基于CALIPSO 衛(wèi)星探測(cè)的2007—2018 年西南地區(qū)平流層氣溶膠的光學(xué)特性分析

王 敏，胡 春*，趙福燕，王 杰，潘紅林

（1.四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，四川 成都 610000；2.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

平流層氣溶膠是指進(jìn)入到平流層的氣溶膠粒子，通常包含火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰，硫酸鹽粒子以及對(duì)流層的煙塵進(jìn)入到平流層等[1-4]。 一些研究表明，平流層氣溶膠可以反射或吸收入射的太陽(yáng)短波輻射，引起平流層的制冷或加熱效應(yīng)[5-7]。 平流層氣溶膠能夠與某些微量氣體產(chǎn)生光化學(xué)作用，如氮氧化物，臭氧等，影響其收支平衡[8-10]。此外，平流層氣溶膠還能夠間接影響對(duì)流層，如進(jìn)入到對(duì)流層頂部的平流層氣溶膠可能影響深對(duì)流云的微物理性質(zhì)[11-12]。 余長(zhǎng)明等[13]在2004 年利用武漢大學(xué)雙波長(zhǎng)激光雷達(dá)2001 年3 月—2002 年1 月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)武漢上空平流層氣溶膠在16～20 km 間存在氣溶膠層，且呈現(xiàn)夏季大、冬季小的分布特點(diǎn)；劉煜等[8]在2007 年利用SAGEⅡ衛(wèi)星遙感資料，分析發(fā)現(xiàn)大的火山噴發(fā)對(duì)青藏高原平流層氣溶膠產(chǎn)生較長(zhǎng)的影響，其周期大約為6 a。 尚晶晶等[11]在2017年利用WRF-Chem 模式模擬2006 年8 月1 日—9月1 日中國(guó)區(qū)域硫酸鹽和黑碳?xì)馊苣z與云特性的相互作用，發(fā)現(xiàn)黑碳對(duì)云量的影響要大于硫酸鹽，其原因可能是由于黑碳?xì)馊苣z直接輻射效應(yīng)導(dǎo)致云層受熱，而使得云粒子蒸發(fā)，云量減少。因此，平流層氣溶膠在大氣化學(xué)和輻射強(qiáng)迫中扮演著十分重要的角色。

