沙尘天气期间气溶胶光学特性变化特征

('第1页沙尘天气期间气溶胶光学特性变化特征大气气溶胶粒子可以通过散射、吸收太阳辐射和吸收、发射红外辐射直接影响地-气系统辐射能收支,对流层气溶胶通过直接辐射强迫和间接辐射强迫强烈地影响着气候系统。沙尘天气下，大气中气溶胶含量变化较大，能够显著的影响沙尘区域内的辐射平衡过程，对全球气候和环境有着不可小视的作用。研究沙尘天气间气溶胶的光学特性变化，对研究气溶胶的辐射影响有重要意义。本文选取来自兰州大学干旱气候与环境观测站（SACOL）站点Level2.0的数据，通过对比沙尘天气间与采暖期和非采暖期的晴天、降水后晴天的日变化数据，分析得出沙尘天气间气溶胶的光学特性变化，并初步探索其原因，得出以下结果：（1）采暖期：在沙尘期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为1.20，Angstrom波长指数峰值为0.13；在晴天期间，Angstrom波长指数峰值为0.34，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59；在降水后晴天期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59，Angstrom波长指数峰值为1.14。（2）非采暖期：在沙尘天气，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95，Angstrom波长指数峰值为0.07；在晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.56，Angstrom波长指数峰值为0.99；在降水后晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.39，Angstrom波长指数峰值为0.67。（3）沙尘天气间气溶胶以粗粒子散射为主。关键词：气溶胶；光学特性；气溶胶光学厚度；Angstrom波长指数；单次散射反照率第一章绪论1.1研究的目的和意义大气气溶胶是指悬浮于大气中粒径小于10μm的微粒。虽然气溶胶质量仅占整个大气质量的十亿分之一,但其对大气辐射传输和水循环均有重要的影响。除温室气体外,大气气溶胶是造成地球气候变化最重要的大气成分之一。大气气溶胶粒子可以通过散射、吸收太阳辐射和吸收、发射红外辐射直接影响地-气系统辐射能收支,从而影响区域乃至全球的气候及生态环境;气溶胶粒子还可作为云的凝结核改变云的光学特性和生命期,间接影响气候,还参与臭氧的非均相反应,影响臭氧的收支平衡。对流层气溶胶通过直接辐射强迫和间接辐射强迫强烈影响着气候系统,同时,气溶胶颗粒物由第2页于可导致大气污染,可对人体健康造成极大危害,具有重要的环境效应。因此大气气溶胶引起了广泛关注。沙尘天气是造成生态环境污染的因素之一。我国西北地区每年频繁发生沙尘天气，将大量沙尘送入大气并向下游地区传输，对东部地区辐射强迫及气候效应产生重要影响。同时，沙尘粒子的远距离输送对海洋生态环境和其他国家居住环境也会产生一定的影响。每年全球输入大气层的气溶胶总量为1．0×10—3．0×10t，其中有8．0×10t的沙尘气溶胶被输送到大气。近年来，沙尘源区和下游地区的气溶胶光学特性逐渐成为研究的热点问题之一。沙尘天气下，大气中气溶胶含量变化较大，能够显著的影响沙尘区域内的辐射平衡过程。在沙尘天气中沙尘气溶胶（或称为矿物气溶胶）成为了对流层气溶胶的主要组成部分，其对全球气候和环境有着不可小视的作用。研究沙尘天气间气溶胶的光学特性变化，对研究气溶胶的辐射影响有重要意义。1.2国内外相关研究进展郑玉琦等指出沙尘天气发生期间沙尘源区气溶胶光学厚度明显大于下游地区，而Angstrom波长指数小于下游地区，当沙尘暴出现时降至零甚至负值。周碧等利用2007年1~4月SACOL激光雷达资料，反演了晴空无云和沙尘过程时的大气气溶胶消光系数廓线和光学厚度。李成才等利用MODIS、AOD和激光雷达得到的气溶胶消光系数垂直分布资料分析了香港地区的一次大气气溶胶污染过程。史晋森等认为气溶胶光学特性早晚峰值的出现主要与人类生产活动有关，早晨07:00之后人类活动增加，大气层还比较稳定，不利于气溶胶扩散;夜间风速较小，大气垂直运动减弱，有利于气溶胶在近地面积累。这些研究大多以全年或季节变化为主。但是对于气溶胶的讨论仍有较大的不足，从而导致现在我们所使用的模式在精度上有较大出入。本文从不同天气状况（沙尘天气、晴天、降水后晴天）出发，对比分析气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、单次散射反照率在不同天气状况下的区别，可以为以后提高通过模式反演、预测沙尘天气的精度做出一点贡献。