塔克拉玛干沙漠腹地气溶胶不同波段散射系数比较

彭艳梅，高　磊，王　舒，肖高翔，何　清，刘新春（.新疆气象服务中心，新疆　乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/新疆树木年轮生态实验室/中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆　乌鲁木齐 830002；3.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆　塔中 84000）

散射系数代表的是大气中的气溶胶、气体分子、水汽等对太阳辐射的散射情况，反映的是气溶胶的光学性质，表示对光的消光情况。大气气溶胶的存在直接影响光在大气中的传播，产生消光作用，即造成光在大气原传播方向上的衰减[1]，气溶胶光学性质的研究是气溶胶辐射效应及气候效应研究的重要基础。

目前积分浊度（Nephlometer）是常用的直接测量气溶胶散射系数的观测方法，浊度计就是使用该方法，直接对气溶胶散射系数（δsp）进行测量。在此观测基础上，国内外也开展了较多的相关研究。早期Charlson、Bodhaine B等[2，3]分别运用阿拉斯加Barrow、夏威夷莫纳罗亚山（Mauna Loa）、萨摩亚群岛（Samoa）以及南极等大气监测基准站的浊度计资料来分析大分子气体、气溶胶的散射特征。此外，国际大气化学计划（IGAC）通过多次气溶胶性质实验（ACE）也获得了许多非常有价值的气溶胶散射数据[4，5]。在观测基础上，学者进一步研究气溶胶散射的影响因素。研究发现，气溶胶散射除与当地气象条件高度相关外[6]，与本身粒径也有很大的关系。一般来说，气溶胶粒径越小，对光的散射作用越强[7-10]。

2001年中国气象局开始实施沙尘暴监测网的建设，共建立了20个沙尘暴监测站点。沙尘气溶胶光学厚度大，分布范围广，且粒径谱变化范围很大，其辐射效应比较复杂[11，12]。陈霞、刘新春等[13-17]对沙尘气溶胶的光学特征进行了分析，取得一定成果。同年，中国气象局开始在华北、西北共15个沙尘暴监测站点安装了积分浊度计，随后胡波、柯宗建、杨莲梅等[18-20]首批使用积分浊度计观测资料对气溶胶散射系数变化特征进行了分析。随着研究的深入，对气溶胶散射影响因子的研究更多。目前研究表明，PM2.5、PM10质量浓度、能见度与气溶胶散射系数有较大相关[21-24]。另外，更多的积分浊度计在城市安装，使国内气溶胶散射的研究从沙尘扩展到城市污染型气溶胶[25-29]。目前国内气溶胶散射研究多集中在单波段上，对于不同波段散射系数对比分析相对较少，谢银海[29]、曹贤洁[30]等分别分析了张掖地区和南京地区气溶胶不同波段散射反照率；Stefano Corradini[31]的研究也表明，气溶胶对不同波段光的散射能力是不同的。本文利用2010年塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站积分浊度计3通道（450 nm、525 nm、635 nm）观测资料，对沙漠腹地气溶胶不同波段散射特征进行初步探讨。

1　研究区概况与数据处理

1.1　研究区概况

塔克拉玛干沙漠是我国最大的沙漠，占全国沙漠总面积的一半，是世界第二大移动沙漠，也是中国沙尘的主要来源。塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站位于38°58′N，83°39′E，建于沙漠腹地200 km，下垫面是大面积移动沙丘。塔中周边有小面积的生活区和道路周边少量梭梭，红柳等，其他地区多为流沙地表[32]。

1.2　数据处理

本文采用的数据主要是2010年塔中试验站沙尘气溶胶散射系数值、PM10质量浓度、塔中气象站地面报表数据。该站常年受沙尘气溶胶影响，积分浊度计和PM10监测仪分别按照《大气成分观测业务规范（试行）》、《沙尘暴天气监测规范》（GB/T20479-2006）要求都进行了定期维护和标定，以保证观测数据的质量。

