唐志偉,許瀟鋒,楊曉玥,吳 浩,謝麗鳳

基于衛(wèi)星資料的華東地區(qū)氣溶膠三維分布特征研究

唐志偉,許瀟鋒*,楊曉玥,吳 浩,謝麗鳳

(南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044)

利用MODIS和CALIPSO level2氣溶膠產(chǎn)品,通過統(tǒng)計(jì)分析多個(gè)氣溶膠光學(xué)參數(shù)(光學(xué)厚度、消光系數(shù)、色比和退偏振比)的時(shí)空分布及其變化,得出2007~2016年華東地區(qū)(27°N~37°N,113°E~123°E)氣溶膠三維分布特征.結(jié)果表明,華東地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)年平均呈現(xiàn)出北高南低,平原高、山地低的分布特征.AOD季節(jié)分布表現(xiàn)為春夏高,秋冬低,夏季最高,冬季最低,且研究區(qū)域北部(31°N以北)AOD季節(jié)變化比南部地區(qū)劇烈.氣溶膠消光系數(shù)(σ)隨高度呈指數(shù)衰減,秋冬(春夏)低層σ較大(小)但隨高度衰減較快(慢),2km以下北高南低.年平均色比(CR)隨高度遞增,變化范圍為0.6~0.7,隨時(shí)間有減小趨勢(shì).CR季節(jié)特征為4km以下春季最大,夏季最小且均一;4km以上冬季最大,夏季最小.年平均退偏振比(PDR)隨高度遞增,變化范圍為0.1~0.25,北部較大.PDR季節(jié)特征為5km以下春季最大,夏季最小;5km以上冬季最大,夏季最小.從氣溶膠組成來看,華東地區(qū)2km以下以污染沙塵為主;2~5km春季以沙塵為主,其它季節(jié)以煙塵為主;5km以上冬春以沙塵為主,夏秋以煙塵為主.

氣溶膠；光學(xué)厚度；消光系數(shù)；色比；退偏振比

大氣氣溶膠是造成霧霾、酸雨等大氣污染問題的主要原因之一[1],對(duì)人體健康和人類生產(chǎn)生活有很大影響.此外,氣溶膠的直接和間接輻射強(qiáng)迫對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射收支平衡具有重要影響,其空間分布的差異性增強(qiáng)了氣候變化的不確定性.因此,研究氣溶膠的時(shí)空分布特征具有重要意義.

目前,研究大范圍氣溶膠分布特征主要采用衛(wèi)星遙感資料,其中尤以MODIS氣溶膠產(chǎn)品應(yīng)用最廣泛.MODIS氣溶膠產(chǎn)品的適用性在世界范圍內(nèi)都獲得了較好的驗(yàn)證[2~4].利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品,很多學(xué)者在中國(guó)東部平原[5]、西北沙漠[6]以及四川盆地[7]等地區(qū)開展了研究.然而,MODIS只能給出整層的氣溶膠光學(xué)厚度,無法直接獲取氣溶膠的垂直分布.眾所周知,氣溶膠垂直分布的差異可導(dǎo)致輻射強(qiáng)迫空間分布的不同[8].CALIPSO的星載激光雷達(dá)(CALIOP)資料可以直接反演氣溶膠散射系數(shù)的垂直分布,進(jìn)而獲取多個(gè)氣溶膠參數(shù)的垂直特征[9].因此,越來越多的學(xué)者開始利用CALIPSO產(chǎn)品分析氣溶膠的垂直特征[10-12].我國(guó)的一些學(xué)者也利用CALIPSO開展了中國(guó)多個(gè)區(qū)域的氣溶膠垂直分布研究,許瀟鋒等[14]利用CALIPSO資料分析了華北地區(qū)一次霾過程中氣溶膠垂直分布情況,發(fā)現(xiàn)本地?zé)焿m和遠(yuǎn)距離輸送的沙塵相混合形成的污染沙塵是本次霾過程的主要?dú)馊苣z類型.劉璇等[15]利用CALIPSO資料研究華東地區(qū)氣溶膠的垂直分布特征發(fā)現(xiàn)該地區(qū)春季受到沙塵天氣影響,不規(guī)則大粒子增多,可見中國(guó)東部地區(qū)存在沙塵氣溶膠粒子的輸送.Huang等[13]綜合CALIPSO和地面激光雷達(dá)觀測(cè)了塔克拉瑪干和戈壁沙漠沙塵傳輸?shù)拇怪苯Y(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在華東地區(qū)上空8~10km存在明顯沙塵層,這與后向軌跡模式得到的塔克拉瑪干和戈壁沙塵傳輸軌跡一致,該層與沙塵源地形成了雙層傳輸結(jié)構(gòu),造成中國(guó)東部地區(qū)沙塵的輸送.Guo等[16]結(jié)合MODIS和CALIPSO衛(wèi)星產(chǎn)品得到中國(guó)地區(qū)氣溶膠的三維分布情況,發(fā)現(xiàn)氣溶膠分布受地理特征影響,垂直方向上氣溶膠存在高值層,在高值層以上隨高度增加不斷減小.由此可見,綜合利用MODIS和CALIPSO的氣溶膠產(chǎn)品,有助于更深入的獲取氣溶膠的三維時(shí)空分布特征,進(jìn)而有利于減小氣溶膠輻射和氣候效應(yīng)研究中的不確定性.

