北京春季大气气溶胶光学特性研究

吕 睿,于兴娜,沈 丽,于 超,朱 俊,夏 航



北京春季大气气溶胶光学特性研究

吕 睿,于兴娜*,沈 丽,于 超,朱 俊,夏 航

(南京信息工程大学,气象灾害教育部重点实验室,气候与环境变化国际合作联合实验室,气象灾害预报预警与评估协同创新中心,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044)

为了解北京春季气溶胶光学特性,利用AERONET Level 2.0数据资料研究了2010～2014年北京市春季大气气溶胶光学参数,以晴空作为背景,比较分析了春季及沙尘期间大气气溶胶光学性质的差异.研究发现,北京春季与沙尘期间粗粒子消光占总消光的28%和59%,沙尘期间粒子吸收仅占消光的11.4%,说明沙尘天气发生时以粗粒子消光为主且吸收作用弱.沙尘天气溶胶光学厚度呈现出高值,其值为春季平均值的1.7倍.Angstrom波长指数在沙尘期间远小于非沙尘期间,且有85%小于0.6.北京春季体积尺度谱以粗模态峰为主,其中沙尘天粗模态的体积浓度为0.81μm3/μm2明显大于春季的值(0.25μm3/μm2).沙尘期间单次散射反照率随波长增加递增,在波长440~1020nm间的平均值大于春季均值.复折射指数实部在沙尘过程的平均值达到1.51(440nm),春季均值为1.48(440nm),表明沙尘气溶胶的散射能力更强;复折射指数虚部随波长增大呈减小趋势,且春季平均值大于沙尘期间的值.沙尘期间辐射强迫大于春季值,并远高于春季晴空条件下均值.

春季；沙尘；气溶胶；光学特性；北京

北京大气重污染事件主要发生在春季和秋冬季节,其中春季以沙尘为主,2000~2010年沙尘型大气重污染发生53次[1].徐文帅等[2]统计发现,仅2010年春季北京市经历的沙尘过程就有15次之多;而在2014年4月10号受内蒙古沙尘输送影响,北京市AQI指数飙升至246,主要污染物为PM10.

沙尘气溶胶是大气气溶胶的重要来源[3],也是对流层气溶胶的主要组成部分.沙尘气溶胶通过散射、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,从而影响区域和全球的气候及生态环境[4].近些年来,国内外学者在沙尘气溶胶的辐射及气候效应[5-7]、传输途径[8-11]、理化特性[12-13]等诸多方面都有大量的研究.对于沙尘气溶胶光学特性的研究方面,大多致力于干旱、半干旱区、撒哈拉沙漠、毛乌素沙漠等沙尘源区的研究[14-18],对于西太平洋、欧洲西北部、天津、北京等沙尘下游区的光学特性的研究较少[19-22],此外以往的研究中多基于一次或几次典型沙尘过程[23-28],对于区域性长期观测结果的分析较少[29-31],对长时间序列的沙尘气溶胶光学特征的了解较缺乏.尤其是北京作为超级大城市和沙尘下游区,缺少春季长期系统的观测研究.本文对北京市2010~2014年春季及沙尘天气过程中大气气溶胶光学特性进行研究,包括气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、消光因子、气溶胶体积尺度谱分布、单次散射反照率、复折射指数、辐射强迫及辐射强迫效率,对比分析春季及沙尘期间气溶胶光学特性的差异和联系,对进一步认识北京春季气溶胶特点及其环境、气候效应提供参考,为大气污染治理提供依据.

1 资料来源与研究方法

1.1 资料获取

本文所用数据来源于美国国家航空宇航局(NASA, National Aeronautics and Space Administration)在全球建立的地基气溶胶观测网络Aerosol Robotic Network(AERONET),目前已超过600多个站点.本研究观测点设于中国科学院大气物理研究所楼顶(39.977°N、116.38°E)海拔约为92m.整个网络统一采用法国CIMEL公司标准太阳光度计(CE318-1)和极化太阳光度计(CE318-11)两种,其中前者含有5个波段,后者含有8个波段,所有通道的波段宽度为10nm.基于太阳光度计测量的直接太阳辐射和天空辐射数据,可以反演大气气溶胶的光学微物理特征参数,其中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,而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.太阳光度计在有关气溶胶光学厚度的研究中运用广泛,其反演结果受众多科学工作者青睐[32-34].