第二章资料与方法2.1资料2.1.1资料来源数据来自于美国国家航空宇航局(NASA)组建的全球地基气溶胶观测网络第3页(AERONET)。观测前后均进行严格标定。通过观测数据反演计算了无云情况下的大气气溶胶光学特性和粒子的粒径分布，其中光学特性包括大气气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、单次散射反照率等重要参数。AERONET的太阳直接辐射和天空辐亮度测量反演的产品均通过严格的校准、云掩码处理及敏感性标准判定来控制，使反演结果更精确，作为气溶胶特性的地基测量真实值。该站提供丰富的气溶胶资料，其反演资料分为三个等级：Level1.0、Level1.5、Level2.0，分别为未自动云去除、未校准处理，自动云去除、未校准处理，自动云去除、校准处理后产生的数据。本文采用2010-2013年沙尘天气及对比天气下兰州大学干旱气候与环境观测站（SACOL）站点Level2.0的数据，因为其反演结果更精确，其中包括气溶胶光学厚度（AOD）。Angstrom波长指数、单次散射反照率（SSA）。选取2011年04月29日为非采暖期沙尘天气样本，2012年04月24日为采暖期间沙尘天气样本；选取2011年05月06日为非采暖期晴天样本，2012年04月25日为采暖期间晴天样本。选取2011年05月04日为非采暖期降水后晴天样本，2012年04月18日为采暖期间降水后晴天样本（天气情况通过SACOL气象记录、文献、网络媒体等方式获得）。SACOL是按国际标准建设的气候观测平台，拥有先进的气候和环境观测设备和仪器。SACOL位于兰州大学榆中校区海拔1961m的翠英山顶上（35.946N，104.137E）。采样点下垫面属于典型的黄土高原地貌，塬面梁峁基本为原生植被。属温带半干旱气候，年平均气温为6.7℃，平均年降雨量为381.8mm，相对湿度为63%，山顶全年盛行西北风和东南风。2.1.2研究区域榆中县境内的地势南高北低，中部凹，呈马鞍形。南部为石质高寒山区，马寒山最高峰海拔3670.3m。北部为黄土丘陵区，最高峰吕家岘海拔2495m。南北两山之间是川塬丘陵沟壑区，海拔1500-2000m，地形由西南、东南和东北三面向西北倾斜。榆中县海拔在1480—3670m之间，年均降雨量350mm，蒸发量1450mm，年平均气温6.7℃，无霜期120天左右。榆中县位于青藏高原东北缘、黄河上游，具有独特的地理和气候条件。其一，它西面是重工业城市——兰州，其城区在南北山脉的阻挡下形成狭长的盆地地形，为我国空气污染最为严重的城市之一；其二，榆中地处黄土高原半干旱区，离塔克拉玛干沙漠和戈壁沙地较近，受沙尘影响较大；此外，每年11月至次年4月，该地区因天气寒冷进入采暖期，集中的燃煤排放对气溶胶分布和垂直结构有较大影响。2.2处理方法本次选取几次沙尘天气间的日变化数据，将之与采暖期和非采暖期的晴天、降水后晴天的情况进行对比分析。第4页2.3基本概念大气气溶胶的光学特性主要包括气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、单次散射反照率等参数，这些参数都是计算气溶胶的辐射强迫，研究气溶胶的气候效应的输入参数。气溶胶光学厚度（AOD）表示垂直大气柱中气溶胶的浓度，是衡量气溶胶粒子对太阳辐射衰减强弱能力的一个重要参数。Angstrom波长指数，反映气溶胶粒子的大小，通常情况0<α<2，α越小说明气溶胶粒子平均半径越大，粒子尺度越大；反之，α越大说明气溶胶粒子平均半径越小，气溶胶粒子尺度越小，越接近分子散射。Angstrom指出在假定气溶胶粒子呈Junge谱分布时，气溶胶光学厚度与波长的关系将为，式中：α为Angstrom波长指数；β为浑浊度系数，即波长1um处的气溶胶光学厚度，它与垂直气柱内气溶胶质粒总参数有关（参考：α-沙尘粒子0.12，α-灰雾霾1.07；β-沙尘0.35，β-灰雾霾0.15）。单次散射反照率（SSA）,定义为气溶胶粒子散射消光与总消光(吸收+散射)的比，可反映气溶胶粒子总消光中散射所占的比例气溶胶的不对称因子表示粒子前向散射能力大小。第三章沙尘天气期间气溶胶光学特性变化特征3.1沙尘天气间气溶胶光学特性选取2011年04月29日为非采暖期沙尘天气样本，2012年04月24日为采暖期间沙尘天气样本。在沙尘期间，2011年04月29日溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95（图1），Angstrom波长指数峰值为0.07（图2）。