杭州市大气气溶胶光学厚度研究

齐 冰,杜荣光,于之锋,周 斌

(1.杭州市气象局,浙江 杭州 310051；2.杭州师范大学遥感与地球科学研究院,浙江 杭州 311121)

杭州市大气气溶胶光学厚度研究

齐 冰1*,杜荣光1,于之锋2,周 斌2

(1.杭州市气象局,浙江 杭州 310051；2.杭州师范大学遥感与地球科学研究院,浙江 杭州 311121)

利用2011～2012年杭州国家基准气候站内太阳光度计(CE-318)观测资料,分析杭州市气溶胶光学厚度(AOD)和Angstrom波长指数(α)的变化特征.结果表明,2011～2012年杭州市AOD500nm年平均值为0.86±0.47,α440~870nm年平均值为1.25±0.23.AOD季节变化特征不明显,主要与该地区天气形势以及内外源影响密切相关.α季节变化差异也不大,受北方带来的沙尘气溶胶影响,春季α略偏低.AOD呈现单峰型日变化特征,峰值出现在15：00,谷值出现在06：00,午后AOD明显升高主要与强烈的太阳辐射引起光化学反应产生的二次气溶胶以及近地层气溶胶在湍流输送作用下向城市上空扩散有关.从频率分布来看,AOD和α频率分布均呈现明显的单峰特征,并且较好的符合对数正态分布.α在高值区间1.1～1.7出现频率为77.8%,表明杭州市以平均半径较小的气溶胶粒子为主,属于城市-工业型气溶胶类型.杭州市AOD的高值(>1.0)主要表现为粗模态气溶胶以及细模态气溶胶的吸湿增长.

太阳光度计；气溶胶光学厚度；Angstrom波长指数；杭州

大气气溶胶在全球和区域气候变化的研究中扮演着十分重要的角色[1].它通过吸收和散射太阳的长波和短波辐射,直接影响地气系统的能量收支平衡,并且可以充当云的凝结核影响云的形成和消散,间接影响全球和区域气候变化[2-3].已有研究表明,气溶胶粒子可能会导致全球或区域的变暗[4],改变区域降水[5]以及对能见度产生影响[6].虽然气溶胶的浓度和光学特性是评估和预测全球气候变化中众多不确定性因素之一[7].但是,气溶胶光学厚度(AOD)和Angstrom波长指数(α)是气溶胶光学特征2个基本的光学参数,也是研究气候变化的关键因素[8].

在气溶胶光学特性研究中,地基遥感被认为是精度较高的方法[9],并且常用于卫星产品的检验[10-11].目前,最广泛的地基反演是由美国国家宇航局(NASA)在全球建立的气溶胶观测网络(AERONET),主要是利用CE-318太阳光度计在全球范围内获取具有区域代表性的气溶胶光学特性参数,为气溶胶研究提供了宝贵的资料.我国许多学者利用AERONET资料分析了气溶胶光学特性的时空分布特征[12],气溶胶光学厚度和Angstrom波长指数的季节变化[13]以及气溶胶单次散射反照率和粒子谱等特性[14-15].我国除了少量的 AERONET站外,还由中国气象局建立的CARSNET[16]和中国生态系统研究网络大气科学分中心建立的CSHNET[17].这些联合观测网络为全面研究我国区域大气气溶胶特性提供了重要的数据支撑.刘玉杰等[18]、刘晓云等[19]、刘菲等[20]利用太阳光度计分别对银川、敦煌以及内蒙古地区沙尘气溶胶的光学厚度进行反演和研究.王跃思等[21]、Xin等[22]利用CSHNET观测网络分析了 2004～2005年中国典型地区大气气溶胶的光学厚度、Angstrom波长指数等光学特性及其时空分布状况.

杭州市是长江三角洲重要的中心城市之一,也是中国东南部的交通枢纽.随着经济的快速发展,城市化进程的加快,杭州城市气溶胶不断增加,由此引发的能见度下降以及空气质量问题愈发引起关注.陈然等[23]利用1年的观测资料对杭州地区气溶胶光学特性进行了初步分析.本文主要利用 CE-318太阳光度计长时间序列观测资料,反演获得了杭州市气溶胶光学厚度,同时计算了α.在此基础上,详细分析了该地区 AOD和 α的月、季变化及日变化特征,探讨了AOD和α的频率分布及其之间的关系.这有利于加深对该地区气溶胶特性的认识,了解人为源排放对本地气溶胶特性产生的影响,同时也减小该地区气溶胶对环境和气候效应的不确定性.