目前， 國(guó)內(nèi)外對(duì)大氣氣溶膠的研究主要關(guān)注對(duì)流層氣溶膠[14-17]，如沙塵、煙及海鹽等氣溶膠粒子，而對(duì)于平流層氣溶膠的研究相對(duì)較少。 沈吉等[18]在2019 年利用主動(dòng)衛(wèi)星遙感云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)和紅外探測(cè)者衛(wèi)星（CALIPSO）2017 年12 月—2018 年11 月對(duì)流層氣溶膠資料，分析得到長(zhǎng)江三角洲地區(qū)全年中沙塵氣溶膠出現(xiàn)的頻率最高約占37%，而在夏季煙塵和海鹽氣溶膠的出現(xiàn)頻率要高于春、 冬兩季。此外，中國(guó)西南地區(qū)地形復(fù)雜，主要由四川盆地、山地及云貴和青藏高原組成， 導(dǎo)致該地區(qū)天氣及氣候形勢(shì)多變， 進(jìn)而對(duì)數(shù)值天氣模式對(duì)該地區(qū)的天氣預(yù)測(cè)提出更高的要求。且該地區(qū)不易進(jìn)行地面觀測(cè)，使得缺乏長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的平流層氣溶膠數(shù)據(jù)（特別是平流層氣溶膠垂直分布資料），平流層氣溶膠對(duì)該地區(qū)的天氣和氣候的影響研究相對(duì)缺乏， 特別是在觀測(cè)層面，平流層氣溶膠作為天氣氣候強(qiáng)迫因素，可約束該因素在數(shù)值模式中對(duì)該地區(qū)天氣氣候的預(yù)測(cè)作用。而CALIPSO 衛(wèi)星觀測(cè)具有時(shí)空分辨率高的特點(diǎn)[19-20]，其搭載的激光雷達(dá)可彌補(bǔ)該區(qū)域平流層氣溶膠連續(xù)垂直探測(cè)的數(shù)據(jù)。因此基于CALIPSO 衛(wèi)星2007—2018 年的數(shù)據(jù)對(duì)西南地區(qū)平流層氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行分析研究是十分必要的， 在此基礎(chǔ)上可為西南地區(qū)平流層氣溶膠對(duì)區(qū)域氣候、 天氣的影響提供科學(xué)依據(jù)。 此外，平流層氣溶膠的研究，可為氣候及環(huán)境的變化研究提供有力的科學(xué)依據(jù)， 為云—?dú)馊苣z的相互作用研究提供基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究數(shù)據(jù)來(lái)自CALIPSO 衛(wèi)星2007—2018 年3 級(jí)平流層氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其中CALIPSO 衛(wèi)星是美國(guó)NASA 在2006 年發(fā)射的一顆地球觀測(cè)衛(wèi)星，并是“A-Train”系列衛(wèi)星成員之一，軌道高度為705 km，周期為16 d。 相比被動(dòng)衛(wèi)星反演，該衛(wèi)星上搭載的雙波長(zhǎng)（532 nm 和1 064 nm）正交偏振激光雷達(dá)可以獲取全球云和氣溶膠的垂直內(nèi)部結(jié)構(gòu)[21-22]。 CALIPSO搭載3 個(gè)天頂視場(chǎng)的儀器（CALIOP，IIR，WFC），一個(gè)測(cè)量1 064 nm 反向散射強(qiáng)度和兩個(gè)測(cè)量532 nm反向散射信號(hào)的正交偏振分量的通道， 用于觀測(cè)氣溶膠和微米級(jí)的云粒。 CALIPSO 攜帶的可見光和近紅外偏振傳感器激光雷達(dá)用于觀察地球氣溶膠和云的相態(tài)。 NASA 和法國(guó)國(guó)家空間研究中心的合作任務(wù)，目的是測(cè)量氣溶膠和云層，以促進(jìn)對(duì)長(zhǎng)期氣候變遷和氣候變化性的預(yù)報(bào)。主要目的是：提供全球氣溶膠和云觀測(cè)數(shù)據(jù)， 用于研究云和氣溶膠在調(diào)節(jié)地球氣候中的作用，以及兩者的相互作用。 CALIPSO 能探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度跨度達(dá)到6 個(gè)量級(jí)， 覆蓋從地面以上30～35 km 的無(wú)氣溶膠情況下散射的信號(hào)。 衛(wèi)星飛行的軌道為太陽(yáng)同步軌道， 軌道高度705 km，傾角98.05°，升交點(diǎn)地方時(shí)13：30。

本文選擇的2007—2018 年的3 級(jí)夜間平流層氣溶膠廓線產(chǎn)品于2018 年8 月釋放（由于白天背景噪聲大，CALIOP 對(duì)夜間的探測(cè)結(jié)果更為精確合理[23]）， 該產(chǎn)品的空間分辨率為5 °N、20 °E 和高度900 m， 且由背景值和總氣溶膠值兩個(gè)數(shù)據(jù)分量組成。 其中，背景值是移除云，氣溶膠和極地層狀云樣本構(gòu)成的數(shù)據(jù)； 而總氣溶膠值是移除云和極地層狀云樣本， 保留氣溶膠樣本構(gòu)成的數(shù)據(jù)。 需要說明的是，總氣溶膠值是包括火山灰、硫酸鹽粒子、抬升的煙及極地層狀云氣溶膠的總和。

總衰減后向散射和光學(xué)厚度兩個(gè)變量被用來(lái)分析平流層氣溶膠的光學(xué)特性。其中，對(duì)背景值的總衰減后向散射變量在0～5.3×10-4km-1·sr-1有效范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量控制， 光學(xué)厚度在-0.05～0.06 有效范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量控制； 對(duì)總氣溶膠值的總衰減后向散射參數(shù)在0～6.3×10-4km-1·sr-1有效范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量控制，光學(xué)厚度在-0.02～2 有效范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量控制。另外， 對(duì)氣象變量平流層平均位溫在300～1 250 K有效范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量控制。需要指出的是，本文中四個(gè)季度劃分分別為春季（3—5 月）、夏季（6—8 月）、秋季（9—11 月）、冬季（12 月—翌年2 月）。圖1 為研究區(qū)域示意圖，西南地區(qū)（22.5°～32.5°N，90°～110°E）包括四川、重慶、貴州、云南及西藏東南部。

圖1 研究區(qū)域示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 氣溶膠光學(xué)特性指標(biāo)

