上海地区霾时气溶胶类型垂直分布的季节变化

马骁骏，秦 艳，2，陈勇航，2*，张 华，叶 文，胡承婷，热依拉古丽·阿不都热合曼（.东华大学环境

科学与工程学院，上海 201620；2.上海市大气颗粒物污染防治重点实验室，上海 200433；3.中国气象局国家气候中心，北京 100081）

上海地区霾时气溶胶类型垂直分布的季节变化

马骁骏1，秦 艳1，2，陈勇航1，2*，张 华3，叶 文1，胡承婷1，热依拉古丽·阿不都热合曼1（1.东华大学环境

科学与工程学院，上海 201620；2.上海市大气颗粒物污染防治重点实验室，上海 200433；3.中国气象局国家气候中心，北京 100081）

采用上海地区2007年1月～2010年11月CALIPSO星载激光雷达Level 2反演资料，对清洁海洋型、沙尘型、大陆污染型、大陆清洁型、污染沙尘型和烟尘型等类型气溶胶垂直分布进行了分析，研究了其季节变化规律.结果表明:霾发生时0～2km高度烟尘型气溶胶出现频率明显高于非霾时，而在2～8km高度，沙尘型、污染沙尘型与大陆污染型明显高于非霾时.0～2km高度春季霾大陆污染型气溶胶出现频率高于其他季节；0～2km夏季污染沙尘型气溶胶与海洋型气溶胶出现频率均高于其他季节，特别是污染沙尘型；秋季霾期间，0～2km高度范围内烟尘型出现频率明显高于2～6km高度；冬季污染沙尘型、烟尘、大陆污染型气溶胶出现频率高于其他季节.

气溶胶；霾；CALIPSO；垂直分布

作为世界上典型的特大城市之一，上海已成为我国严重霾污染区域之一［1-4］，表现为多种污染物共存的复合型污染［5-6］，居民健康和生态环境受到严重威胁.

在城市霾污染方面已有不少研究［7-16］.从霾天气的气溶胶类型研究来看，主要通过地面观测从化学组分的角度进行，而基于微物理属性对不同类型气溶胶的研究尚罕见，主要是由于观测手段的限制.而随着CALIPSO卫星发射成功，其上加载的激光雷达提供了研究气溶胶类型垂直分布规律的新技术手段［17-20］.目前利用CALIPSO资料的研究主要是针对云［21-22］与沙尘气溶胶［23-24］方面，针对霾气溶胶的研究仍较少.

因此，本研究针对上海霾期间各高度层不同类型气溶胶进行分类研究，分析其季节变化特征，为上海空气质量研究和污染控制决策提供新的观测数据与科学依据.

1 资料与方法

CALIPSO星载激光雷达CALIOP为目前最先进的气溶胶垂直分布观测设备之一，可以提供气溶胶类型和微物理属性资料.研究［25-26］表明CALIPSO L2VFM Version 3资料相对于Version 2在云-气溶胶分类算法上有较大的改进，使气溶胶分类的精度大大提升.

本文采用2007年1月至2010年11月CALIPSO Level2气溶胶类型数据集，研究区域为28°N～32°N，119°E～122°E，CALIPSO卫星过境时间为每天北京时间1:00与12:00，.该数据集利用不同高度后向散射数据，推导出包括体积退偏比、532nm后向散射系数、区域类型以及抬升现象等一系列特征雷达信号，从而区分大气层内不同高度气溶胶类型.将气溶胶分为6种类型（表1），分别为“清洁海洋型（CM）”、“沙尘型（DU）”、“大陆污染型（PC）”、“大陆清洁型（CC）”、“污染沙尘型（PD）”以及“烟尘型（SM）”.