散射系数观测值来源于塔中试验站积分浊度计，该试验站使用的是澳大利亚ECOTECH公司的Aurora 3000型浊度仪，可同时测量450 nm（蓝），525 nm（绿）和635 nm（红）。气溶胶散射系数（δ sp）的量纲是长度的倒数，以Mm-1（10-6m-1）来进行表示，数据输出保留的是两位小数。塔中试验站的浊度计安放在室内，用软管将进气管延伸到屋顶之上，进气口处离屋顶约1.5 m高，距离地面高度约4 m。该浊度仪观测时间间隔为5 min，所使用数据是从2010年1月1日0：00开始，至2010年12月31日23：55（北京时间）。剔除每天仪器零气检测期间00：00，00：05，0：15三个数据，然后对数据的异常值、缺测、负值进行了甄别，最终总体数据连续性较好，可较好代表全年变化特征，共得到有效监测数据311 202条。

PM10数据来自塔中试验站安装的美国自动监测仪TEOM-1400 a型PM10自动监测仪，PM10自动监测仪数据记录为5 min质量浓度平均值，30 min质量浓度平均值，1 h质量浓度平均值，24 h质量浓度平均值，单位为μg·m-3。对PM10的原始数据进行了检查，剔除明显有误的数据，主要是PM10质量浓度为负数的数据。共计PM10有效数据105 221条。另外，基本气象资料来自塔中气象站的地面报表。

将2010年逐日瞬时观测的积分浊度计散射系数δ sp和PM10浓度求日均值，在此基础上再求月平均和季度平均。

2　结果分析

2.1　小时平均值分布特征

图1为2010年塔中气溶胶各波段散射系数小时平均值分布图，表示三波段散射系数在各总样本中出现频率，三波段散射系数小时平均值有效样本均为8745个，区间间隔为100 Mm-1。

从小时平均值统计结果来看，散射系数变化范围很大，其中450 nm：28.0～6 457.3 Mm-1，525 nm：39.6～8 442.8 Mm-1，635 nm：46.8～9 659.6 Mm-1，很明显波长越长，散射系数小时平均值变动范围越大，最大值也越大。三波段（450 nm、525 nm、635 nm）散射系数平均值分别为：288.0、318.4、443.8 Mm-1。从图1可以看出，在＜100 Mm-1时，450 nm出现最多，占20.9%，其次是525 nm，占6.8%；在100～200 Mm-1间，525 nm出现最多，达50.6%，其次是450 nm，占37.5%；在＞200 Mm-1的各区间，除1800～1900 Mm-1外，均是635 nm出现频率最多，而450 nm和525 nm在＞200 Mm-1的各区间出现频率差距较小。450 nm和525 nm在0～200 Mm-1的频率分别是58.4%、57.4%，超过一半散射系数小时平均值位于该区间；635 nm在0～200 Mm-1的频率为15.6%，大多数小时平均值位于＞200 Mm-1区间。说明塔中气溶胶对635 nm的太阳辐射的散射作用最大，其次是525 nm，最小为450 nm。

图1　2010年塔中三波段散射系数小时平均值分布

2.2　散射系数日变化特征

图2为2010年塔中散射系数的日变化。从图2可以看出，塔中三波段散射系数变化趋势与PM10质量浓度基本一致，都具有夜间高、白天低，且明显的日变化特征。在凌晨出现峰值，之后逐渐下降，至下午出现谷值，然后再逐步上升出现次日的峰值。在整个日变化中，始终保持635 nm散射系数＞525 nm，525 nm散射系数＞450 nm。另外，日变化波动程度也随波长增大而增大，635 nm散射系数变化范围：399.6～519.5 Mm-1，525 nm：276.4～387.0 Mm-1，450 nm：249.8～335.5 Mm-1。