本文通過氣溶膠的總衰減后向散射（Total Attenuated Background，TAB） 和光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）的背景值和總氣溶膠值之間的差值，來(lái)確定西南地區(qū)平流層氣溶膠的光學(xué)特性。公式為：

式中，AOD為氣溶膠光學(xué)厚度，TAB為氣溶膠總衰減后向散射，下標(biāo)all 表示總氣溶膠值，下標(biāo)中的bg 為Background 縮寫，表示背景值。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析指標(biāo)

三維變量總衰減后向散射（TAB），表示TAB的總氣溶膠和背景氣溶膠之間的差值。 對(duì)該變量進(jìn)行降維處理，即緯向分布為變量在經(jīng)度（Longitude）方向進(jìn)行積分。 同理，徑向分布為變量在緯度（Latitude）方向進(jìn)行積分。 其公式為：

式中，TM為平均的總衰減后向散射值，N 為2007—2018 年三級(jí)平流層氣溶膠數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。 lo 為經(jīng)度（Longitude）縮寫，la 為緯度（Latitude）縮寫。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均位溫的季節(jié)變化特征

基于平流層內(nèi)水汽含量少， 選擇位溫來(lái)分析西南地區(qū)平流層的氣象條件的變化， 因?yàn)槲粶厥歉煽諝獾囊粋€(gè)重要的濕度參量[24]。由圖2 可知，西南地區(qū)平流層內(nèi)的平均位溫呈現(xiàn)由南向北逐漸減小的分布，云南，貴州等區(qū)域平均位溫較大，平均位溫隨著高度的增加而增加，其中，在10～16 km，位溫增加的速率比17～35 km 增加得快。 這可能是因?yàn)閷?duì)流層頂部和平流層底部之間的熱量交換比平流層頂部要多和快[25]。此外，表1 總結(jié)了西南地區(qū)四季平均位溫的變化，夏季的平均位溫最大為681 K，冬季的平均位溫最小為672 K， 且春季和冬季的平均位溫在西南地區(qū)波動(dòng)較大。

圖2 2007—2018 年西南地區(qū)平流層平均位溫的季節(jié)分布

表1 2007—2018 年西南地區(qū)平流層位溫最小值、最大值和平均值的季節(jié)分布K

2.2 光學(xué)厚度的季節(jié)變化特征

值由南向北逐漸增大， 且二者的數(shù)值波動(dòng)在春季和冬季比夏季和秋季大， 這與上文分析的平均位溫的變化分布相同。 另外表2 總結(jié)了西南地區(qū)四季二者的差值，即平流層氣溶膠光學(xué)厚度值。 總的來(lái)說，西南地區(qū)的平流層氣溶膠的光學(xué)厚度四季分布的平均值較小。其中，夏季光學(xué)厚度的平均值最大為0.000 7，其余3 個(gè)季節(jié)都為0.000 1，這可能是因?yàn)橄募镜膶?duì)流活動(dòng)較強(qiáng)， 造成氣溶膠粒子在對(duì)流層和平流層之間交換[26-27]，使得位于對(duì)流層的氣溶膠在平流層被激光雷達(dá)捕捉到。

圖3 2007—2018 年西南地區(qū)平均光學(xué)厚度背景值和總氣溶膠值的季節(jié)分布

表2 2007—2018 年西南地區(qū)平均背景和總氣溶膠光學(xué)厚度值的季節(jié)分布

2.3 總衰減后向散射緯向和徑向的月變化特征

2007—2018 年西南地區(qū)平流層氣溶膠總衰減后向散射緯向的月變化見圖4。 12 個(gè)月份總衰減后向散射都表現(xiàn)為數(shù)值的大小隨著高度的增加而減小，即在11～12 km 高度處存在最大值。 這可能是由于平流層底部和對(duì)流層頂部之間因大氣動(dòng)力作用，致使二者之間的氣溶膠粒子相互交換作用增強(qiáng)[26-27]。以及由于氣溶膠粒子自身的重量， 而使其出現(xiàn)分層分布，即重量大的氣溶膠粒子因重力而分布在下層。相反， 重量小的氣溶膠粒子分布在上層。 此外，在10 km 處出現(xiàn)總衰減后向散射的無(wú)效值， 在圖4 中顯示為白色區(qū)域。