表1 CALIPSO气溶胶分类标准Table 1 CALIPSO aerosol classification standard

依据2010年6月1日实施的国家气象行业标准《霾的观测和预报等级》［27］和相关研究［28］，2007年1月至2010年11月期间研究时段内平均能见度＜10km，平均相对湿度＜95%，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等可造成视程障碍的天气现象，利用CALIPSO卫星L1和L2产品筛去高、低空云过厚的情况，判识为霾；排除降水、扬尘、雾、轻雾以及霾等可造成视程障碍的天气现象，并筛去高、低空云过厚的情况，判识为非霾.研究时段内计算各类气溶胶垂直分布频率并进行统计分析.所用能见度与相对湿度为一小时一次的观测资料，均来自芬兰Vaisala公司Milos七要素自动监测仪，该仪器安装于上海市城市环境气象中心（31°13’16.6”N，121°32’54.8”E）.

2 结果与分析

2.1 上海地区霾时统计

统计了上海地区2007年1月至2010年11月霾时季节分布状况（表2），可见春季是霾的高发季节，其次是冬季、秋季和夏季.2.2 非霾时气溶胶类型分布

表2 上海地区2007～2010年霾与非霾时数（h）Table 2 Number of haze and non-haze hours in Shanghai from January 2007 to November 2010 （h）

非霾期间，由于夏季来自海洋的东南风多，故海洋型气溶胶所占比例略高于其他季节；春季非霾期间夜间大陆污染型气溶胶相对含量高于其他季节，高达25.20718%，其次是冬季15.51622%；各个季节非霾期间白天大陆污染型气溶胶出现频率均低于夜间，春季非霾白天大陆污染型气溶胶出现频率最高，达到14.68888%；春季沙尘气溶胶出现频率均高于其他季节，高达15.07037%（夜间）和9.057128%（白天），而污染沙尘型气溶胶的含量相对稳定（图1）.

2.3 霾时气溶胶类型分布

春季夜间霾时清洁海洋型气溶胶出现频率，明显高于白天，而其他类型气溶胶出现频率较大；夏季夜间污染沙尘型气溶胶与海洋型气溶胶出现频率均高于其他季节，特别是污染沙尘型（图2）.

图1 非霾时不同类型气溶胶频率分布Fig.1 Seasonal distribution of different type of non-haze

图2 不同季节霾时不同类型气溶胶频率分布Fig.2 Seasonal distribution of different type of aerosol during haze

研究发现，PD、SM、DU和PC这四类气溶胶的对霾的形成有重要作用.夜间霾发生时，在春季污染沙尘型与烟尘型气溶胶出现频率不变，而大陆污染型气溶胶出现频率大幅上升，沙尘型气溶胶出现频率小幅上升；夏季烟尘型在0～2km高度层出现频率上升，而在高层大气中其出现频率不变，沙尘型气溶胶出现频率也上升，而污染沙尘型与大陆污染型气溶胶出现频率减小；秋季沙尘型气溶胶出现频率减小，大陆污染型气溶胶出现频率增加，其余两种气溶胶保持不变；冬季沙尘型气溶胶出现频率减小，大陆污染型气溶胶出现频率增加，其余两种气溶胶出现频率均小幅上升（图2）.

而在白天发生霾时，在春季沙尘型气溶胶出现频率大幅上升，污染沙尘型小幅上升，而其余两种气溶胶出现频率减少；夏季污染沙尘型与烟尘型气溶胶出现频率，沙尘型与大陆污染型保持不变；秋季除了大陆污染型气溶胶出现频率有小幅上升外，其余3类气溶胶出现频率均保持不变；冬季沙尘型气溶胶出现频率增加，其余三类气溶胶出现频率均减小（图3）.

