基于自动能见度资料估算AOD变化特征分析

2017-12-01何晓华罗海鸣

黑龙江气象 2017年3期

关键词：能见度气溶胶光学

赵燃,何晓华,罗海鸣

(1.鹤岗市气象局，黑龙江鹤岗 154100；2.萝北县气象局，黑龙江萝北 154200)

基于自动能见度资料估算AOD变化特征分析

赵燃1,何晓华1,罗海鸣2

(1.鹤岗市气象局，黑龙江鹤岗 154100；2.萝北县气象局，黑龙江萝北 154200)

利用2016年萝北气象观测站的自动能见度观测资料、地面常规观测资料,应用宽带消光方法进行反演，建立萝北县2016年气溶胶光学厚度(A0D)的时间序列，采用气候趋势分析、相关分析等方法，分析萝北县 A0D季、月、日变化特征，结果表明：AOD值随季节有明显的变化，冬季AOD值明显大于其他三个季节，高出其它季节近1倍；1月的AOD值为全年最大，随后开始下降，4-8月降至全年最低,随后9月又迅速增大；在日变化曲线上看，A0D值存在2个明显波峰和波谷。

气溶胶；宽带消光方法；光学厚度

1 引言

大气气溶胶是指悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与气体载体共同组成的多相气体系，高浓度的气溶胶产生的低能见度会给人们的日常生活带来诸多不便。气溶胶光学厚度（英文名称为Aerosol Optical Depth，简称AOD）是气溶胶最基本的光学特性，国内外很多学者对气溶胶光学厚度的反演及气溶胶的微观和宏观特性进行了研究[1-2]。本文应用自动能见度观测资料，估算了萝北县2016年AOD，并对其变化特征进行了分析。

2 资料与方法

2.1 区域概况

萝北县位于黑龙江省东北部，地处小兴安岭东麓低山丘陵与松花江下游平原交界处，与俄罗斯隔黑龙江相望，属寒温带大陆性季风气候，年平均气温1.57℃，年降水量549.1 mm。

2.2 资料来源

所用气象资料来源于萝北县气象观测站(130°50′E、47°34′N，海拔 83.3 m）2016 年 1-12 月的地面观测资料，常规项目观测仪器为华云公司生产的CAWS3000型自动气象站，能见度观测仪为华云升达公司生产的DNQ1型前向散射式能见度仪。

2.3 资料说明

本文选取资料包括2016年萝北国家气象站地面水平能见度、相对湿度及天气现象资料。能见度观测仪每天24次定时观测，能见度以米为单位，本文所用记录为经数据处理后每日24次正点数据（根据《前向散射能见度仪观测规范》正点数据为前10 min能见度平均值）。考虑到雨、雪、雾天气条件下估算AOD时误差较大，剔除了这些时间段观测资料，共得到样本7671个，占全部样本的87.3%，观测资料具有普遍代表性。以前能见度观测为人工观测时，研究人员仅采用14时观测资料来估算AOD，为了与先前研究者的研究成果进行对比，本文中对14时资料进行了单独分析。

2.4 研究方法

在标准状况下(T=15℃ ,P=1013 hPa),假设气溶胶服从Junge分布，在这些假设和标准的地面大气温度与气压条件下,根据Elterman(1970)得到的大气垂直衰减量与地面能见度的关系,在海拔高度Z(单位:km)上的能见度VZ(单位:km)与订正到海平面的能见度V(单位:km)之间存在公式1关系:

由此可推得大气气溶胶的光学厚度AODE （公式 2）为：

其中，Z是观测站的海拔高度（萝北观测站海拔0.0083km）， H1=0.886+0.022V km， H2=3.77 km，v*=-2,λ=0.55 μm。

该方法对我国地理分布有较高的敏感性，因此对不同的地区需要进一步订正，萝北县地处我国东北地区,因此本文估算AOD时采用邱金桓所做订正系数（公式 3）。

根据公式4即可计算出2016年萝北县各时次气溶胶光学厚度（AOD）。

图1 萝北县能见度-气溶胶光学厚度关系图

图1是应用宽带消光方法对地面观测资料进行反演，建立的萝北县能见度-气溶胶光学厚度关系图。对于该方法计算出来的AOD值的可靠性，许多学者和专家做出过相应的检验,反演出来的AOD与MODIS中的AOD进行了相关性分析，结果表明两种结果间的相关性很高,可见该方法计算得到的AOD值具有一定可靠性。

3 AOD特征分析

3.1 AOD年变化

表1 2016年萝北县年平均AOD

经估算萝北县2016年AOD值为0.28。为了与前人的研究相对照，对14时的资料进行了单独分析，得到了AOD值为0.23，两者相差22%，两个值与以前学者[2]的估算相近，并在NASA观测值范围之内（表1）。全天的自动观测资料有较好的客观性和代表性，14时是全天AOD最低的时候，单一资料对研究AOD的变化存在误差。

3.2 AOD季节变化

为了便于分析，并考虑到萝北县地处我国东北高纬度地区，按物候学定义11月-次年3月为冬季、4-5月春季、6-8月为夏季、9-10月为秋季，利用各月AOD值计算得到2016年各季节 AOD值。从AOD值的四季分布上看（图2）AOD变化特征明显，冬季 AOD值达 0.38，明显大于其他三个季节，秋季为0.25，春季、夏季仅 0.2，约为冬季的50%。在24次平均值和14时平均值的对比上看，两者季节变化趋势基本相同，春、夏季两者相差不明显，秋季达到0.04,冬季则达到0.1，冬季用14时数据代表全天数据是有较大误差的，用能见度自动观测数据更能较好的反映AOD的变化特征。

图2 四季AOD日平均图

3.3 萝北AOD月变化

分析2016年逐月平均AOD（图3），月分布特点是：气溶胶光学厚度月变化曲线上单一波峰、波谷特征较为明显，最小值出现在4月和8月，为0.19,最大值出现在1月，为0.43；4-9月出现曲线变化不明显的特性，AOD波动幅度仅为0.06,此时正是东北地区的春、夏季节，盛行西南风有利于城市上方污染物的远距离扩散，加之空气中湿度大，有益于降水形成，湿温共同作用会影响气溶胶的形成，雨水的冲刷又大大缩短气溶胶的生命期，使AOD减少，温度、湿度表现为与AOD呈现负相关。9月-次年3月份，是北方严冬季节，这期间AOD急剧变化特征明显。从气候条件上分析严冬季节，在冬季风的影响下降水少，不利于空气污染物的沉降、扩散，局地污染较为严重，冬季采暖更提升了大气中气溶胶的含量，因此冬季呈现AOD较高的特点，其主要影响因素是人类的生产、生活。

图3 月平均AOD变化图

3.4 萝北AOD日变化

分析2016年年平均各时次AOD，日分布特点是：AOD具有双峰、双谷的日变化规律,早7时、晚18时均有最高值为0.39的日高峰，12时、24时则处在谷底。在四季变化的日值图上，四个季节均有这种变化，只是在冬季较其它季节更为明显，在北方严冬季节，AOD急剧变化特征明显，日最高值和最低值相差达3倍，在最大程度上影响了年日均线的分布情况。AOD日曲线呈双峰、双谷的特征与人类的活动息息相关，早、晚的日高峰时段正是人们出行、生活的高峰时段，冬季黑碳气溶胶浓度也出现最高值,表明冬季受人为排放的影响最明显。