丽江高美古大气透明度和可降水量*

李建玉，詹 杰，徐青山，魏合理

(1. 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽 合肥 230031;2. 中国科学院研究生院，北京 100049)

望远镜建设的台址选择是一门涉及天文气象、大气物理和地理等领域的交叉学科，台址选择首先应在气候条件和大气物理性质方面满足望远镜最大使用效率的要求。选址考察要素一般包括云量(晴日数)、视宁度、水汽含量、透明度、天空背景亮度、风速及风向稳定性，大气透明度高、可降水量少和视宁度好应是台址选择的首要条件。大气透明度指光在铅直方向由大气外界传播至某一高度的过程中,透过的光强占入射光强的比率，即大气透过率。根据布格朗伯定理，整层大气透过率与大气光学厚度呈负自然指数的关系，故可用整层大气气溶胶光学厚度(AOT)表征大气透明度。星光到达望远镜观测设备之前首先要经过地球大气层，气溶胶和可降水量会影响光学成像系统的观测质量。由于大气气溶胶和可降水量复杂的时空变化，要了解二者的区域光学特征就需要长期连续的观测。因此，进行气溶胶光学性质和可降水量(PWV)的长期观测对辐射传输、气候变化、大气环境和光学工程的应用等方面都有重要的意义。

大气气溶胶光学厚度与Ångström指数是表征大气气溶胶光学特性的最基本参量。其中，大气气溶胶光学厚度反映了整层大气的透明度，而Ångström指数反映了气溶胶粒子谱分布特征。水汽作为一种重要的温室气体，是全球变化研究和数值模式中的重要参数,也是红外波段大气衰减的重要因子，特别影响红外波段的天文观测。地基太阳光度计提供了最为精确可靠的大气气溶胶光学厚度和可降水量遥感。近些年，国内不少学者利用光电光度计或光辐射计在多个地区测量的大气辐射或太阳辐射研究大气透明度。文[1]作者用光电方法测定了丽江高美古在B、V 两个波段的大气消光系数，并与云南天文台凤凰山台址的大气消光系数比较，判断出前者的大气透明度比后者好。文[2]作者利用1998年瓦里关地区太阳辐射资料，计算了大气透明度系数和太阳直接辐射在大气中的各种衰减，并对高原清洁地区大气透明度系数和太阳直接辐射减弱的一些基本特征进行了分析。文[3]作者利用乌鲁木齐、喀什40多年长序列太阳辐射资料以及塔克拉玛干沙漠腹地及周边地区相关的辐射和气象资料，分析新疆区域大气透明度的年际、月际和日变化以及影响大气透明度的主要气象因子。

云南丽江地处青藏高原与云贵高原的过渡区，海拔约2.4 km，属低纬度高原季风气候，该地区工业不多，自然环境很少受到污染。1999年，文[4]作者对丽江高美古天文观测站的气象条件进行了综述，得出高美古的各种气象因素和地理、社会条件对于建设我国南方的天文光学观测基地是合适的。近些年来，随着丽江旅游业的发展，每年各地大量游客前往丽江观光避暑，城市和旅游区规模不断扩大发展，人为因素对大气的影响也越来越多，因此气溶胶成分、光学特性和可降水量受到一定的影响。

本文用DTF-6型太阳光度计，于2010年10月～2011年5月近三个季度在丽江高美古进行了实际观测，选择晴朗无云的天气，得到晴天550 nm波段上大气气溶胶光学厚度、Ångström指数及整层大气可降水量，然后统计分析了丽江高美古气溶胶和可降水量的光学特征。

