基于CALIOP探测的合肥气溶胶垂直分布特征

于彩霞,杨元建,邓学良,石春娥,杨关盈,霍彦峰,翟 菁(1.安徽省气象科学研究所,安徽省大气科学与卫星遥感重点实验室,安徽 合肥 230031；2.寿县国家气候观象台,安徽 寿县 232200)

基于CALIOP探测的合肥气溶胶垂直分布特征

于彩霞1,2*,杨元建1,2,邓学良1,2,石春娥1,2,杨关盈1,2,霍彦峰1,2,翟 菁1,2(1.安徽省气象科学研究所,安徽省大气科学与卫星遥感重点实验室,安徽 合肥 230031；2.寿县国家气候观象台,安徽 寿县 232200)

利用2012～2013年CALIOP卫星产品及合肥地面常规观测资料,筛选统计卫星过境的晴日、霾日过程,通过532nm消光系数、532nm后项散射系数、体积退偏比及色比对合肥霾日及晴日的气溶胶垂直分布特征进行了对比分析.结果表明:霾日夜间,合肥污染物聚集层在500m以下,最大消光系数约为0.55.霾日白天,受湍流作用影响这一高度被抬升到300～700m,最大消光系数为0.67.霾日与晴日气溶胶消光系数差异最为明显的是在1km以内高度内,霾日消光系数为非霾日的3倍,说明霾时的气溶胶聚集在低层大气0～1km内.合肥霾发生时,不规则的、色比在0.2～0.6、后项散射系数在0.001～0.0050km-1⋅sr-1之间的一般陆地性气溶胶增加.

CALIOP；霾；光学特性；垂直分布；气溶胶

近年来随着经济的发展和城市化进程加快,长三角城市群空气质量逐渐恶化.气溶胶的聚集不仅使大气能见度降低,影响人类正常的生产生活,并严重危害人体健康[1].此外,气溶胶中的水溶性离子因吸湿性而影响云凝结核的浓度,从而引起间接的辐射强迫,而气溶胶中的含碳物质因其对光的散射和吸收也直接影响地气系统辐射平衡[2].气溶胶的垂直分布是评估气溶胶辐射效应的关键因素之一,气溶胶在不同垂直高度上长波和短波辐射强迫主要受气溶胶垂直分布的影响[3].在夜间,气溶胶在低层起到保温作用,在中高层降低所在气层温度,而白天,低层气溶胶减少到达地面的太阳短波辐射导致低层温度降低,中高层气溶胶加热所在的气层[4].因此气溶胶的垂直分布特征的探测对气候变化、生态环境等多方面研究具有重要的意义.

美国NASA云－气溶胶激光雷达红外开拓者卫星(Cloud–Aerosol Lidar and Infrared PathfinderSatellite Observation satellite, CALIPSO)的主要任务之一就是探测全球范围内气溶胶的垂直分布情况[5]. CALIPSO探测范围广,具有较高垂直分辨率和测量精度,能够连续、实时和长期地进行区域气溶胶光学属性和形态特征的垂直特性研究[6].在研究全球气溶胶分布特征[7-8]、区域气溶胶成分及来源[9-10]、气溶胶垂直光学特性[11-12]等方面应用广泛.

近年来为了评估CALIPSO气溶胶数据质量,国内外学者们利用地基雷达以及飞机观测等开展了广泛的验证研究.部分外国学者认为CALIPSO在532nm和1064nm波段反演的云和气溶胶的消光系数、后向散射系数在数量级上与其他雷达反演结果具有较好一致性[13-14]. CALIPSO一级数据后向散射系数与地基雷达相关系数达到0.92,CALIPSO二级数据在气溶胶种类划分方面表现良好,在明显的气溶胶层, CALIPSO反演结果与地基雷达没有明显偏差[15].但 Tesche等[16]和 Wandinger 等[17]认为 532nm波段对沙尘气溶胶的消光系数反演相比地基雷达反演结果偏低 25%～30%.谭静等[18]在青海格尔木利用MARMOT(Middle Atmosphere Remote Mobile Observatory in Tibet)激光雷达系统观测数据反演的消光系数曲线与卫星获得的消光系数垂直廓线在垂直方向的变化趋势上基本保持一致.而在合肥地区,Wu等[19]使用双波长米氏散射激光雷达和偏振米散射激光雷达对CALIPSO数据进行了验证,他们认为 CALIPSO能很好探测气溶胶的高度及分布,532nm和1064nm的总后项散射系数和退偏比数据具有较高可信度.

