学厚度监测仪器之一。CE-318太阳光度计不仅用于大气气溶胶光学特性及大气环境质量监测，同时用于遥感卫星传感器辐射资料的光学参数定标。本研究使用的太阳光度计均进行了标定。利用积分球辐射源的辐亮度标定方法，对CE-318型太阳光度计的不同波段天空散射辐射通道进行了标定实验。然后，分别采用Langley标定法和标准仪器相对标定方法，将CE-318型太阳光度计的不同波段太阳直接辐射通道进行了标定实验。利用中国鞍山大气成分监测站于2010年秋季用CIMELElectronique公司制造的全自动跟踪扫描太阳辐射计CE-318观测资料。观测场位于41°05'N，123°00'E，海拔高度为77.3m，选择资料序列比较完整，且通过软件ASTPWin对数据进行无云处理后的资料，用以分析2010年鞍山秋季大气气溶胶光学特性的变化(时间为北京时间)。2结果分析2.1AOD月平均值的变化从2010年9—11月鞍山有效观测日数(表1)可以看出，观测数据可以代表当月的总体状况。表12010年9—11月鞍山气溶胶月有效观测日数Table1ThemonthlyeffectivedaysforaerosolobservationfromSeptembertoNovemberof2010inAnshan月份9月10月11月238377372观测日数/d观测次数/次141719表2为不同波段获得的AOD值的月平均值、每月出现的日平均最小与最大AOD值。如表2所示，随着测量AOD波段的降低，AOD值呈逐渐增大的趋势，这符合一般大陆型气溶胶光学厚度与波长的关系［29－31］，标准偏差也随AOD波段的降低而逐渐增大。其中9月AOD平均值最大，10月AOD平均值次之，11月AOD平均值最小。其原因可能是因为9月降水总量比10月和11月大(9—11月降水量分别为83.3、30.9mm和0.0mm)，水汽多则相对湿度大，气溶胶吸湿能力增强导致平均粒径增大，利于大气中气—粒转化;而接近冬季的月份，大气相对湿度较低，不利于气—粒转化。此外，9—11月为秋季向冬季转变的月份，来自西北的相对干燥冷气团高压天气系统出现较多，空气相对比较洁净。表22010年9—11月鞍山AOD月平均值的变化Table2ThemonthlyaverageofAODfromSeptembertoNovemberof20109月10月11月项目最小值平均值最大值标准偏差AOD/1640nm0.070.240.570.100.070.181.280.080.050.1最小值平均值最大值标准偏差最小值平均值最大值标准偏差50.610.11AOD/1020nm0.090.310.740.130.060.191.460.110.060.200.850.14AOD/870nm0.100.380.920.160.070.231.650.140.060.231.070.18AOD/670nm0.130.501.240.230.080.312.090.200.070.301.500.25AOD/500nm0.180.711.760.410.090.452.870.360.070.422.090.41AOD/440nm0.200.812.100.350.090.523.220.310.070.472.350.36AOD/380nm0.230.892.190.440.070.613.530.410.050.532.390.42AOD/340nm0.230.962.430.500.030.673.990.470.010.552.640.452.2AOD日平均值的频率图1显示了不同波段的AOD日平均值频率分布。随着测量波段的降低，AOD日平均值频率分布逐渐向高值区扩展。而在同一测量波段内，9月AOD日平均值在0.4有峰值区，日平均AOD出现最高频率值均为0.4—0.6之间。10月和11月AOD日平均值的分布概率有非常类似的特征，均在值为0.2处有峰值区，AOD出现最高频率值都在0.0—0.4之间。而在极端清洁值区间0.0—0.2，10月和11月出现概率较9月多，这与9月AOD月平均值大于10月和11月AOD月平均值的结果是一致的。其中AOD日平均值概率分布发生变化的原因是9月出现轻雾、雨等影响大气污染的日数较多，而10月和11月出现的影响大气颗粒物增多的日数较少(9—11月分别出现22、15d和14d)，使得10月和11月相对9月而言，大气中气溶胶含量减少，AOD值降低。随着波段的减小，AOD日平均值出现在区间1.0—4.0的概率增加，这与气溶胶光学厚度随波长减小而增大的关系是相符的。图12010年9—11月鞍山1640nm(a)、1020nm(b)、870nm(c)、670nm(d)、500nm(e)、440nm(f)、380nm(g)和340nm(h)AOD日平均值的频率分布Fig.1ThefrequencydistributionsofmeandailyAODvaluesat1640nm(a)，1020nm(b)，870nm(c)，670nm(d)，500nm(e)，440nm(f)，380nm(g)and340nm(h)fromSeptembertoNovemberof2010inAnshan2.3Angstrom波长指数的日平均值频率波长指数是衡量气溶胶粒子大小的一个重要光学参数。当大气中大粒径的气溶胶粒子浓度增大，波长指数减小时，说明大气气溶胶粗粒子明显增加。