图3 不同季节霾时不同类型气溶胶垂直频率分布（1:00）Fig.3 Seasonal distribution of different type of aerosol during haze （1:00）

从气溶胶垂直分布看，各季节夜间霾期间不同类型气溶胶垂直频率分布状况比白天霾时均匀；在白天，秋冬季霾期间近地面0～2km高度范围内气溶胶出现频率大于其他季节，主要体现在污染沙尘型、烟尘型与清洁海洋型气溶胶；秋季夜间霾期间，烟尘气溶胶出现频率高于其他季节同高度层烟尘含量，且0～2km高度范围内烟尘含量明显高于2～6km高度层；春冬两季污染沙尘型、烟尘、大陆污染型气溶胶出现频率就高于夏秋两季，且这3类气溶胶垂直分布规律不显著，而沙尘型气溶胶则反之，可能是由于春冬季大气扩散条件稳定而致春冬两季污染沙尘型、烟尘、大陆污染型气溶胶出现频率较大.2.4 多因素方差分析

图4 不同季节霾时不同类型气溶胶垂直频率分布（12:00）Fig.4 Seasonal distribution of different type of aerosol during haze （12:00）

采用多因素方差分析法定量反映霾的出现、气溶胶类型空间分布以及季节变化互相影响程度，佐证了上述研究结果的可靠性.针对DU、PC、PD与SM四类气溶胶频率分布状况进行了多因素方差计算（表3、表4）.表中P值表示在当前影响因素下的零假设（无显著影响）成立的概率，P＜0.01时表明该影响因素对气溶胶分布状况有显著影响.

表3 不同因素对气溶胶分布的影响程度（1:00）Table 3 Influence of different factors on the distribution of aerosol （1:00）

表4 不同因素对气溶胶分布的影响程度（12:00）Table 4 Influence of different factors on the distribution of aerosol （12:00）

对于白天与部分夜间，大陆污染型、沙尘型、烟尘型和污染沙尘型4类气溶胶分布均对季节、高度和霾的发生分别表现出显著的敏感性，说明霾时与非霾时大气中的这4类气溶胶分布状况有明显差异，且表现为显著的季节变化和垂直变化；根据双因素交互作用对各气溶胶分布影响效果发现除烟尘型气溶胶，其他3类气溶胶分布对季节变化与霾的发生交互作用均表现为高敏感性；夜间沙尘型与大陆污染型气溶胶对高度变化与季节变化交互作用有一定敏感性，即高度变化与季节变化分别作为单因素影响这两类气溶胶出现频率的显著程度均小于两个因素同时作用的影响显著程度，而其他2类气溶胶的双因素交互对气溶胶分布的影响作用明显小于单个因素对其的作用，即夜间霾的发生与沙尘型与大陆污染型气溶胶的出现有关.

3 结论

3.1 总体来看，霾时0～2km高度烟尘型气溶胶出现频率明显高于非霾时，在2～8km高度，沙尘型、污染沙尘型与大陆污染型明显高于非霾时.

3.2 白天霾时，出现频率增高的气溶胶主要有烟尘型与污染沙尘型，而夜间霾时烟尘型与沙尘型气溶胶出现频率有明显增高；各季节夜间霾时不同类型气溶胶垂直分布状况比白天霾时均匀.

3.3 春季霾时清洁海洋型气溶胶出现频率低于其他季节，白天其出现频率明显高于夜间，大陆污染型出现频率高于其他季节；夏季污染沙尘型与海洋型气溶胶出现频率均高于其他季节，特别是污染沙尘型；秋季霾期间，烟尘气溶胶出现频率高于其他季节同高度层烟尘含量，秋冬季白天霾期间近地面0～2km高度范围气溶胶以污染沙尘型、烟尘型与清洁海洋型气溶胶为主；冬季污染沙尘型、烟尘、大陆污染型气溶胶出现频率高于其他季节，而沙尘型气溶胶则反之.

4.4 根据方差分析结果表明，霾与非霾时大气中的沙尘型、大陆污染型、污染沙尘型和烟尘型气溶胶分布状况有明显差异，且表现为显著的季节性变化和垂直变化；夜间沙尘型与大陆污染型气溶胶空间分布变化与季节变化分别作为单因素影响这两类气溶胶出现频率的显著程度均小于两个因素同时作用的影响显著程度，而烟尘型与污染沙尘型反之，即夜间霾的发生与沙尘型与大陆污染型气溶胶的出现有关.

［1］范雪波，吴伟伟，王广华，等.上海市灰霾天大气颗粒物浓度及富集元素的粒径分布 ［J］. 科学通报， 2010，55（13）:1221-1226.