AERONET数据主要包括3个质量等级:1.0级数据是没有做去云处理的原始观测数据,1.5级数据是仅做去云处理的数据,2.0级数据是经过去云处理和人工筛选的高质量数据,本研究使用的是2.0级气溶胶反演资料数据.

1.2 特例选取

本文选取北京2010~2014年春季904组数据,晴空大气(背景大气)选取空气质量等级为一级,空气质量状况为优,API(或AQI)<50的(数据来源:中华人民共和国环境保护部--政府网络数据中心,http://www.mep.gov.cn/),共28d,89组数据;沙尘过程的选取来自于天气报告、文献[2,35-37]及新闻报道的印证,共选出沙尘过程16d,41组数据,如表1.文中春季数据未剔除沙尘天,非沙尘数据为春季剔除沙尘天的数据.

表1 北京2010~2014年春季沙尘日选取Table 1 The selected cases of dust events during 2010~2014 in Beijing

2 结果与讨论

2.1 粗细粒子消光占比、气溶胶光学厚度及Angstrom 波长指数

2.1.1 粗细粒子消光占比 AERONET将反演得到的最小d/dln的粒径区间(0.439~0.992 μm)定为粗细粒子的分界点,并推荐使用0.6 μm作为分界值,故此处定义<0.6 μm为细粒子,0.6 μm为粗粒子.由图1a可以看出,北京春季粗粒子和细粒子消光所占比例具有明显的差别,粗粒子消光占比在0%~90%间均有分布,大多集中在40%以下,而细粒子消光占比平均值达到了72%.由图1b可见,北京沙尘天粗粒子消光占比大多在50%以上,平均消光占比达到59%,说明北京沙尘天气发生时粗粒子消光对总消光具有较大贡献;但该值远低于2001~2008年敦煌沙尘期间的值(79%)[29],表明在沙尘源区粗粒子对总消光的贡献更为重要.此外,沙尘期间总粒子吸收占消光的百分比较低,表明沙尘期间气溶胶散射是大气消光的主要贡献者.

2.1.2 气溶胶光学厚度(AOD) AOD是表征气溶胶消光性质的一个重要参数,能够反映整个大气柱的气溶胶含量.如图2所示,北京春季AOD随波长增大有下降趋势,与晴空背景变化趋势一致,但是沙尘期间光学厚度随波长减小较平缓,说明沙尘气溶胶的参与使得大气气溶胶对太阳光衰减的波长选择性减弱.晴空下平均AOD明显低于北京春季及沙尘期间,比如440nm时背景大气的AOD均值仅为0.31,春季的AOD均值为0.70,而沙尘期间平均AOD却高达0.92,这表明沙尘天气发生时有大量的颗粒物进入大气,使气溶胶含量明显增加;春季平均AOD均高于1977~ 1985年北京地区平均AOD(0.4~0.5,550nm)[38], 2003年1月份平均值(0.42,440nm)[39]以及2010年北京秋季AOD均值(0.50,500nm)[40],以上结果表明大气污染事件导致春季平均AOD增加,其中沙尘天气的频繁发生可能是主要原因.

由图3可见,北京晴空背景与春季AOD分布均呈单峰结构,晴空下小于0.6的AOD出现的频率超过93%,而春季只有近55%的AOD集中在0.1~0.6之间.沙尘期间AOD在0.1~2.2之间波动,其中在0.3~0.8(37%)、0.9~1.6(44%)范围内呈现2个峰值.对比发现,沙尘天AOD低值区的频率明显低于晴空状况与春季,而高值区频率有显著增加,说明沙尘过程的出现对大气气溶胶光学厚度贡献了高值.