图22010年9—11月鞍山Angstrom波长指数的频率分布Fig.2ThefrequencydistributionsofAngstromexponentfromSeptembertoNovemberof2010inAnshan根据波长指数变化特征，将其进行分级，并统计频率分布，如图2所示。2010年9月波长指数多集中在0.6—1.0之间，在0.8处达到峰值，说明污染物以细粒子为主。2010年10月波长指数在各个区间都有分布，说明10月观测站大气中的气溶胶粒子为粗细粒子共存。2010年11月波长指数多集中在0.8—1.0之间，0.8达到峰值，污染物以细粒子为主，因此，可以看出，影响鞍山秋季大气的气溶胶以细粒子为主。2.4500nm光学厚度和Angstrom的波长指数图32010年9月(a)、10月(b)和11月(c)鞍山AOD(500nm)与波长指数的拟合Fig.3ThefittingcurveofAOD(500nm)valuesandwavelengthexponentinSeptember(a)，October(b)andNovember(c)of2010inAnshan图3为500nm气溶胶光学厚度与波长指数之间的相关性。对2010年秋季500nm气溶胶光学厚度与波长指数进行散点分析，两者呈对数关系，相关系数在10月最大，为0.8412，9月两者的值为0.5145，而11月两者相关性不明显。这说明，在9月和10月，随着AOD值的增加，波长指数也呈对数增加，最高值为1.2。表明鞍山秋季大气中影响AOD值的气溶胶粒子以细粒子为主。2.5AOD与PM质量浓度之间的关系图42010年秋季鞍山AOD与PM变化趋势Fig.4ThevariationtrendsofAODandPMinautumnof2010inAnshan表32010年秋季鞍山气溶胶光学厚度与PM质量浓度之间的相关性(R2)Table3Thecorrelation(R2)betweenAODandPMqualityconcentrationsinautumnof2010inAnshan9月10月11月项目PM10PM2.5PM1.0PM10PM2.5PM1.0PM10PM2.5PM1.00.32340.56970.5815AOD/1020nm－0.3409－0.3888－0.40840.52830.73010.74700.26520.61120.6302AOD/870nm－0.1945－0.2472－0.26660.51990.73720.75840.22960.63090.6538AOD/670nm－0.1429－0.1932－0.20900.49350.72930.75580.18190.63970.6678AOD/500nm－0.0275－0.0740－0.08650.47160.72110.75170.14020.64700.6806AOD/440nm－0.0322－0.0758－0.08670.46640.71880.75030.12250.64690.6828AOD/380nm0.25270.20120.18490.45680.71510.74850.11840.67070.7100AOD/340nm－0.0360－0.0783－0.08900.44770.70200.73500.10130.66090.7005月平均相对湿度/(%)AOD/1640nm－0.4802－0.5182－0.53670.62590.73780.729771.8359.6553.53图4给出了2010年秋季气溶胶光学厚度与PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度日平均变化趋势。从图4可以看出，气溶胶光学厚度与PM质量浓度变化趋势基本一致。表3为2010年秋季气溶胶光学厚度与PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度之间的相关性。从相关系数可以看出，9月AOD与PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度为较小的负相关，这可能是因为夏末秋初时节，受前期降水天气条件影响，9月相对湿度较10月和11月大，相对湿度较大时，空气中的PM颗粒物易被凝结水吸附而沉降，因此PM质量浓度并不是影响AOD变化的直接原因。进入10月和11月后，AOD与PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度成正相关，并且AOD与气溶胶细粒子相关性较为显著，AOD与PM2.5、PM1.0质量浓度的相关系数R2均大于0.5，在0.01水平上显著，这可能是因为进入真正意义上的秋季后，植被覆盖率降低，土壤裸露度增加。随着取暖季的临近，PM质量浓度逐渐成为影响AOD的一个重要因素。2.6清洁日与污染日AOD值的变化为了进一步说明AOD与气溶胶粒子的相互关系，选取了典型的清洁日(2010年10月13日)和污染日(2010年9月12日)作为个例进行对比(图5和图6)。选取2010年10月13日作为清洁日，该日没有降水出现，可以看出，AOD值一直处于稳定的较低状态。选取2010年9月12日作为污染日，该日出现轻雾现象，无降水，从凌晨开始能见度较低，AOD值较高;中午，轻雾逐渐消散，AOD值逐渐下降，但与清洁天气相比，仍然持续在一定高度。2.7AOD与能见度的关系由图7可以看出，当AOD值增大的时候，能见度有所降低，AOD值与能见度在趋势上呈较小的负相关性。