1 仪器和资料简介

中国科学院安徽光学精密机械研究所于2010年在DTF-3和DTF-5的基础上研制了便携式DTF-6型全自动太阳光度计[5]。与法国的CE318和日本的POM02相比，观测结果验证精度都在8%以内，与微波辐射计相比，可降水量均方根绝对误差0.96 mm[6]。多年来该系列类型的太阳光度计被国内多家科研单位用于大气探测研究，在我国大气光学测量方面发挥着重要作用。DTF-6型太阳光度计有8个波段，中心波长分别为1 050、940、860、780、670、610、520、400 nm，光谱带宽10 nm。除940 nm波段用于整层大气可降水量测量外，其它7个波段用于大气气溶胶光学厚度的测量，接收视场角约为1°，本文主要报道了550 nm波段的大气透明度的测量结果(用大气AOT表示)。经定标后的DTF-6于丽江高美古(26.70°N，100.03°E，海拔3.19 km)进行实验，仪器安装在一开阔场地。自2010年10月底至2011年5月，共得到晴朗无云天气的数据52 d，各月份晴朗无云的观测天数列于表1。

表1 各月有效数据天数列表

在所有有效测量日中，有效数据时间在7 h以上的有34 d，其它各天晴朗无云的观测时间至少在4 h以上。

2 太阳光度计测量大气气溶胶光学厚度和可降水量的原理

太阳光度计观测数据的处理采用“截距法”，对某时刻仪器测得的信号V(λ,t)从以下公式获得大气柱总的光学厚度：

(1)

式中，θ是太阳天顶角；m是大气质量；(d0/d)2是日-地距离修正因子；V0(λ)为采用常用且精度较高的Langley法获得的太阳光度计定标值。选择在晴朗无云、大气稳定且气溶胶较小的地方进行定标测量[7]。大气气溶胶光学厚度τa(λ)可由(1)式计算的总光学厚度扣除瑞利散射光学厚度τR(λ)和气体吸收光学厚度τg(λ)得到。

在大气气溶胶粒子谱分布符合Junge谱分布的条件下，不同波长的大气气溶胶光学厚度满足Ångström公式：

τa(λ)=βλ-α

(2)

式中，β为大气浑浊度系数，其值为波长1 μm处的大气气溶胶光学厚度；α即为Ångström指数。已知两个以上波长上气溶胶光学厚度τa，对上式的对数采用最小二乘法可求得α。文中后面所有大气气溶胶光学厚度用550 nm波段值，即通过该方法获得。Ångström指数表示粒子谱分布的平均情况，α值越小，接近于0或为负，表示大粒子(>1.0 μm)越多；反之，α值越大，通常大于1.2，则表示小粒子(<1.0 μm)越多，可以通过它的值的大小大致了解气溶胶粒子大小的分布。

Langley法对于非水汽吸收波段的定标有较高的精度，而对于940 nm水汽强吸收波段采用改进的Langley法[8]。吸收波段水汽的透过率Tw可以写为：

Tw=exp(-ambWb)

(3)

式中，W是整层大气垂直柱水汽吸收；m是大气质量；a、b是常数，用通用大气辐射传输软件CART[9]对940 nm波段带宽10 nm范围内的大气透过率和水汽含量的关系进行拟合得出[10]。

在 940 nm水汽吸收带, 太阳光度计的测量值可以写成：

(4)

式中，τ(λ)是分子与气溶胶总光学厚度，采用拟合方法得到水汽波段的定标值V0，进而求得整层大气可降水含量W。

太阳光度计定期选择晴朗无云且大气变化稳定的天气进行定标。与探空气球和微波辐射计相比，太阳光度计测量的整层大气可降水含量的相对误差一般小于8%[6,11]。

3 测量结果处理与分析

3.1 大气气溶胶光学厚度和可降水量日变化

3.1.1 大气气溶胶光学厚度日变化

影响气溶胶日变化的因素很多，辐射加热、局地湍流、风场、人类活动等所有直接或间接引起气溶胶源释放、传输、扩散及清除的自然和人为因素都会引起大气气溶胶的变化。这使得气溶胶日变化过程非常复杂。分析图1中实验期间有完整观测(日有效数据7 h以上)的34 d的观测结果，将丽江高美古大气气溶胶光学厚度日变化大体分为以下4种类型：

(1)大气气溶胶光学厚度日变化平缓。这样的天气有10 d，多发生在冬春季节的雨后或冷锋过境前两天。大气中气溶胶含量很少，是非常清洁的天气，可认为是该地的大气背景气溶胶。

