基于CALIPSO 资料的东亚地区气溶胶垂直分布特征分析

2019-07-16宿兴涛郑军李学刚

装备环境工程 2019年6期

宿兴涛，郑军，李学刚

（1.北京应用气象研究所，北京 100029；2.中国人民解放军32039 部队，北京 102300）

气溶胶的垂直分布是其辐射强迫和气候效应的重要影响因子之一。Minnis 和Cox[1]的观测分析以及Carlson 和Benjamin[2]的模拟研究均表明，抬高的撒哈拉沙尘层能明显改变大气加热率。Liao 和Seinfeld[3]分析认为，晴空与有云条件下，大气顶强迫对沙尘层高度非常敏感。Meloni 等[4]也发现，气溶胶大气顶短波辐射强迫强烈依赖于气溶胶垂直廓线。Huang 等[5]指出，以往气溶胶观测只能在全球有限站点利用被动式辐射计进行，地面观测的气溶胶光学特性在转换为柱特性时，采用了气溶胶垂直廓线分布的假设。由于气溶胶层高度可变，地面气溶胶特性与气溶胶柱特性常常存在很大的区别。因此，计算气溶胶柱特性时，不同时间如果采用相同的气溶胶垂直廓线，将导致结果存在非常大的误差（可达2 倍）[6]。

宿兴涛[7-8]曾对沙尘气溶胶垂直分布的研究现状进行过综述，其他气溶胶垂直分布研究方法基本相同。通过对以往研究工作分析发现，尽管对东亚地区气溶胶垂直分布观测研究较早，但绝大多数限于时间较短的天气过程，极少数研究能达到月尺度[5]，并且这些观测次数、时间尺度、空间尺度有限，无法对大范围区域进行连续观测。由于不同的天气条件气溶胶可以抬升的高度存在很大差异，即使同一地区在不同季节不同时刻，气溶胶的垂直分布也会存在很大的不同。另外，不同气溶胶模型关于源汇方案等存在差别，采用数值模式对沙尘垂直分布的认识也存在很大差异。CALIPSO（The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）卫星的发射提供了一个很好的机会，有利于对大范围区域气溶胶的垂直廓线特征进行连续观测，不少学者利用其开展了不少研究工作[9-14]，但研究范围和时间尺度均比较小。文中利用CALIPSO 星载激光雷达观测资料，研究更长时间、更大范围气溶胶的垂直廓线特征，以期从气候角度加深对该地区气溶胶垂直分布的认识，并为气候模式比对提供参考。

1 资料介绍

CALIPSO 卫星发射于2006 年4 月，携带主要设备之一为正交偏振云-气溶胶雷达 CALIOP（The Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）。它可以在任何地形、高反照率表面、有云和晴空条件下，对气溶胶的垂直分布进行观测。CALIOP 接收的回波信号分为三个通道，一个测量1064 nm 的后向散射强度，另外两个通道测量532 nm 后向散射信号的正交极化部分。反演计算时，将两个通道分别获取的后向散射强度叠加作为532 nm 总的后向散射强度。CALIPSO 各种参数反演算法参考文献[15]。

CALIPSO 雷达三级气溶胶廓线月产品（Lidar Level 3 Aerosol Profile Monthly Products）1.00 版（下文简称CALIPSO L3 V1.00）是在CALIPSO 雷达二级气溶胶廓线产品基础上制作出来的，发布于2011 年12 月，记录了在统一空间格点上气溶胶光学特性的月平均廓线。CALIPSO L3 V1.00 主要针对对流层设计，产品垂直范围在12 km 以下。该产品主要参数为532 nm 气溶胶的消光系数垂直廓线及其垂直积分-气溶胶光学厚度。另外，还包括气溶胶类型（海洋气溶胶、沙漠沙尘气溶胶、污染大陆气溶胶、清洁大陆气溶胶、生物质燃烧气溶胶等）及空间分布信息。需要指出的是，气溶胶平均廓线产品分为两种：一是针对所有种类气溶胶（下文称总气溶胶），二是仅针对沙尘气溶胶。根据天空条件和时间范围，CALIPSO L3 V1.00 分为四种类型产品（见表1），产品空间分辨率见表2。文中采用All sky 条件白天的产品。资料研究时间尺度为2006 年7 月—2012 年6 月，共6 年。

表1 CALIPSO L3 V1.00 产品类型

表2 CALIPSO L3 V1.00 产品空间范围和分辨率

2 结果分析

2.1 气溶胶光学厚度分布

CALIPSO 卫星反演得到的532 nm 波长全球总气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）与沙尘气溶胶光学厚度（Dust Aerosol Optical Depth，DAOD）分布分别如图1 和图2 所示。由图1 可见，全球总气溶胶主要分布在西非及临近的大西洋海域、中非南部、西亚、南亚、塔克拉玛干沙漠以及东亚大陆东部沿海地区。结合图2 分析可知，除中非南部和东亚大陆东部沿海地区外，这些地区同时也是沙尘气溶胶的主要分布区。图3 给出了全球532 nm 波长DAOD/ AOD 比值分布。由图3 可见，撒哈拉沙漠地区沙尘气溶胶占总气溶胶的比值达0.9 以上，西亚绝大部分地区比值也都在0.7 以上，我国西北绝大部分地区比值都在0.5 以上，塔克拉玛干沙漠在0.8 以上。