已有针对安徽地区霾的研究主要是基于地面单点激光雷达资料[20]或基于卫星的气溶胶水平分布研究[21],而对霾天的垂直结构研究较少.本文在以往成果基础上,采用 CALIPSO星载激光雷达反演资料,对比分析安徽霾与非霾期 间气溶胶消光特性的垂直分布特征,以期为安徽地区霾及其气候环境效应的监测和研究提供新的观测方法和科学依据.

1 数据介绍

1.1 卫星探测数据

CALIPSO卫星于2006年4月28日发射升空,卫星上携带有3个有效载荷:双波长偏振激光雷达(CALIOP)、红外图像探测仪(IIR)、广角照相机(WFC).CALIOP以20.16Hz的重复频率发射532nm和1064nm波长的激光脉冲,3个接受通道分别测量1064nm的后向散射信号及532nm后向散射信号的正交偏振成分,水平分辨率 333m, 8km以下垂直分辨率为30m;8～20km垂直分辨率为60m.本文使用CALIPSO一级数据(Level1)和二级数据产品( Level2). Level1主要提供583层双波长衰减后向散射系数廓线.对一级数据进行校正并经过一系列算法处理得到的二级数据包括333m、1km、5km的云产品和5km的气溶胶层产品和廓线产品.

1.2 地面数据

本文所用常规观测资料为合肥 2012～2013年08:00、14:00、20:00能见度、相对湿度数据、逐日天气现象数据(冰雹、吹雪、浮尘、毛毛雨、轻雾、沙尘暴、雾、雪、雪暴、烟幕、扬沙、雨、雨夹雪、阵性雨夹雪、阵雪、阵雨、霾).

2 方法

2.1 研究站点及范围选取

选取了合肥为代表性站点,研究气溶胶消光系数的垂直分布特征.由于CALIPSO重返周期16d,时间分辨率较低,为提高卫星数据的利用率,以研究站点为中心,划定区域范围(116.5～117.5°E、31.5～32.5°N).我们认为当卫星经过该区域时,其提取的数据可代表该时段研究站点的气溶胶平均状况.图 4给出了卫星在合肥(图4.a和 4.b)的过境示意图.过境时间分为白天和晚上.

2.2 霾日、晴日判定及筛选

计算合肥的日平均能见度(08h、14h、20h, 3个时次的平均值).若日平均能见度＜10km,相对湿度＜90%,且未发生影响视程的天气现象,则判定为一个霾日[22].若日平均能见度＞10km,且未发生影响视程的天气现象,则判定为一个晴日.

按照霾日晴日判别标准,2012～2013年合肥霾日 275d、晴日 76d.提取 2012～2013年CALIPSO在合肥过境71d,剔除数据缺失日期,有效过境47d.CALIPSO过境日期与研究区域霾日晴日时间匹配后获得合肥霾日样本数 12d,晴日样本数14d.

图1 CALIPSO过境示意Fig.1 Diagram of CALIPSO track when it pass through Hefei (a: nighttime b: daytime)

表1 数据样本数统计Table 1 Sample statistic of data

2.3 气溶胶体积退偏比、色比

3 结果

3.1 霾日、晴日气溶胶消光系数垂直廓线

通过对筛选出的霾日、晴日样本统计分析,图2给出了合肥0～4km范围内气溶胶消光系数的垂直廓线.霾日、晴日气溶胶消光系数均随高度减小.霾日消光系数垂直变化显著,污染物聚集于近地层,最大消光系数约为0.55.晴日消光系数的垂直变化较小,且无明显的聚集层,最大消光系数约为0.23.

2km以上霾日和晴日的气溶胶消光作用无明显差别.在2km以下同一高度霾日的气溶胶消光系数均明显大于晴日,说明霾发生时气溶胶主要分布在低层大气中(0～2km).在1～2km范围内,霾日气溶胶消光系数在0.15～0.32之间,非霾日在0.1～0.15之间,霾日消光系数约为非霾日的2倍.在0～1km范围内霾日和晴日差异更显著,霾日气溶胶消光系数在 0.35～0.55之间,非霾日在0.1～0.23之间,同一高度霾日消光系数约为非霾日的 3倍,说明合肥霾发生时气溶胶虽然可以扩散到2km的大气中,气溶胶含量增多导致消光系数增大,但在1km以下人为原因产生的气溶胶对大气的消光作用更为显著,从而导致大气能见度明显下降.