［2］潘 鹄，耿福海，陈勇航，等.利用微脉冲激光雷达分析上海地区一次灰霾过程 ［J］. 环境科学学报， 2010，30（11）:2164-2173.

［3］徐婷婷，秦 艳，耿福海，等.环上海地区霾气溶胶垂直分布的季节变化特征，环境科学， 2012，33（7）:21-27.

［4］张懿华，段玉森，高 松，等.上海城区典型空气污染过程中细颗粒污染特征研究 ［J］. 中国环境科学， 2011，31（7）:1115-1121.

［5］孙 娟，束 炯，鲁小琴，等.MODIS遥感气溶胶光学厚度产品在地面能见度中的应用 ［J］. 环境科学与管理， 2006，31（5）:97-101.

［6］上海市环境保护局.2010年上海市环境状况公报 ［R］. http://www.envir.gov.cn/law/bulletin.asp， 2011.

［7］Chen Yong-hang， Liu Qiong， Geng Fu-hai， et al. Vertical Distribution of Optical and Micro-Physical Properties of Ambient Aerosols during Dry Haze Periods in Shanghai， Atmospheric Environment， 2012，50，50-59.

［8］胡 珊，张远航，魏永杰.珠江三角洲大气细颗粒物的致癌风险及源解析 ［J］. 中国环境科学， 2009，29（11）:1202-1208..

［9］严国梁，韩永翔，张祥志，等.南京地区一次灰霾天气的微脉冲激光雷达观测分析 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（7）:1667-1772.

［10］Xu Wan-zhi， Chen He， Li Dong-hui， et al. A case study of aerosol characteristics during a haze episode over Beijing ［J］. Procedia Environmental Sciences， 2013，18:404-411.

［11］杨 欣，陈义珍，刘厚凤，等.北京2013年1月连续强霾过程的污染特征及成因分析 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（2）:282-288.

［12］曹玲娴，耿 红，姚晨婷，等.太原市冬季灰霾期间大气细颗粒物化学成分特征 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（4）:837-843.

［13］何俊杰，吴耕晨，张国华，等.广州雾霾期间气溶胶水溶性离子的日变化特征及形成机制 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（5）:1107-1112.

［14］马骁骏，耿福海，陈勇航，等.上海地区不同类和不同强度灰霾季节分布特征 ［J］. 环境科学与技术， 2013，36（3）:32-36.

［15］吴 蒙，范绍佳，吴 兑，等.广州地区灰霾与清洁天气变化特征及影响因素分析 ［J］. 中国环境科学， 2012，32（8）:1409-1415.

［16］杨 欣，陈一珍，刘厚凤，等.北京2013年1月连续强霾过程的污染特征及成因分析 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（2）:282-288.

［17］Li Ling， Chen Jian-min， Wang Lin， et al. Aerosol single scattering albedo affected by chemical composition: An investigation using CRDS combined with MARGA ［J］. Atmospheric Research， 2013，124:149-157.

［18］Huang Yuan-long， Li Ling， Li Jing-yan， et al. A case study of the highly time-resolved evolution of aerosol chemical and optical properties in urban Shanghai， China ［J］. Atmospheric Chemistry and Physics， 2013，13（8）:3931-3944.

［19］Abhay Devasthale， Micheal Tjernstrom， Karl-Goran Karlsson， et al.. The vertical distribution of tropospheric thin features over the Arctic analysed from CALIPSO observations. Part I - Optically thin clouds ［J］. Tellus B， 2011，63（1）:86-95.

［20］Chen Bin， Huang Jian-ping， Minnis Patrick， et al. Detection of dust aerosol by combining CALIPSO active lidar and passive IIR measurements ［J］. Atmos. Chem. Phys.， 2010，10:4241-4251.

［21］Wang Jin， Zhang Lei， Huang Jian-ping， et al. Macrophysical and optical properties of mid-latitude cirrus clouds over a semi-arid area observed by micro-pulse lidar ［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer， 2013，122:3-12.