图1 532 nm 波长气溶胶光学厚度

图2 532 nm 波长沙尘气溶胶光学厚度

在这些地区，气溶胶的主要组成为沙尘气溶胶。我国东部地区比值较低，大部分地区在0.2 以下，说明该地区沙尘气溶胶的比重较小，其他种类气溶胶含量较高，如硫酸盐气溶胶、碳气溶胶等[9]。文中重点研究东亚地区气溶胶的垂直分布特征。在后文研究中，图1 选择A、B 作为总气溶胶代表性格点，分别代表华北和华南地区；图2 选择C 为沙尘气溶胶代表性格点，代表塔克拉玛干沙漠地区。

图3 532 nm 波长沙尘气溶胶光学厚度与总气溶胶光学厚度的比值

2.2 总气溶胶垂直分布

采用消光系数廓线来分析总气溶胶垂直分布。根据上文分析，东亚大陆东部沿海地区的总气溶胶分布最为显著。根据图1，选择115°E—120°E 经度带分析532 nm 消光系数廓线，如图4 所示。由图4 可见，该地区总气溶胶垂直廓线具有以下特征。

图4 沿115°E—120°E 总气溶胶消光系数廓线

1）一般而言，近地面附近消光系数最大，随着高度的上升而逐渐减小，表明总气溶胶浓度随高度的增加而减小。这是从气候平均角度得到的结论，与个别时期气溶胶分层情况显然不同。

2）显著的月际变化。3—6 月份，AOD 在一年中处于低值，但由于该时期对流活动较强，而降水较少，气溶胶容易向上传输，到达的高度较高，白天消光系数0.01 km-1值一般能达到5 km 左右。7—8 月份降水显著，对气溶胶的冲刷作用明显。9—11 月份对流活动减弱，这些因素均抑制了气溶胶的向上传输。

3）显著的地区差异。以消光系数0.01 km-1为例，如11 月—次年2 月，华南地区0.01 km-1值在我国东部达到的高度最高，而其他月份一般在长江以北至华北地区达到的高度最高。

图5 格点A 气溶胶的消光系数廓线

图6 格点B 气溶胶的消光系数廓线

选择A、B 两个格点进一步分析总气溶胶垂直特征，分别如图5 和图6 所示。两个地区气溶胶所含种类、比例均存在较大不同。可以看出，多数月份，在可信区域内，消光系数随高度的增加而迅速减小，但也存在差别。华北地区，10 月—次年3 月份气溶胶主要位于3 km 高度以下，4—9 月主要位于4～5 km 以下。另外，3—6 月，2 km 高度以下，气溶胶消光系数变化并不大，表明该时期气溶胶浓度在近地面到2 km 高度分布比较均匀。7—8 月，大约在近地面到2 km 高度，气溶胶消光系数数值在一年中最显著，但最大值没有出现在近地面，而是在1 km 左右高度。华南地区，3 月，白天消光系数最大值出现在3 km左右高度，而夜间出现高度在2.5 km 左右。除3—4月外，该地区气溶胶所处的高度主要在4 km 以下。

对A 和B 两点总气溶胶分布进行了拟合分析。华北地区大致在0.76 km 高度以上，华南地区在1.6 km 高度以上，气溶胶消光系数随高度的增加呈指数减小，公式分别为EA=0.666e-0.076h、EB=0.3e-0.091h。其中EA、EB分别为A、B 格点消光系数，km-1；h为垂直高度，km。两函数与原始数据具有非常高的相关性，相关系数分别为0.99、0.94，并通过了0.001显著性检验。

2.3 沙尘气溶胶垂直分布

结合图2，选择37°N—39°N 纬度带分析东亚-北太平洋地区沙尘气溶胶532 nm 消光系数的垂直分布特征，如图7 所示。由图7 可见，该地区沙尘气溶胶的垂直廓线与我国东部沿海地区总气溶胶的垂直廓线具有相似之处，主要特征如下：

1）从气候平均来看，一般近地面附近消光系数最大，随着高度上升而逐渐减小。

2）有显著的月际变化，但具体月际变化特征与总气溶胶不同。1—5 月份，沙尘活动显著强于其他月份，同时由于该时期北太平洋地区降水较少，沙尘气溶胶在向该地区传输过程中，浓度降低的速度并不快，同等高度上，东亚-北太平洋地区沙尘气溶胶的浓度梯度不大。其他月份，同等高度上，东亚大陆的沙尘气溶胶浓度一般显著高于北太平洋地区。

图7 沿37°N—39°N 纬带沙尘气溶胶消光系数廓线

3）不同地区气溶胶到达的高度不同。以消光系数0.01 km-1为例，东亚大陆所处高度一般在5～8 km之间，而北太平洋地区除1—5 月在2～4 km 左右外，其他月份一般仅2 km 左右。

通过C 格点进一步研究塔克拉玛干沙漠地区沙尘气溶胶垂直特征，如图8 所示。可见，在该地区，11 月—次年2 月，沙尘活动较弱，沙尘气溶胶向上一般仅能到3～4 km；3—4 月以及10 月，沙尘活动较强，沙尘气溶胶向上一般能到5 km 左右；5—9 月，沙尘活动在一年中最强，沙尘气溶胶向上可达到6 km左右。拟合分析发现，在可信区域内，大约在2.3～5 km高度之间，消光系数随高度的增加几乎呈线性递减，公式为EC=-0.0038h+0.1673。该线性函数与原始数据的相关系数高达0.99，通过了0.001 显著性检验。