1 资料与方法

采用法国CIMEL公司生产的CE-318型自动跟踪扫描太阳光度计,滤光片中心波长分别为340,380,440,500,670,870,936,1020,1640nm,各波段带宽为 10nm.仪器的视场角为 1°,太阳跟踪精度小于 0.1.因为 936nm波段具有较强的水汽吸收,所以主要用来反演大气中的水汽含量;其余波段主要是利用太阳直射辐射的测量值,采用统一的反演算法计算得出AOD.采用Langley法对太阳光度计进行标定,每年标定一次,方法原理可以参考文献[24].本研究的数据资料采用 ASTPwin软件对数据进行云处理后Level 1.5的气溶胶反演产品.根据Che等[25]研究,ASTPwin软件计算得出的 AOD值比 AERONET在 440,670,870, 1020nm分别高出0.01,0.01,0.01,0.03.可以近似认为两者结果一致.

本研究采用的CE-318自动跟踪扫描太阳光度计安装在杭州国家基准气候站内(120°10′E, 30°14′N),海拔高度 41.7m,周围无建筑物阻挡,视野开阔,观测站点西面紧邻西湖,其余方向被密集的城市建设群包围.气溶胶主要来源于交通和居民的生产生活,因此观测结果主要反映城市气溶胶状况.所使用的数据时段为2011年1月～2012年12月.利用ASTPwin软件共获取8626条Level 1.5数据资料,共计365d.2011年1～12月有记录的天数分别为 11,8,17,23,16,9,18,18,18,8,13,11d; 2012年1～12月有记录的天数分别为7,9,14,17,18, 13,25,19,17,24,16,16d.其中2011年1～2月、2011年10月～2012年2月由于云出现频率较高造成AOD的观测日数偏少.而2011年和2012年6月份AOD观测日数较少主要是由于杭州正处于梅汛期,降水日数偏多.

AOD描述了气溶胶对光的衰减,是气溶胶消光系数在垂直方向上的积分.当气溶胶粒子满足Junge分布时,大气气溶胶光学厚度τ(λ)与波长 λ关系满足以下公式∶

式(1)中,λ是观测波段的波长; τ(λ)是对应波长气溶胶光学厚度;β是 Angstrom 混浊系数;α为Angstrom波长指数[26].一般情况下0<α<2,较小的α代表大粒径气溶胶为主控粒子;相反,较大的 α代表小粒径为主控粒子.本研究主要采用AOD500nm和α440-870nm的结果.

2 结果与讨论

2.1 AOD和α的月、季变化

由图1可见,杭州市AOD月平均值3月最高,为1.06±0.42;7月最低,为0.69±0.64.AOD在7～10月和11～次年3月呈现逐渐增加趋势.3～7月大致呈现下降趋势,其中AOD均值在6月出现了小幅回升,主要是由于6月杭州进入梅汛期,空气中具有较为充沛的水汽含量,月平均相对湿度一年中最高.因此在较高相对湿度情况下,气溶胶吸湿增长可以使AOD显著增加[27].

图1 AOD和α月平均值Fig.1 Monthly means of AOD and α

由图2可见,杭州市AOD均值季节变化主要表现为冬季(0.92±0.38)和春季(0.92±0.43)略高于秋季(0.88±0.44)和夏季(0.75±0.57).从不同分位数变化可以看出,AOD75th的数值在不同季节相差不大,在1.0～1.25之间.而AOD25th、中位数数值在夏季远低于其他季节,同时 AOD的最大值和最小值均出现在夏季,此外四分位间距也是夏季最高.由此可见,杭州市夏季 AOD的变化幅度非常剧烈.