图2　2010年塔中各波段散射系数与PM10质量浓度的日变化

塔中气溶胶PM10浓度随着入夜开始增大，至0时达到最大，三波段散射系数也是随着日落而增大，均在凌晨02时出现最大值；三波段散射系数日最小值与PM10浓度最小值同时出现在17时，无明显次峰值，日变化都呈单峰变化。这与大多城市气溶胶散射研究结论不同，城市气溶胶散射系数日变化基本上是双峰型[18，19]。本研究与城市气溶胶散射系数日变化的极小值都在出现在午后，基本相同；但是极大值出现时间却相差较远。这主要是因为除了气象条件，城市大量的人类活动也是影响气溶胶浓度的主要因素之一，表现在人类活动产生气溶胶的高峰时段（机动车辆的排放、居民烹饪燃烧）多为城市气溶胶散射系数出现峰值时。而沙漠腹地人为影响很小，除强烈的沙尘天气时，气溶胶浓度日变化主要由大气稳定度决定。沙漠地区在深夜逆温比较强烈，清晨随着太阳辐射的增强，逆温结构被破坏（图3），气温升高，湿度减小，大气对流运动逐渐增强。气温和风速在17时达到一天中的最大值，相对湿度达到最小值，形成较好的扩散条件，气溶胶浓度较低，PM10浓度达到最小，散射系数也在17时出现谷值。随着日落，大气开始趋于稳定，气温降低，对流减弱，风速减小，湿度增加，使得扩散条件逐渐变差，PM10浓度逐渐增大，散射系数也开始逐渐回升，PM10浓度在0时达到峰值，而三波段散射系数值在02时达到峰值。在整个日变化过程中，始终是635 nm散射系数＞525 nm，525 nm散射系数＞450 nm，且635 nm与525 nm间的差值＞525 nm与450 nm的差值。进一步说明塔中气溶胶对635 nm的太阳辐射的散射作用最明显。

2.3　2010年塔中散射系数年变化特征

图3　2010年塔中气温、相对湿度、风速的日变化

图4是2010年塔中气溶胶三波段散射系数与PM10质量浓度年变化，三波段散射系数年变化趋势基本一致，且都与PM10质量浓度变化接近。年变化中，3月450 nm散射系数最大；其余月份均是635 nm散射系数最大。各月三波段散射系数间大小排序略有差异，1～5月，除3月散射系数平均值是450nm最大，635 nm次之，525 nm最小外，另外4个月均是635 nm最大，450 nm次之，525 nm最小。6—12月三者大小排序则一致，635 nm最大，525 nm次之，450 nm最小。

图4　2010年塔中三波段散射系数与PM10质量浓度年变化

三波段散射系数月均值的极值出现时间不同。450 nm散射系数在9月最小，为97.3 Mm-1；525 nm和635 nm散射系数最小都出现在2月，分别为145.9、233.6 Mm-1；450 nm散射系数在2月也较小，仅次于最小值。因为秋冬季节塔中沙尘天气较少发生，且塔中地区冬季气温低，2010年冬季平均气温-6.6℃，天气寒冷，整个冬季除2月有2 d未结冰外其他时间均结冰，地表沙尘不易被吹入大气中，因此2月塔中气溶胶散射系数都较小。PM10质量浓度月均值最小出现月份与三波段都不一致，出现在10月，为194.3 μg·m-3。450 nm和525 nm散射系数均在4月出现最大值，分别为531.9、503.8 Mm-1，635 nm散射系数最大值出现在6月，为685.7 Mm-1，次大值为671.0 Mm-1，出现在4月。PM10质量浓度月均值最大出现月份与450 nm和525 nm一致，也是在4月，为1 013.7 μg·m-3。结合塔中地面报表，2010年沙尘暴日数出现最多的是4月，达7 d；6月虽然出现沙尘暴只有2 d，但是扬沙和浮尘日数高达16 d和21 d（表1）。表明塔中气溶胶三波段散射系数都与沙尘天气有明显的相关性。

2.4　不同沙尘条件下散射系数变化特征

图5是三种不同沙尘天气下三波段散射系数的变化图。其中，沙尘暴天气选取6月25日16：42—20：00，扬沙天气选取4月8日14：40—18：50，浮尘天气选取4月4日13：55—20：00。图5中时间分别是沙尘天气发生前后各延长3 h。