2012年04月24日气溶胶光学厚度峰值(676nm)为1.20（图3），Angstrom波长指数峰值为0.13（图4）。2011年04月29日单次散射反照率在440nm、676nm、870nm、1018nm波段依次为0.9174、0.9800、0.9869、0.9891，可以看出随着波长变长，单次散射反掌率增大，说明气溶胶以粗粒子散射为主，波长越长，散射能力越强。第5页图1不同通道的AOD(2011/04/29)图2不同通道的Angstrom波长指数(2011/04/29)第6页图3不同通道的AOD(2012/04/24)图4不同通道的Angstrom波长指数(2012/04/24)第7页3.2晴天气溶胶光学特性选取2011年05月06日为非采暖期晴天样本，2012年04月25日为采暖期间晴天样本。在晴天期间，2011年05月06日气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.56（图5），Angstrom波长指数峰值为0.99（图6）。2012年04月25日溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59（图7），Angstrom波长指数峰值为0.34（图8）。2012年04月25日单次散射反照率在440nm、676nm、870nm、1018nm波段依次为0.8784、0.9596、0.9690、0.9720，可以看出随着波长变长，单次散射反掌率增大，说明气溶胶以粗粒子散射为主，波长越长，散射能力越强。图5不同通道的AOD(2011/05/06)第8页图6不同通道的Angstrom波长指数(2011/05/06)图7不同通道的AOD(2012/04/25)第9页图8不同通道的Angstrom波长指数(2012/04/25)3.3降水后晴天气溶胶光学特性选取2011年05月04日为非采暖期降水后晴天样本，2012年04月18日为采暖期间降水后晴天样本。在降水后晴天期间，2012年04月18日气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59（图9），Angstrom波长指数峰值为1.14（图10）。2011年05月04日溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.39（图11），Angstrom波长指数峰值为0.67（图12）。2012年04月18日单次散射反照率在440nm、676nm、870nm、1018nm波段依次为0.9332、0.9564、0.9588、0.9591，可以看出随着波长变长，单次散射反照率增大，说明气溶胶以粗粒子散射为主，波长越长，散射能力越强，但变化幅度不大，说明气溶胶中粗细粒子所占比例基本相同。第10页图9不同通道的AOD(2011/05/04)图10不同通道的Angstrom波长指数(2011/05/04)第11页图11不同通道的AOD(2012/04/18)图12不同通道的Angstrom波长指数(2012/04/18)第12页3.4对比分析不同情况下气溶胶光学特性3.4.1晴天与沙尘天气在沙尘期间，采暖期Angstrom波长指数峰值为0.13，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为1.20；非采暖期气溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95，Angstrom波长指数峰值为0.07；在晴天期间，采暖期Angstrom波长指数峰值为0.34，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59；非采暖期气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.56，Angstrom波长指数峰值为0.99。采暖期，沙尘期间气溶胶光学厚度峰值(1.20）大于晴天期间气溶胶光学厚度峰值(0.59）。说明在采暖期沙尘期间，气溶胶对于太阳辐射的削减能力得到增强，其原因在于空气中沙尘气溶胶含量的增加。沙尘期间Angstrom波长指数峰值（0.13）小于晴天期间Angstrom波长指数峰值（0.34）。说明在采暖期沙尘期间，气溶胶粒子以粗粒子为主。非采暖期，沙尘期间气溶胶光学厚度峰值(2.95）大于晴天期间气溶胶光学厚度峰值(0.56）。沙尘期间Angstrom波长指数峰值（0.07）小于晴天期间Angstrom波长指数峰值（0.99）。