杭州市春季容易受到北方沙尘天气南下或是局地污染源的影响[28],大气中气溶胶粒子长时间滞留容易造成春季 AOD的增加.夏季随着气温升高,空气中含水量也逐渐增加,在高温高湿条件下加快气溶胶的气-粒转化过程,增加了气溶胶的形成能力,使城市气溶胶产生了积聚效应[29].此外,夏季太阳辐射强烈,大气光化学反应活跃,有利于二次气溶胶的形成.因此夏季湿热的天气条件是造成 AOD高值的另一重要原因.而城市周边农作物夏季秸秆燃烧产生的污染物对AOD也会有一定影响.秋季和冬季主要受大陆高压系统控制,大气层结稳定,逆温出现频率高,污染物扩散条件差,气溶胶主要来自于局地人为源排放且浓度相对较高[30],因此会导致AOD增加,特别是在雾霾天气影响较为严重时期,AOD会出现明显上升[31].由此可以看出,杭州市AOD值四季都处于较高浓度水平,且季节变化特征不明显,主要与该地区天气形势以及内外源影响密切相关.

图2 AOD季节变化Box-Plot图Fig.2 Box plot of seasonal variations of AOD

从α逐月变化可以看出(图1),α最小值出现在 4月,为 1.09±0.20;最大值出现在 10月,为1.38±0.15.除了4月和7月外,α在其余月份均高于1.20,并且从9月至次年2月月均值变化范围很小,在1.29～1.34之间.由图3可见,α季节变化主要表现为秋季(1.32±0.23)和冬季(1.31±0.18)大于夏季(1.24±0.21)和春季(1.17±0.24).杭州市α季节变化特征与上海浦东的研究结果相一致[27].杭州市春季α相对较低,可能受北方沙尘粒子远距离输送影响.尽管如此,Eck等[12]研究表明,当α大于 0.8时,即使在春季,气溶胶中混合了粗粒子模态的沙尘气溶胶,人口密集的城市依然以细粒子占居主导,进而影响AOD变化.由图3可以看出,杭州市各个季节α的25th均都远大于0.8,说明杭州市主要以粒径较小的气溶胶粒子为主控模态.这也与长江三角洲地区污染物主要是由人为源排放以及光化学反应产物有关[32].

图3 α季节变化Box-Plot图Fig.3 Box plot of seasonal variations of α

2.2 AOD日变化

图4 AOD日变化Fig.4 Daily variation of AOD

图4给出2011～2012年杭州市AOD日变化,07∶00和 18∶00由于小时样本数较少(N≤30),故未加入统计.由图4可见,杭州市AOD大体呈现单峰变化特征,下午高于上午,峰值出现在15∶00,为 0.93±0.61;谷值出现在 06∶00,为 0.68± 0.43.早、晚高峰时期AOD值也非常接近,在0.80左右. AOD在07∶00～10∶00略微呈现增加趋势主要是由于日出之后,人类活动开始活跃,伴随上班早高峰的出现,人为排放的气溶胶逐渐增加,与此同时低层大气通常出现逆温,大气层结也较稳定,不利于污染物的扩散.中午前后,由于太阳辐射的不断加强,大气层结变得越来越不稳定,近地层气溶胶在湍流输送作用下向城市上空扩散,加之午后由于强烈的太阳辐射引起光化学反应活跃,增加二次气溶胶的生成.因此AOD在11∶00～15∶00出现较为明显的增加过程.临近傍晚,大气层结开始逐渐趋于稳定,边界层高度降低,同时伴随着下班晚高峰,人类活动产生的气溶胶再次得到集中释放,因此AOD依然维持在高位.

2.3 杭州市AOD与其他城市比较

2011～2012年杭州市 AOD500nm年平均为0.86±0.47,是我国AOD高值地区之一.从表1可以看出,杭州市AOD与北京、郑州等地区非常接近,基本处于同一水平.同时发现,长江三角洲地区AOD普遍较高,即便是临安区域背景站,AOD依然没有表现出明显的差异,主要是由于长江三角洲是中国典型工业区域之一,人口密集,人为活动排放产生的大量污染物导致环境污染非常严重.与龙凤山区域背景站的 AOD观测相比,杭州市AOD值约为龙凤山的2.7倍.龙凤山位于中国东北地区国家森林公园内,生态环境良好,附近没有工业污染源,且人口也较少,因此AOD较小.这也反映出经济发达地区城市上空大气气溶胶负载量明显增加.