華東地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快、人類活動(dòng)最活躍的區(qū)域之一.近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,華東地區(qū)的霧霾事件有不斷增加的趨勢(shì)[17].為了揭示該區(qū)域的氣溶膠特征,很多學(xué)者從氣溶膠光學(xué)厚度[18]、PM2.5濃度[19,43-44]、氣溶膠化學(xué)組分[20]以及氣溶膠垂直分布[21]等多個(gè)角度開展了相關(guān)研究.以上研究多個(gè)方面揭示了華東區(qū)域氣溶膠的特征及其變化.但是,針對(duì)該區(qū)域氣溶膠的三維分布研究,尤其是長(zhǎng)期變化特征研究,還相對(duì)不足.因此,本文利用2007~2016年的MODIS和CALIPSO的氣溶膠產(chǎn)品,綜合分析了華東地區(qū)近10a的氣溶膠三維時(shí)空變化特征,以期為更深入理解該地區(qū)氣溶膠的輻射和氣候特征提供幫助.

1 數(shù)據(jù)與方法

本文的研究區(qū)域?yàn)橹袊?guó)華東地區(qū)(27°N~37°N, 113°E~123°E),如圖1所示.所用資料為2007~2016年MODIS/Terra 3km氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)產(chǎn)品和CALIPSO level2氣溶膠廓線和VFM產(chǎn)品,并依據(jù)華東地區(qū)的氣候特征,定義3~5月為春季(MAM),6~8月為夏季(JJA),9~11月為秋季(SON),12~次年2月為冬季(DJF).MODIS的AOD產(chǎn)品在中國(guó)地區(qū)已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證[22]和應(yīng)用[23],為了獲得均一的分辨率,本文首先將MODIS 3km數(shù)據(jù)插值到0.03°×0.03°的網(wǎng)格上,然后對(duì)格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均,得到AOD月平均值,進(jìn)而計(jì)算其年和季節(jié)平均.選取2007~2016年CALIPSO level2的532和1064nm氣溶膠廓線產(chǎn)品,統(tǒng)計(jì)分析了氣溶膠消光系數(shù)、退偏振比和色比的垂直分布特征.色比(CR)為1064和532nm后向散射系數(shù)的比值(式1),表征粒子粒徑大小,通常色比越大,粒徑越大.退偏振比(PDR)為532nm后向散射系數(shù)的垂直分量與水平分量之比(式2),表征粒子球形度,通常退偏振比越小,粒子越接近球形.