表1　2010年塔中各月沙尘日数统计　d

图5　2010年塔中不同沙尘天气下三波段的散射系数变化

从图5可以看出，三个波段散射系数在不同沙尘天气下，随时间的变化基本一致。各波段散射系数均是沙尘暴天气时最大，扬沙次之，浮尘最小。从图5a看出，随着沙尘暴的发生，三波段的散射系数均逐渐升高，三个波段在沙尘暴过程中平均值分别是：2 183.3、2 273.6、2 640.2 Mm-1，三者都明显大于年均值，沙尘暴对太阳辐射的衰减明显。沙尘暴过程，基本保持635 nm散射系数最大，525 nm次之，450 nm最小。在扬沙天气下（图5b），三者平均值分别是（450 nm到635 nm）：350.6、341.4、456.2 Mm-1，扬沙过程，仍保持635 nm散射系数最大，但450 nm散射系数略大于525 nm。这在浮尘天气（图5c）中表现得更为明显，三者平均值分别是（450 nm到635 nm）：205.8、142.9、247.1 Mm-1。过程中除635 nm散射系数保持最大外，450 nm散射系数明显大于525 nm。不同沙尘天气下，气溶胶对三波段的散射作用不同。不同沙尘天气下，塔中气溶胶对635 nm散射作用都是最明显的，对450 nm和525 nm散射作用不同：沙尘暴时，对525 nm的散射作用＞450 nm，在扬沙和浮尘时，对450 nm的散射作用＞525 nm，尤其在浮尘时。

2.5　散射系数与PM10质量浓度的关系

图6是2010年塔中三波段散射系数与PM10质量浓度小时值点聚图。3个波段与PM10质量浓度的相关性通过α=0.05显著水性水平的检验，说明3个波段与PM10质量浓度具有显著的正相关关系。从图6可知，450、525、635 nm与PM10质量浓度的相关系数相差不大，分别为0.876、0.879、0.860，PM10质量浓度在一定程度上都能反映3个波段散射系数的大小。

图6　2010塔中三波段散射系数与PM10质量浓度小时值点聚图

各季内三波段散射系数与PM10浓度相关程度显著（通过α=0.01显著性水平下检验），除秋季450 nm以外，其余季节各波段均超过0.8。但是季节内相关系数差异大于年均值（表2）。春、冬季450 nm散射系数与PM10浓度相关系数最大，525 nm次之，635 nm最小。夏、秋季相关系数则是525 nm最大。各波段中，不同季节的相关系数不同，450 nm在春季相关系数最大，为0.919，其次为冬季，秋季最小；525 nm在秋季最大，为0.922，其次是春季，冬季最小。635 nm也是在秋季最大，为0.919，其次是春季，夏季最小。

表2　2010年塔中各季节三波段散射系数与PM10质量浓度小时值相关系数

3　结论

（1）塔中气溶胶三波段散射系数平均值分别（从450 nm到635 nm）为：288.0、318.4、443.8 Mm-1。塔中气溶胶对635 nm太阳辐射的散射作用最大，其次是525 nm，最小为450 nm。

（2）三波段散射系数日变化一致，都呈单峰变化：夜间高、白天低，具有明显日变化特征。在整个日变化中，散射系数始终保持635 nm最大，525 nm次之，450 nm最小。

（3）三波段散射系数年变化基本一致。1—5月中，除3月散射系数是450 nm最大，635 nm次之，525 nm最小外，另外4个月均是635 nm最大，450 nm次之，525 nm最小。6—12月散射系数则均是635 nm最大，525 nm次之，450 nm最小。

（4）三波段散射系数均是沙尘暴天气时最大，扬沙次之，浮尘最小。不同沙尘天气下，塔中气溶胶对635 nm散射作用都是最明显的，对450 nm和525 nm散射作用不同：沙尘暴时，对525 nm的散射强于450 nm，在扬沙和浮尘时，对450 nm的散射强于525 nm，尤其在浮尘时。

（5）三波段散射系数与PM10质量浓度都显著正相关，PM10质量浓度与525 nm散射系数相关程度最大，450 nm次之，635 nm最小。但是季节内相关程度略有差异：春、冬季PM10浓度与450 nm散射系数相关程度最大，525 nm次之，635 nm最小。夏、秋季则是525 nm最大。各波段不同季节相关系数也有较大差距，450 nm在春季相关系数最大，其次为冬季，秋季最小；525 nm在秋季最大，其次是春季，冬季最小。635 nm也是在秋季最大，其次是春季，夏季最小。