表1 我国部分地区CE-318气溶胶光学厚度观测结果比较Table 1 AOD observed by CE-318at some other sites in China

2.4 AOD和α的频率分布

由图5可见,杭州市AOD出现频率主要区间在0.2～1.2之间,占总样本的76.7%;其中AOD出现频率最高区间为0.4～0.6,占总样本的20.3%;次高区间为0.6～0.8,占总样本的19.2%.而AOD在极端清洁值区间 0～0.2的出现频率很低,仅占总样本的2.7%.这表明区域的人为源气溶胶占有很大比例.图5还反映出杭州市AOD频率分布呈现明显的单峰分布特征,并且较好的符合对数正态分布.类似的分布特征在 O’Neill等[39]研究中同样被证实.参考汤洁等[40]分析方法,最大出现频率所对应的数值(即对数正态分布的平均值)可以代表该地区气溶胶的本底值.拟合结果表明观测期间内杭州市AOD最大出现频率对应的数值为 0.58,可以认为该值是观测期间杭州市AOD的本底值.

图5 AOD频率和对数正态分布Fig.5 Frequency and lognormal distribution of AOD

图6 α频率和对数正态分布Fig.6 Frequency and lognormal distribution of α

由图6可见,与AOD的分布相类似,杭州市α频率分布也呈现明显的单峰分布特征.α出现频率最高的区间在 1.3～1.4之间,占总数的 23.3%.落在高值区间1.1～1.7的α出现频率为77.8%.这个数值要高于太湖1.1～1.7的α约为70%[15],与上海浦东1.1～1.7的α约为79%相当[27].综合2年的观测资料得出α的年平均值为1.25±0.23.以上分析表明杭州市气溶胶粒子主控模态比较稳定且平均半径较小,属于城市-工业型气溶胶类型[41].

2.5 AOD和α的关系

由图7可见,AOD和α没有明显的可辨析关系.α在0～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0区间时,对应的AOD均值分别为1.23±0.82、0.71±0.55、0.82±0.47、0.77±0.34.在α不同的区间范围,AOD的跨度均较大,其标准差接近或超过各自平均值的 50%.这反映出杭州城市上空存在不同组分的气溶胶.李成才[42]对香港的研究表明,α和 AOD呈明显反相关关系,在清洁时期以水溶性气溶胶为主,污染时期沙尘或烟煤型比例增大.Che等[43]对塔克拉玛干沙漠的研究表明,主要受沙尘气溶胶的影响,随着AOD的增加,α减小.杭州市的观测结果有明显不同,这可能与不同地区污染来源不同有关.杭州市的气溶胶主要来源于城市的复合型污染物.同时也会受到周边区域污染物输送的影响,加之杭州地处杭嘉湖平原地区,西南面都是丘陵和山脉,输送来的气溶胶和局地源气溶胶易在杭州城市上空汇集,从而导致杭州城市气溶胶成分比较复杂.

图7 AOD和α散点图Fig.7 Scattergram of AOD and α

2.6 气溶胶类型分类

Gobbi等[44]建立了一种区分气溶胶类型的分类方法,它可以区分云干扰及气溶胶细粒子的增长和吸湿部分.具体方法是将不同波段Angstrom波长指数的差值δα(α440-675nm-α675-870nm)定义一种计算Angstrom波长指数曲率dα/dλ,利用δα和α440-870nm的散点分布来区分气溶胶类型.在坐标系中,通过不同区间的 AOD对气溶胶粒子进行分类.气溶胶细粒子亲水特性会同时导致气溶胶的粒径和细模态气溶胶 AOD比例(η)的增加.而云干扰仅仅会导致细模态气溶胶 AOD比例(η)的增加,气溶胶细粒子的粒径保值不变.