2.1.3 Angstrom波长指数()代表了粒子谱分布的平均情况,值越小,表示大粒子越多,反之表示小粒子越多.由图4可见,北京春季Angstrom波长指数通常为高值,波动范围在0~2.0之间,平均达到了1.03;当AOD>0.5时,在1.0~1.5间最为密集.沙尘期间Angstrom 波长指数明显偏低,大多数分布在0~0.6之间,平均值仅为非沙尘期间的1/3,但明显高于沙尘源区的值(0.1)[29],说明沙尘期间聚集了更多大粒径的沙尘粒子,这一特点在沙尘源区更为明显,而北京作为沙尘下游区,气溶胶组成主要是较粗的沙尘气溶胶和人为细颗粒物.图4还可以发现,非沙尘期间AOD存在较多高值,部分甚至高出沙尘期间光学厚度的值,这可能是发生的雾霾等局地大气污染造成的.

由图5可见,北京春季Angstrom波长指数的频率分布范围相比于晴空和沙尘的频率分布范围较宽,值主要在0~2.0之间,其中近60%的在0.95~1.4之间聚集,这一研究结果与2002~2008年北京雾霾期间Angstrom波长指数的频率分布峰值类似(0.95~1.3),但其频率占比要远小于雾霾期间的值(86%)[41],反映了北京春季大气气溶胶成分复杂;晴空与沙尘期间Angstrom波长指数的频率分布均较集中,但分布呈现2个极端,晴空背景下92% 的Angstrom 波长指数介于0.85~ 1.8间,而沙尘天约有85%的集中在0.6以下,说明北京晴空条件下气溶胶的主要成分是细粒子,出现沙尘天气时气溶胶大多以粗粒子为主.

2.2 气溶胶粒径谱分布

气溶胶粒子与大气气溶胶的各种大气效应,大气气溶胶粒子的形成、迁移转化、输送和清除机制及其物理、化学特性紧密联系[42].图6是北京晴空、春季及沙尘期间不同气溶胶光学厚度下气溶胶粒子的体积尺度谱分布情况,采用对数正态分布假设:

式中,d/dln表示体积尺度谱分布;v表示体积浓度;表示粒子半径;v表示粒子的几何平均半径;表示标准偏差.

由图6可见,2010~2014年北京晴空、春季和沙尘期间的气溶胶体积尺度谱在不同AOD下大体呈双峰型分布,并且均以粗模态为主模态峰,而沙尘源区气溶胶尺度谱通常呈单峰型分布[17,29,43-44],说明北京沙尘期间并非单一的沙尘气溶胶存在.晴空下气溶胶体积浓度较低,春季及沙尘期间粗模态体积浓度相较于晴空背景均有增加,晴空粒子半径为3.8μm处的平均体积浓度达到最大值(0.04μm3/μm2),仅为春季平均体积浓度最大值的1/3,沙尘期间最大值的1/10;春季细模态体积浓度较晴空有所增加但增幅低于粗模态,而细模态体积浓度在沙尘天仍处于与晴空背景类似的低值,北京春季气溶胶中粗粒子占较大比例,尤其在沙尘期间粗粒子含量剧增.春季大气气溶胶尺度谱细模态的峰值半径和体积浓度均随着AOD的增加而增加.在粗模态部分,春季及沙尘天峰值半径随AOD的增加依次递减,这可能因为沙尘的大粒径颗粒在远距离传输过程中经过重力作用自然沉降[45],和(或)春季存在较高的相对湿度时吸湿性粒子增长加剧的结果[46].粗模态体积浓度均随气溶胶光学厚度的增加而依次递增,在沙尘期间不同AOD下粗模态体积浓度差异很大,AOD为1.63时体积浓度(0.81μm3/ μm2)是AOD=0.24时的8倍左右.

2.3 单次散射反照率及复折射指数

2.3.1 单次散射反照率()反映了辐射的吸收作用和散射作用的比重,决定了气溶胶对辐射强迫的正、负效应,其微小变化会对辐射强迫计算产生较大影响[47].越趋近于1,表明气溶胶的散射占消光的比例越大,反之亦然.在AERONET资料中当AOD<0.4(440nm)时单次散射反照率反演的误差较大,故缺省.