［22］Liu Jing-jing， Chen Bin， Huang Jian-ping， et al. Discrimination and validation of clouds and dust aerosol layers over the Sahara Desert with combined CALIOP and IIR measurements ［J］. Journal of Meteorological Research， 2014，128（2）:185-198.

［23］Huang Jian-ping.， Wang Tian-he， Wang Wen-cai， et al. Climate effects of dust aerosols over East Asian arid and semiarid regions ［J］. Journal of Geophysical Research: Atmospheres，2014，119，11398-11416

［24］陈勇航，毛晓琴，黄建平，等.一次强沙尘输送过程中气溶胶垂直分布特征研究 ［J］. 中国环境科学， 2009，29（5）:449-454.

［25］Liu Zhao-yan， Mark Vaughan， David Winker， et al. The CALIPSO lidar cloud and aerosol discrimination: Version 2Algorithm and initial assessment of performance ［J］. Atmos. Oceanic Tech， 2009，26，1198-1213.

［26］David Winker， Mark Vaughan， Ali Omar， et al. Overview of the CALIPSO Mission and CALIOP Data Processing Algorithms ［J］. Atmos. Oceanic Technol， 2009，26，2310-2323， doi:10.1175/ 2009JTECHA1281.1.

［27］QX/T113-2010 中华人民共和国气象行业标准 ［S］.

［28］吴 兑.大城市区域霾与雾的区别和灰霾天气预警信号发布［J］. 环境科学与技术， 2008，31（9）:1-7.

致谢：本研究卫星资料来自美国NASA Langley Distributed Active Archive Center，在此表示感谢.在论文修改阶段《中国环境科学》审稿专家给本文提出的宝贵意见使论文水平得以提高，也对我们今后的研究很有启发，在此一并表示衷心感谢！

Seasonal variation of vertical distribution of aerosol types around Shanghai during haze periods.

MA Xiao-jun1，QIN Yan1，2*， CHEN Yong-hang1，2*， ZHANG Hua3， YE Wen1， HU Cheng-ting1， Reyilaguli·Abudureheman1（1.Environmental Science and Engineering College， Donghua University， Shanghai 201620， China；2.Shanghai Key Laboratory of Atmospheric Particle Pollution and Prevention （LAP3）， Shanghai 200433；3.Climate Center of China Meteorological Administration， Beijing 100081， China）. China Environmental Science， 2015，35（4）：961～969

Using the classification data of different layers aerosols from CALIPSO Satellite Lidar Level 2aerosol retrieval data during the haze periods from January 2007to November 2010， the seasonally vertical distribution of different types of aerosols including clean marine， dust， polluted continental， clean continental， polluted dust， smoke and other types around Shanghai during haze periods were analyzed. The results showed as follows. In 0～2km altitudes the frequency of smoke aerosols’ occurrence during haze was significantly higher than during haze-free periods， but in 2～8km dust， polluted dust and polluted continental aerosols’ frequency in haze were higher than in haze-free periods. In 0～2km， polluted continental aerosols’ frequency in spring was higher than in other seasons during haze. In 0-2km， polluted dust and marine aerosol’s frequency in summer were higher than in other seasons during haze， especially polluted dust. In autumn the frequency of smoke aerosols in 0～2km was higher than in 2～6km. the frequency of polluted dust， smoke and polluted continental aerosols in winter were higher than in other seasons during haze.

aerosol；haze；CALIPSO；vertical distribution

X513

A

1000-6923（2015）04-0961-09

马骁骏（1990-），男，上海人，东华大学环境科学与工程学院硕士研究生，从事大气环境和遥感研究.发表论文1篇.

2014-08-10

国家重点基础研究发展计划（973）（2011CB403405）；杭州市科技发展计划项目（20120433B18），上海市大气颗粒物污染防治重点实验室开放课题；国家自然科学基金（40975012）

* 责任作者， 教授， yonghangchen@dhu.edu.cn