图2 合肥霾日、晴日气溶胶消光系数垂直廓线Fig.2 Vertical profile of aerosol extinction coefficient on haze day and clear day at Hefei

3.2 近地层消光系数垂直分布对比分析

图3 合肥霾日、晴日(白天、夜间)气溶胶消光系数垂直廓线Fig.3 Aerosol extinction coefficient vertical profile during the day and night of haze day and clear day

由 3.1的分析可知,虽然大气中气溶胶可以从地面延伸到高空,但大多聚集于近地面层 0～2km 内,这与沈仙霞等[24]研究结果一致. CALIPSO在合肥过境时间分为白天和夜间,进一步对霾、非霾、夜间、白天4种情况下合肥近地层(0～2km)的气溶胶消光系数垂直分布进行了统计对比分析(图3).

在夜间,低层大气消光系数最大,气溶胶消光系数随高度减小.即夜间地面气溶胶浓度较高.霾发生时,夜间最大消光系数约为0.55,污染物聚集在500m以下,霾日白天最大消光系数为0.67,污染物聚集在 300～700m,明显高于夜间.这可能是由于白天湍流运动较强,混合作用充分,污染物因此被抬升,且向高层大气中延伸,而在夜间混合作用减弱,或是由于夜间逆温层的出现导致气溶胶在低层聚集.

3.3 气溶胶后向散射系数垂直分布特征

不同高度空间的大气成分有一定区别,因此不同高度大气成分对太阳辐射的散射能力不一致.霾发生时颗粒物增多,气溶胶浓度增大,从而导致大气消光系数增强,这在0～1km范围内表现明显,1～2km高度范围次之.图4分别给出了合肥霾天和晴日532nm总后向散射系数频率密度分布.对比受人为排放气溶胶影响的低层大气(0～2km)以及影响较小的中高层大气(2～6km)在霾和非霾情况下的气溶胶分布特征.

已有研究结果表明,在0～10km高度范围内,云层后向散射系数主要为 0.0045～0.01km-1⋅sr-1,气体分子和气溶胶的后向散射系数主要集中在0.0001～0.0045km-1⋅sr-1,而气溶胶后向散射系数主要集中在0.0008～0.0045km-1⋅sr-1[25].

0～1km 高度内,霾日后向散射系数在 0～0.0010km-1⋅sr-1之间的分布频率为25.3%,晴日为32.7%,霾日减少 7.4%.霾日后向散射系数在0.0010～0.0050km-1⋅sr-1之间的分布频率为49.1%,晴日为46.5%,霾日增加2.6%.且霾日在增加的气溶胶中,后项散射系数在 0.0010～0.0050km-1⋅sr-1之间的气溶胶增加更明显.即霾发生期间,低层大气气体分子减少,气溶胶增多,后项散射系数增强.霾日与晴日,后向散射系数在 0.0010～0.0050km-1⋅sr-1之间的分布频率随高度而减小,即虽然霾发生时高度气溶胶比例均有所增加,但整体上气溶胶含量随高度减小.

图4 合肥霾日、晴日不同高度532nm总后项散射系数频率分布Fig.4 Frequency distribution of 532nm total attenuated backscatter coefficient at different heights on haze day and clear days

3.4 霾日、晴日气溶胶体积退偏比垂直分布特征

体积偏振比越大,颗粒物越不规则[26].对合肥市霾天、晴日气溶胶体积退偏振比频率分布情况进行分析表明(图3),在0～2km高度内,气溶胶的体积退偏比主要集中在0%～10%之间,表明规则颗粒物较多;在4～6km、6～8km高度内,体积退偏比为 10%～40%的气溶胶比例增多,即不规则颗粒物较多.规则与不规则的气溶胶同时存在于各个高度,随着高度的增加,规则的气溶胶有所减少,较不规则的气溶胶逐渐增多,气溶胶的不规则性增强.这与刘琼等[27]对上海的研究结果相符.

霾日 0%～10%范围内的体积退偏振比在各高度层的平均频率为 23.8%,晴日为 41.0%,霾日时减少17.2%;霾日30%～40%范围内的体积退偏振比在各高度层的平均频率为23.8%,晴日4.2%,霾日减少了 13.7%,说明霾天时规则气溶胶含量减少,不规则气溶胶含量增加.这主要因为霾发生,PM10等颗粒物易以凝聚状等多种混杂状态存在,因此颗粒物表面规则性较差,从而具有较大的体积退偏振比.在低层大气(0～2km)中,与晴日相比,霾日 0%～10%范围内的体积退偏振比减少了13.9%;可见合肥大气污染物中存在一定浓度的不规则顆粒物,颗粒物浓度上升从而对视程造成影响.