由图7可以看出,春季单次散射反照率在440~675nm波段呈增长趋势,在675~1020nm波段变化很弱,但随着AOD的增加不同波长下的依次增大;沙尘期间在不同AOD下均随波长增加而递增,其中在440~675nm波段增势剧烈,表明沙尘气溶胶随着波长的增加散射能力逐渐增强.春季在440~1020nm单次散射反照率平均值为0.92,沙尘天达到了0.94,远大于Jing 等[48]2009年北京夏季观测值(0.80),说明春季及沙尘期间气溶胶以散射作用为主.沙尘天440nm波段均值为0.88,与2001~2011年北京沙尘天结果类似(0.89)[49],低于沙尘源区敦煌站的值(0.96)[44],的差异可以归因于沙尘与吸收型气溶胶的相互作用.同时,沙尘期间当AOD<1.63时,随着光学厚度的增加依次增加.

2.3.2 复折射指数 复折射指数是研究气溶胶中散射组分和吸收组分含量的基础数据[24,50].复折射指数的实部反映了粒子的散射能力[47];虚部则反映粒子的吸收能力.AOD<0.4(440nm)时复折射指数反演的误差较大,故缺省.

由图8可以看出,沙尘期间实部在任意光学厚度下随波长增加表现出先增加后减小趋势,并在675nm达到最大;AOD<1.63时,复折射指数实部随着光学厚度增加而递减;在440nm时实部均值达到1.51,高于春季的平均值(1.48),说明北京沙尘过程中散射型气溶胶含量增加.此外,本研究中沙尘天实部值要小于榆林沙尘期间的值(1.55±0.5)[17],可能是因为黑碳等城市吸收型气溶胶参与所致.春季与沙尘期间复折射指数虚部均随波长的增大而表现出减小趋势,并在440~ 675nm波段急剧下降,在675~1020nm随波长变化不明显;虚部随AOD的变化无明显规律.沙尘期间复折射指数虚部均值为0.003仅为春季的1/2,这一结果与王玲等[24]2010年北京观测及模拟结果类似,表明春季大气气溶胶有多种污染源参与,而沙尘期间主要为弱吸收作用的沙尘型气溶胶.

2.4 辐射强迫与辐射强迫效率

气溶胶粒子辐射强迫的大小与其含量的时空变化和本身的光学性质有关[51].辐射强迫效率是指单位光学厚度产生的直接辐射强迫. AERONET数据中大气层顶(TOA)高度为120km,大气层底(BOA)高度为0.092km,此处将大气层底辐射强迫近似地作为地面辐射强迫.

由图9可以看出,北京晴空背景下大气层顶辐射强迫值为-45.82W/m2,地面辐射强迫值为-15.86W/m2,明显低于于春季大气辐射强迫(TOA为-31.68W/m2,BOA为-84.01W/m2),更远低于沙尘天大气辐射强迫(TOA为-47.29W/m2, BOA为-112.04W/m2);以上结果均要高于北京2014年春季晴空条件下均值(TOA为-6.38W/m2, BOA为-30.12W/m2)[52],说明沙尘气溶胶对地表的降温作用和对大气的增温作用更加明显.当其它条件相同的时候,气溶胶吸收性强(单次散射反照率小)、前向散射小的(不对称因子小)则地面的辐射强迫效率就大[53].沙尘天气期间辐射强迫效率小于春季,这与上文对于单次散射反照率的分析结果相同,也与波长440nm时不对称因子统计结果一致(春季0.69;沙尘0.73).

由图10得知,北京春季辐射强迫与气溶胶光学厚度变化趋势一致,随着AOD的增加地面辐射强迫的差异要比大气层顶更明显,主要可以归因于近地面存在不同类型的气溶胶.大气层顶的辐射强迫存在个别正值,此时单次散射反照率(440nm)小于0.8,负折射指数虚部(440nm)大于0.025,反映了当吸收作用很强时辐射强迫会由负变正,这与Hansen等[54]研究结果类似.从斜率来看,TOA的斜率小于BOA,说明在地表辐射强迫对于AOD的变化更加敏感[55].大气层顶辐射强迫效率随AOD的增加变化并不明显,在AOD<0.5分布较广,范围在-120~0W/m2间;地面辐射强迫效率随气溶胶光学厚度的增加明显减小,与大气层顶的辐射强迫效率相比,其值在同一光学厚度下分布范围更广.