二者之间较小的负相关性可能是由于气溶胶光学厚度的主要影响不是来自低层，而是来自高层的气溶胶粒子产生了较大作用。高空从外地输送或者本地上升输送的气溶胶粒子如果停留在高层，不沉降到低层，对地面水平能见度没有影响，但却改变了总的气溶胶光学厚度值;这样气溶胶光学厚度与反映低层粒子状况的能见度的关系就会不明显，甚至出现正相关。日平均气溶胶光学厚度与日平均地面能见度不完全一致的原因，说明了低层的大气状况虽与整层大气气溶胶的光学厚度密切相关，但并非相当的一致，因此，在研究气溶胶的辐射和气候效应时，应考虑中高层大气气溶胶的分布状况。图5鞍山清洁日(2010年10月13日)AOD值变化Fig.5TheAODvalueonthecleanday(October13，2010)图6鞍山污染日(2010年9月12日)AOD值变化Fig.6TheAODvalueonthepollutionday(September12，2010)图72010年秋季鞍山AOD与能见度的关系Fig.7TherelationshipbetweenAODandvisibilityinautumnof2010inAnshan3结论(1)2010年秋季鞍山AOD值随测量波段的降低而增大。其中9月的AOD平均值最大，日平均值集中分布在0.4—0.6之间;10月AOD平均值次之;11月AOD平均值最小。10月AOD和11月AOD日平均值分布在0.0—0.4之间。(2)9月和11月鞍山波长指数均在0.8达到峰值，10月波长指数在各个区间均有分布，500nm气溶胶光学厚度与波长指数呈对数关系，两者在9—11月的相关系数分别为0.5145、0.8412、0.2715。随着AOD值的增加，波长指数也呈对数增加，最高值达到1.2，表明影响2010年鞍山秋季大气的气溶胶以细粒子为主。(3)2010年秋季鞍山气溶胶光学厚度与PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度日平均变化趋势一致。9月AOD与PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度呈较小的负相关;10月和11月AOD与PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度呈正相关。(4)2010年秋季鞍山日平均AOD值与日平均能见度在趋势上呈较小的负相关性。AOD值与能见度呈较小的负相关性，其原因可能是高层气溶胶粒子对气溶胶光学厚度产生了显著影响。参考文献［1］胡秀清，张玉香，张广顺，等.中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究［J］.应用气象学报，2001，12(3):257－266.［2］Foyo-MorenoI，AlcantaraA，OlmoFJ，etal.ComparisonofaerosolopticaldepthfrommultifilterrotatingshadowbandradiometerandroboticradiometerCimelCE-318［J］.JournalofAerosolScience，2004，31(S1):513－514.［3］CheH，ZhangX，ChenH，etal.InstrumentcalibrationandaerosolopticaldepthvalidationoftheChinaAerosolRemoteSensingNetwork［J］.JournalofGeophysicalResearch，2009，114，D03206，12PP.doi10.1029/2008JD011030.［4］Alados-ArboledasL，AlcántaraA，OlmoFJ，etal.AerosolcolumnarpropertiesretrievedfromCIMELradiometersduringVELETA2002［J］.AtmosphericEnvironment，2008，42(11):2654－2667.［5］SchmidB，MichalskyJ，HalthoreR，etal.Comparisonofaerosolopticaldepthfromfoursolarradiometersduringthefall1997ARMintensiveobservationperiod［J］.GeophysicalResearchLetters，1999，26(7):2725－2728.［6］WangYF，FanSF，FengX.Retrievaloftheaerosolparticlesizedistributionfunctionbyincorporatingaprioriinformation［J］.JournalofAerosolScience，2007，38(8):885－901.［7］车慧正，石广玉，张小曳.北京地区大气气溶胶光学特性及其直接辐射强迫的研究［J］.中国科学院研究生院学报，2007，24(5):699－704.［8］李霞，胡秀清，崔彩霞，等.南疆盆地沙尘气溶胶光学特性及我国沙尘天气强度划分标准的研究［J］.中国沙漠，2005，25(4):488－495.［9］延昊，矫梅燕，毕宝贵，等.塔克拉玛干沙漠中心的沙尘气溶胶观测研究［J］.中国沙漠，2006，26(3):389－393.［10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