图8 AOD670nm、α和δα的关系图8 The relationship among AOD670nm、α and δα

本文采用该方法将所有瞬时的 AOD670nm、α440-870nm以及 δα(α440-670nm-α670-870nm) 数据,结合图解法分析杭州市气溶胶的类型.图 8是以折射率m=1.4-0.001i为参考,采用双模态、对数正态分布的α和δα函数对气溶胶类型进行分类的示意.由图8可见,杭州市AOD的高值主要表现为细模态粒子(AOD>1.0,δα<0,η>70%)和粗模态粒子(AOD>1.0,δα>0,η<30%)的影响.这种类似的分布特征在北京[44]和榆林[45]同样被证实.因此可以推断杭州城市气溶胶高AOD特性与沙尘气溶胶以及细模态气溶胶的吸湿增长有关.图 8还可以看出,杭州市AOD在大于1.0的污染状况下,气溶胶主要集中在细模态粒子增长区域(1.0<α<1.5, δα<0),与之相对应的细模态粒子AOD比例介于70%～90%,粒径大小范围约在0.12～0.17μm之间.

3 结论

3.1 2011～2012年杭州市AOD500nm年平均值为0.86±0.47,是我国气溶胶光学厚度较厚地区之一.杭州市 AOD季节变化特征不明显,冬春季节要略高于夏秋季节,主要与该地区天气形势以及内外源影响密切相关.AOD频率分布呈现明显的单峰特征,并且较好的符合对数正态分布.

3.2 2011～2012年杭州市 α440-870nm年平均值为1.25±0.23. α季节变化主要表现秋、冬季节要高于夏、春季节.春季α略偏低与北方带来的沙尘气溶胶有一定影响.α在高值区间1.1～1.7出现频率为 77.8%,表明杭州市以平均半径较小的气溶胶粒子为主,属于城市-工业型气溶胶类型.

3.3 AOD日变化大致呈现单峰型变化特征.早晚高峰时期AOD相差不大.午后AOD明显升高主要与强烈的太阳辐射引起光化学反应产生的二次气溶胶以及近地层气溶胶在湍流输送作用下向城市上空扩散有关.

3.4 从AOD和α的散点分布来看,两者没有明显的可辨析关系.受局地污染和地形等综合因素影响,杭州城市上空气溶胶的成分比较复杂.杭州市 AOD的高值(>1.0)主要表现为粗模态气溶胶以及细模态气溶胶的吸湿增长.

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致谢：感谢中国气象科学研究院车慧正副研究员对本文提供的宝贵意见和指导.

Aerosol optical depth in urban site of Hangzhou.

QI Bing1*, DU Rong-guang1, YU Zhi-feng2, ZHOU Bin2
(1.Hangzhou Meteorological Bureau, Hangzhou 310051, China；2.Institute of Remote Sensing and Earth Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 311121, China). China Environmental Science, 2014,34(3)：588～595

The characteristics of aerosol optical depth (AOD) and Angstrom wavelength exponent (α) were analyzed and compared using Cimel sunphotometer data from 2011 to 2012 at national basic meteorological station in Hangzhou city of China. The results showed that the mean value of AOD500nmand α440-870nmwere 0.86±0.47and 1.25±0.23, respectively. The averaged AOD over Hangzhou had no obviously seasonal variation characteristics. It was closely related to the weather patterns and internal and external sources influence in this region. The seasonal variation of α was not distinct. Due to dust aerosol spreading from north of china, the α measured in spring was a little lower compared to other seasons. The diurnal variation of averaged AOD showed a single peak distribution with the peak value and valley value at 15：00 and 06：00 respectively. The significantly increased value of AOD in the afternoon were due to the secondary aerosols generated from photochemical reactions that caused by strongly solar radiations and the aerosols in the surface layer spreading to upper layer influenced by turbulent transfer action. Both the AOD and α showed obvious single peak of frequencies based on the frequency distribution. It was found that the AOD and α can be better characterized by a lognormal distribution. The frequency of α, occurring in the high value range between 1.1and 1.7was 77.8%, which indicated that the average effective radii of aerosol particles were small and the aerosols should be classified as urban-industrial aerosols in Hangzhou. The data also showed high AOD(>1.0) both clustering in the fine mode growth wing and the coarse mode.

sunphotometer；aerosol optical depth；Angstrom wavelength exponent；Hangzhou

X513

：A

：1000-6923(2013)03-0588-08

齐 冰(1981-),男,江西南昌人,工程师,硕士,主要从事大气物理与大气环境研究.发表论文7篇.

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2013-07-21

国家自然科学基金项目(41206169);国家公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206011);杭州市科技局社会发展科研攻关项目(20120433B14,20130533B09)

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