3 结论

3.1 北京市沙尘期间总粒子吸收占消光的百分比平均值仅为11.4%,粗粒子消光占比远高于春季,说明沙尘气溶胶吸收作用弱,粗粒子消光占主导地位.沙尘期间AOD高于春季值,并且远高于晴空背景下光学厚度值,沙尘天约有55%的AOD大于0.9.AOD>0.5时,沙尘期间Angstrom波长指数多集中在0.5以下,而非沙尘期间大多分布在1.0以上,春季频率分布相较晴空背景及沙尘期间宽,说明春季气溶胶成分复杂;晴空与沙尘频率分布分别集中在大值区与小值区,反映了晴空条件下气溶胶主要由细粒子构成,沙尘期间气溶胶以大颗粒物为主.

3.2 北京市晴空、春季及沙尘期间尺度谱均为双峰结构,主模态峰均为粗模态,且体积浓度均随AOD的增加而递增,春季粗模态体积浓度最大值是晴空条件下的3倍,沙尘期间粗模态峰值是晴空的10倍.

3.3 沙尘期间单次散射反照率在所有波段的平均值为0.94高于春季值(0.92),说明沙尘天气期间散射作用更强.沙尘期间实部值高于春季,虚部值低于春季,沙尘气溶胶表现出更强的散射特性,吸收作用较弱.辐射强迫在沙尘期间值更大,辐射强迫效率晴空条件下值更大,说明沙尘期间气溶胶对大气加热作用和地表冷却作用影响更强烈.

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致谢：感谢AERONET为本文提供资料，同时感谢工作人员对北京站点的管理与维护.

* 责任作者, 副教授, xnyu@nuist.edu.cn

Aerosol optical properties in spring over urban Beijing

LÜ Rui, YU Xing-na*, SHEN Li, YU Chao, ZHU Jun, XIA Hang

(Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education, Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change, Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)., 2016,36(6)：1660~1669

The purpose of this study is to investigate the optical properties of aerosols during spring in Beijing. A comparison of aerosol optical properties was performed between spring and dusty days from Aerosol Robotic Network (AERONET) measurements during 2010~2014. The extinction of coarse particles (>0.6μm) accounted for 28% and 59% of that of total particle in spring and dusty days respectively. Average absorption percent out of extinction for total particles were 11.4% during dusty days. This result indicated that aerosol extinction was dominated by coarse particles. The aerosol optical depth showed high values in dusty days with the average value was 1.7 times higher than that of spring. Angstrom exponents during dusty days were higher than those of spring, and about 85% of them less than 0.6 during dusty days. The aerosol volume size distributions presented abimodal structure (fine and coarse modes), and the coarse mode was dominant in spring. The volume concentrations of coarse mode in spring were evidently lower than those of dusty days. The single scattering albedo showed an increasing trend with wavelengths during dusty days in Beijing. The averaged single scattering albedos were about 0.92 for dusty days and 0.89 for spring during 440~1020nm. The real parts of the refractive index at 440nm were 1.48 during spring and 1.51 during dusty days, suggested the aerosol particles from dust source regions were involved in a stronger scattering. The imaginary parts of refractive index showed a decreasing trend with wavelength sand the average value in dusty days were higher than that of spring. The averaged aerosol radiative forcing in dusty days was higher than that of in spring and in clean days in Beijing.

spring；dust；aerosol；optical properties；Beijing

X513

A

1000-6923(2016)06-1660-09

吕 睿(1994-),女,江苏徐州人,硕士研究生,主要从事气溶胶与大气环境研究.发表论文1篇.

2015-11-16

中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB05030104);国家自然科学基金项目(41475142);江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目(201510300053y,201510300065y);江苏省高校“青蓝工程”资助项目;江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)