(2)大气气溶胶光学厚度从早到晚整体呈上升趋势。这样的天气有9 d。这类天气中大气气溶胶光学厚度通常在线性增长的基础上，在13∶00以后上升幅度较大。这种气溶胶日变化类型产生主要有两方面原因：一方面是因为随太阳辐射增强，大气层结构变得不稳定，中午到下午有粒子从地面被输送入大气；另一方面是因为辐射增强，大气中气-粒转换增强及气溶胶颗粒吸湿增强造成的。

(3)大气气溶胶光学厚度早晚大、中午小。这种日变化类型仅有2 d，且出现在秋冬雾天， 11月1日和12月1日。秋冬季的雾天，日出后大气气溶胶光学厚度一般会逐渐减小，是因为随着阳光照射，水汽蒸发，雾气消散，气溶胶消光作用变弱，进入下午后光学厚度增大其原因同第二种类型。

(4)大气气溶胶光学厚度上午变化平缓下午出现一个或多个峰值。这种日变化类型出现天数最多，有12 d。大气气溶胶光学厚度峰值多出现在下午15∶00前后。随着太阳对地面的不断加热，中午过后，大气层结构不稳定造成的局地湍流使向上输送的气溶胶粒子达到一天中的最大值，再加上人们日常活动的展开，15∶00后，大气气溶胶光学厚度达到另一个峰值。其它的如人类活动、生物燃烧等任何短时间内向大气注入大量颗粒物的事件，都会造成大气气溶胶光学厚度的峰值出现。

总之，影响气溶胶日变化的因素复杂多变，简单对其变化类型的分类和对一两种因素的分析很难较好地描述和解释气溶胶的时间变化。要想更深刻理解气溶胶的变化机制，除太阳光度计外，需要综合更多种观测手段，如无线电探空、激光雷达、卫星等，对其相关因素进行更长期的观测和研究。

3.1.2 可降水量日变化

影响可降水量日变化的因素主要有温湿压、辐射加热、局地湍流、风场等，使得可降水量日变化过程同样非常复杂。分析实验期间观测结果，如图2，可将丽江高美古可降水量日变化大体分为以下4种类型：

图1 丽江高美古大气气溶胶光学厚度日变化

Fig.1 Diurnal variation of aerosol optical depth at the Gaomeigu site, Lijiang

图2 丽江高美古可降水量日变化

Fig.2 Diurnal variation of precipitable water vapor at the Gaomeigu site, Lijiang

(1)可降水量日变化平缓。这种日变化类型出现天数最少，仅有2 d， 12月20日和1月13日。

(2)可降水量上午变化平缓中午开始整体呈上升趋势。这样的天气最多，有18 d，多出现在冬季的12月和1月。

(3)可降水量上午缓慢递减，中午开始大幅递增，进入下午出现较大波峰或波谷。这样的日变化有10 d，多出现在12月。

(4)可降水量波动较大，一日中出现一个或多个波峰。这样的天气有4 d，冬季的12月1日和1月8日，春季的3月24日和5月10日，两季各出现两天。

由以上几种类型可以看出，大气可降水量的日变化波动较明显,多数天相对变化幅度可达到50%甚至100%以上。这是由于风场变化和大气环流运动，使得大气可降水量产生一定波动，但可降水量都在9 mm以下，说明该地区水汽含量非常少。

3.2 大气气溶胶光学厚度和可降水量日均值和季节变化

3.2.1 丽江高美古整层大气的大气气溶胶光学厚度和可降水量日均值变化

图3～图5分别是实验期间晴朗时间段丽江高美古的大气气溶胶光学厚度与可降水量的日均值变化及其标准偏差。横坐标表示观测日期在年中天的序号，即一年的第多少天。

图3 550 nm波段大气气溶胶光学厚度日均值变化

Fig.3 Daily averages of aerosol optical depth(observed at 550nm)