说明在采暖期，空气中的气溶胶有很大一部分为污染气溶胶。3.4.2降水后晴天与沙尘天气在沙尘期间，采暖期Angstrom波长指数峰值为0.13，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为1.20；非采暖期气溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95，Angstrom波长指数峰值为0.07；在降水后晴天期间，采暖期气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59，Angstrom波长指数峰值为1.14，非采暖期气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.39，Angstrom波长指数峰值为0.67。采暖期，沙尘期间气溶胶光学厚度峰值(1.20）大于降水后晴天期间气溶胶光学厚度峰值(0.59）。说明在采暖期沙尘期间，气溶胶对于太阳辐射的削减能力得到增强，其原因在于空气中沙尘气溶胶含量的增加。沙尘期间Angstrom波长指数峰值（0.13）远小于降水后晴天期间Angstrom波长指数峰值（1.14）。说明在采暖期沙尘期间，沙尘气溶胶粒子以粗粒子为主，污染物粒子粗细粒子都有；同时采暖期降水后晴天气溶胶光学厚度峰值(0.59）与晴天期间气溶胶光学厚度峰值（0.59）相近，说明在采暖期，污染物气溶胶主要来自于集中的燃煤排放。非采暖期，沙尘期间气溶胶光学厚度峰值(2.95）大于降水后晴天期间气溶胶光学厚度峰值(0.39）。沙尘期间Angstrom波长指数峰值（0.07）小于降水后晴天期间Angstrom波长指数峰值（0.67）。说明在非采暖期沙尘期间大气气溶胶以沙尘气溶胶为主，污染物气溶胶含量较低。3.4.3采暖期和非采暖期单次散射反照率第13页采暖期单次散射仿照率0.9332、0.9564、0.9588、0.9591，非采暖期单次散射仿照率0.9050、0.9693、0.9779、0.9808，依次为440nm、676nm、870nm、1018nm波段。对比得出，采暖期单次散射反照率低于非采暖期。其原因为气溶胶的吸收能力决定于气溶胶中碳元素的含量，且与波长及粒子尺度有关，黑碳气溶胶是大气中首要的吸收性气溶胶，而榆中采暖期集中的燃煤排放向大气输送的煤烟和黑碳等吸收性强的污染物颗粒较多。第四章结果与讨论4.1结果利用2010-2013年沙尘天气及对比天气下兰州大学干旱气候与环境观测站（SACOL）站点Level2.0的数据，通过查阅资料选取沙尘天气、晴天、降水后晴天，对几次采暖期和非采暖期的沙尘天气资料和晴天、降水后晴天资料的对比，得到以下结论：（1）采暖期：在沙尘期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为1.20，Angstrom波长指数峰值为0.13；在晴天期间，Angstrom波长指数峰值为0.34，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59；在降水后晴天期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59，Angstrom波长指数峰值为1.14。（2）非采暖期：在沙尘天气，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95，Angstrom波长指数峰值为0.07；在晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.56，Angstrom波长指数峰值为0.99；在降水后晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.39，Angstrom波长指数峰值为0.67。（3）沙尘期间，气溶胶粒子以粗粒子为主，主要为沙尘气溶胶，但在采暖期，集中的燃煤排放会产生大量的污染物气溶胶（主要为黑碳、煤烟），同样对气溶胶光学特性造成足够的影响。（4）单次散射反照率总体随波长变长而增大，说明沙尘天气间气溶胶以粗粒子散射为主，波长越长，散射能力越强；同时，北方采暖期大气气溶胶中黑碳含量较高，导致采暖期沙尘天气间气溶胶的单次散射反照率比非采暖期沙尘天气间气溶胶的单次散射反照率低。4.2讨论（1）本次研究时间较短，获取资料时间跨度较小，不能有很好的代表性，希望以后研究工作时能获得更多的资料。（2）未能获得选取日期的其他气象要素信息，所以不能对气溶胶和气象要素的相关性做进一步分析。',)