图5 合肥霾日、晴日不同高度气溶胶体积退偏比频率分布Fig.5 Frequency distribution of volume depolarization ratio at different heights on haze day and clear days

3.5 霾日、晴日气溶胶色比垂直分布特征

色比可以反映气溶胶粒子的大小,色比越大表明气溶胶颗粒越大.研究表明一般气溶胶具有较小的色比值主要集中在 0～0.5,海洋型气溶胶粒子的色比集中在 0～0.75,烟尘的色比范围为0～1.5;沙尘粒子的色比范围为0.25～1.25[7].

晴日各高度层内,随着色比值增大,频率减小.即在晴日各高度层均以细颗粒物为主.霾发生时0～2km内色比在 0～0.6的气溶胶比例为 41.9%,说明合肥霾日低层大气气溶胶以一般的陆地气溶胶细颗粒物为主.在 0～2km高度内,非霾时色比在 0～0.2的气溶胶比例最高,而霾日色比在0.2～0.4的气溶胶比例最大,说明霾发生时低层大气中颗粒物粒径增大.霾日色比在 0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8范围内的气溶胶各高度层累积频率相对于晴日增加,而色比在 0～0.2、0.8～2.0范围内的气溶胶各高度层累积频率对于晴日减少,说明合肥霾日增加的气溶胶主要为色比在0.2～0.6的一般陆地性气溶胶.而对杭州地区的研究[28]表明,因为杭州市区大气溶胶类型以一般性气溶胶和海洋型气溶股为主,霾天0～2km色比在0.5～0.8的气溶胶明显增多.合肥霾发生时,在高层(4～6km)大气中色比在 1.0～2.0之间的气溶胶累积频率达到 35.7%,所占比例高于中低层大气(0～4km),表明霾发生时在高层大气中容易出现烟尘、沙尘等粒子.

图6 合肥霾日、晴日不同高度气溶胶色比频率分布Fig.6 Frequency distribution of color ratio at different heights on haze day and clear days

4 结论

4.1 在2km以下同一高度霾日的气溶胶消光系数均明显大于晴日,即霾发生时气溶胶主要分布在0～2km大气内.尤其在0～1km高度内,同一高度霾日消光系数约为晴日的3倍,说明1km内大气受人为排放气溶胶影响作用明显,霾发生时气溶胶易在0～1km大气边界层内聚集.

4.2 在夜间气溶胶消光系数均随着高度减小,气溶胶聚集在近地层;霾发生时,夜间污染物聚集层在500m以下;而在白天,受湍流扩散作用影响,污染物聚集层被抬升至 300～700m,明显高于夜间.白天与夜间大气气溶胶垂直分布存在差别.

4.3 合肥霾日与晴日在大气垂直高度上均以规则的细颗粒物为主.与晴日相比,霾期间低层大气颗粒物散射能力大于晴日期间,不规则的、色比在0.2～0.6、后项散射系数在0.001～ 0.0050km-1⋅sr-1之间的一般陆地性气溶胶增加.

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YU Cai-xia1,2*, YANG Yuan-jian1,2, DENG Xue-liang1,2, Shi Chune1,2, YANG Guan-ying1,2, HUO Yan-feng1,2, ZHAI Jing1,2(1.Key Laboratory of Atmospheric Science and Satellite Remote Sensing, Anhui Institute of Meteorology, Hefei 230031, China；2.Shouxian National Climate Observatory, Shouxian 232200, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1677～1683

Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) Satellite and surface observation data in Hefei were applied to conduct contrastive analysis of 532nm extinction efficient, 532nm total attenuated backscatter coefficient, volume depolarization ratio and colour ratio between haze day and clear day. The results showed during the night-time of haze day, pollutants in Hefei gathered within 100～500m with the maximum extinction coefficient value about 0.55. When haze episodes happened, aggregation level was elevated to about 300～700m due to turbulent and the maximum extinction coefficient reached to 0.67. Compared with clear days, 532nm extinction coefficient within 0～1km during haze days increased by 2times, indicating that aerosols were gathered under 1km height. What’s more, irregular aerosol with colour ratio value between 0.2～0.6, backscatter coefficient value between 0.001km-1⋅sr-1and 0.005km-1⋅sr-1increased when haze event happened.

CALIOP；haze；optical property；vertical distribution；aerosol

X513

A

1000-6923(2017)05-1677-07

于彩霞(1988-),女,山东威海人,助理工程师,硕士,主要从事大气环境研究.

2016-10-09

安徽省淮河流域气象开放研究基金资助项目(RC201504, HRM201508);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206011-04)

* 责任作者, 助理工程师, xiaoyu_abcd@126.com