图4 逐日平均气溶胶Ångström指数与大气浑浊度系数

Fig.4 Daily averages of Ångström index and turbidity coefficient

丽江高美古实验期间550 nm波段大气气溶胶光学厚度日均值变化范围在0.03到0.21之间，而喀什和合肥地区基本都在0.2以上[12]，可见丽江大气气溶胶光学厚度非常小，表明该地区大气非常清洁，大气透明度高，且根据实验记录，该地区未曾出现浮尘或霾，故大气气溶胶光学厚度一直维持在0.25以下。在3月和4月该地区有几天的大气气溶胶光学厚度相对其它各月偏高。大气气溶胶光学厚度的测量最低达到的百分点，表明仪器在该地区对大气气溶胶光学厚度的测量具有较高的精度。

图4是丽江高美古气溶胶Ångström指数与大气浑浊度系数逐日平均值，从图中可以看出，气溶胶Ångström指数除了5月份有两三天在1.0以下(但都在0.65以上)，其它各天都在1.1到1.75之间，表明该地区大气中积聚的多为小粒子。图3中3月24日和4月8日至10日这几天大气气溶胶光学厚度虽然偏大，但其Ångström指数都在1.1以上，表明空气中被注入的气溶胶仍为小粒子成分。5月5日至7日几日虽然Ångström指数在0.65至1.0之间，但其大气气溶胶光学厚度都不到0.14，故该几日空气中被注入的是少量生物质燃烧的烟雾粒子。

图5 丽江高美古可降水量日均值变化

Fig.5 Daily averages of precipitable water vapor at the Gaomeigu site, Lijiang

从图5可以看出丽江高美古实验期间可降水量日均值变化范围在0.05 cm到1.08 cm之间，5月5日、8日和9日几天的可降水量大，其它各天都在0.6 cm以下，表明该地区秋冬春三季整层大气可降水量很小，从秋季到冬季可降水量整体呈减少趋势，进入春季，可降水量又开始明显回升。与1995年7月7日至1996年10月16日文[13]作者用红外水汽测量仪测得的高美古水汽含量的日均值相比，变化趋势基本一致，而且在量值上，除了冬季个别几天可降水量偏低，其它相应季节对应月份的取值范围基本一致。同样，仪器在该地区对可降水量的测量也具有较高的精度。

3.2.2 丽江高美古整层大气的大气气溶胶光学厚度和可降水量季节变化

对每个月的大气气溶胶光学厚度和可降水量求平均值，得到丽江高美古实验期间大气气溶胶光学厚度和可降水量月变化分别如图6和图7。图6中，3月和10月分别仅获取一天可用数据，该两月的两天数据事实上不能代表这两月的大气气溶胶光学厚度和可降水量月均值。

丽江从10月和11月份进入冬季，12月和1月大气气溶胶光学厚度和可降水量都减少，到春季3、4、5月份又开始回升，值增大，但大气气溶胶光学厚度在春季随月份增加而减少，而可降水量随月份增加而增大。实验期间大气气溶胶光学厚度月均值在0.05～0.21之间，可降水量月均值在0.1 cm～0.7 cm之间，相比于喀什、张北和合肥在0.11～0.84和0.15 cm～2.8 cm[11]，该地区大气气溶胶光学厚度和可降水量都较少，表明该地区在秋冬春三季空气清新洁净，大气环境并未受到污染，具有较高透明度。

图6 丽江高美古大气气溶胶光学厚度月变化

Fig.6 Monthly averages of AOT at the Gaomeigu site, Lijiang

图7 丽江高美古可降水量月变化

Fig.7 Monthly averages of PWV at the Gaomeigu site, Lijiang

图8给出了丽江高美古气溶胶Ångström指数与大气浑浊度系数逐月平均值，从图中可以看出该地区气溶胶Ångström指数月均值在1.0至1.7之间，表明该地区全年大气中积聚的多为小粒子，秋冬两季气溶胶Ångström指数较大，进入春季明显减小，这主要是由于收种季节，生物燃烧注入了烟雾粒子造成的。

3.3 大气气溶胶光学厚度和可降水量统计分析

为了更为详细地了解实验期间获取的所有数据中大气气溶胶光学厚度、Ångström指数和可降水量在量值上的直观分布，图9～图11分别给出了它们的频率分布图，由图中可以看出该地区大气气溶胶光学厚度值多集中在0.01到0.1之间，值很小，三季总平均0.071，是一个空气清新洁净，透明度高，未受到污染，青山碧水的旅游之地；Ångström指数值多集中在0.8至2.0之间，表明该地区大气中多为小粒子；可降水量值在0.04 cm到0.5 cm之间，秋冬春三季可降水量很少，三季总平均不到0.3 cm。从图中还可看出各参数频率分布基本呈高斯分布。最后统计分析得到丽江高美古秋冬春三季550 nm大气气溶胶光学厚度和可降水量的中值、最可几值和平均值如表2。

图8 丽江高美古逐月平均气溶胶Ångström指数与大气浑浊度系数

Fig.8 Monthly averages of Ångström index and turbidity coefficient at the Gaomeigu site, Lijiang

图9 丽江高美古550 nm大气气溶胶光学厚度频率分布

Fig.9 AOT value distribution at the Gaomeigu site, Lijiang

图10 丽江高美古Ångström指数频率分布

Fig.10 Ångström index distribution at the Gaomeigu site, Lijiang

表2中大气气溶胶光学厚度和可降水量各季节中值与平均值相差较少，大气气溶胶光学厚度秋冬两季平均值要比春季小很多，可降水量春秋两季平均值要比冬季大很多，与文[13]作者1995至1996年测得的水汽含量平均值相比偏低，这种差别一方面因为北京师范大学的红外水汽测量仪测得的水汽含量时间分辨率低且常规观测仅在中午两个小时时间段，同时有夜晚观测的数据，而本文的太阳光度计时间分辨率高，测量仅限于白天、晴朗无云的天气，并且限于有限样本分析的基础上；另一方面，相隔15年，该地区水汽含量也可能有所变化；最后，也很有可能是两不同设备之间的系统误差及定标误差造成的。

图11 丽江高美古可降水量频率分布

Fig.11 PWV distribution at the Gaomeigu site, Lijiang

表2 丽江高美古秋冬春三季550 nm大气气溶胶光学厚度和可降水量的中值、最可几值和平均值

4 结 论

通过对丽江高美古秋冬春三季晴朗无时大气气溶胶光学特性和可降水量的日变化和季节变化特征的分析，得到如下结论：

(1)丽江高美古晴天大气气溶胶光学厚度和可降水量日变化都大致可分为4种类型，大气气溶胶光学厚度每种变化类型与当天大气层结的稳定程度关系密切，也受人为等其他因素的影响，也表征了大气透明度的变化。可降水量每种变化类型与当天风场变化和大气环流运动密切相关。

(2)丽江高美古晴天大气气溶胶光学厚度和可降水量都在冬季最小，秋季次之，春季持续升高。实验期间大气气溶胶光学厚度最大值出现在2011年3月，可降水量最大值出现在2011年5月。 大气气溶胶光学厚度和可降水量各季节中值与平均值相差较少，大气气溶胶光学厚度秋冬两季平均值要比春季小很多，可降水量春秋两季平均值要比冬季大很多。但总体来看，大气气溶胶光学厚度和可降水量值都偏小，大气较洁净。

(3)丽江高美古秋冬春三季晴天大气气溶胶光学厚度取值集中在0.01到0.1之间，Ångström指数在0.8至2.0之间，表明该地区大气洁净且大气中积聚的多为小粒子；可降水量取值多在0.04 cm到0.5 cm之间。各参数频率分布基本呈高斯分布。该地区大气气溶胶光学厚度和可降水量都很低，满足天文望远镜选址的首要条件。

致谢： 感谢所有参加高美古踏勘、建点和观测值守的人员, 唯有他们的艰苦努力才有本文的基础实验数据, 在此表示由衷的敬意。

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