圖4 2007—2018 年西南地區(qū)總衰減后向散射背景值和總氣溶膠值緯向的月變化

總衰減后向散射背景值和總氣溶膠值的經(jīng)向分布見圖5。與圖4 相似，12 個(gè)月份的總衰減后向散射的分布都隨著高度的增加而減小。其中，總衰減后向散射數(shù)值在0.08×10-3～0.2×10-3km-1·sr-1所占的比例最大，其位于18～22 km，即圖5 中淺綠色區(qū)域。

圖5 2007—2018 年西南地區(qū)總衰減后向散射背景值和總氣溶膠值經(jīng)向的月變化

2.4 總衰減后向散射緯向和徑向廓線的月變化

圖6 是總衰減后向散射的緯向廓線的月際變化分布。為了更清晰地表達(dá)結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的值都取對(duì)數(shù)，且橫坐標(biāo)值為小數(shù)點(diǎn)后三位?？傮w來(lái)說，在12 個(gè)月份的全部高度上總衰減后向散射的背景值和總氣溶膠值之間的差異較小， 即平流層氣溶膠濃度較小。

圖6 2007—2018 年西南地區(qū)總衰減后向散射平均背景值和總氣溶膠值的緯向廓線的月際分布

圖7 是總衰減后向散射的經(jīng)向廓線的月際變化分布。 與圖6 分布相似，經(jīng)向上平流層氣溶膠的濃度較少，且與高度呈反比的關(guān)系，即隨著高度的增加而減少。 其中在16 km 的高度處，總衰減后向散射值出現(xiàn)拐點(diǎn)。 需要指出的是，總衰減后向散射值的廓線分布與平均位溫的廓線分布（圖2）呈反比關(guān)系。這可以解釋為平流層內(nèi)位溫隨著高度的增加而升高， 即存在逆溫現(xiàn)象，致使粒子在該層的擴(kuò)散能力減弱，相應(yīng)的平流層氣溶膠濃度分布與高度呈現(xiàn)反比的關(guān)系。此外， 表3 總結(jié)了月間平流層氣溶膠總衰減后向散射平均值的變化分布。 其中，6、7、8 月在緯向上的分布出現(xiàn)最大值，分別為0.000 5×10-3，0.000 6×10-3km-1·sr-1和0.000 4×10-3km-1·sr-1；而在經(jīng)向上1 月出現(xiàn)最大值0.001 8×10-3km-1·sr-1。

圖7 2007—2018 年西南地區(qū)總衰減后向散射平均背景值和總氣溶膠值的經(jīng)向廓線的月際分布

表3 2007—2018 年西南地區(qū)平均總衰減后向散射背景和總氣溶膠值的月際分布km-1·sr-1

3 結(jié)論

在地理和季節(jié)上， 西南地區(qū)平流層氣溶膠濃度較低， 具體表現(xiàn)為在緯向和徑向的月際變化廓線分布上， 平流層氣溶膠總衰減后向散射的背景值和總氣溶膠值的垂直廓線基本重疊。相對(duì)于春季，秋季和冬季， 夏季平流層氣溶膠光學(xué)厚度的均值出現(xiàn)最大值0.000 7，該季節(jié)分布與余長(zhǎng)明等[13]人的結(jié)果相似。 平流層氣溶膠總衰減后向散射值的緯向和經(jīng)向分布都隨著高度的增加而減小， 其中最大值出現(xiàn)在10～11 km 高度，其原因可能與平流層氣溶膠粒子的重量有關(guān)，即質(zhì)量越大的粒子分布于下層，該分布特點(diǎn)與Pan[23]研究的結(jié)果相似。 在夏季二者廓線在16 km出現(xiàn)拐點(diǎn)，在6、7、8 月，分別出現(xiàn)最大氣溶膠總衰

減后向散射值0.000 5×10-3、0.000 6×10-3、0.000 4×10-3km-1·sr-1。 需要指出的是，平均位溫的廓線分布和氣溶膠總衰減后向散射廓線分布呈反比， 且在高度15～16 km 處均出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)， 這需要進(jìn)一步研究。

在近地層大氣中氣溶膠停留時(shí)間較短， 只有在干燥地區(qū)停留時(shí)間稍長(zhǎng)一些，可以維持幾個(gè)星期。到目前為止，全球低層還沒有較長(zhǎng)時(shí)間的累積資料，它們中大部分被沉降和清洗消除。 進(jìn)入平流層的氣溶膠停留時(shí)間較長(zhǎng)，這將對(duì)氣候產(chǎn)生影響。大氣中的氣溶膠對(duì)輻射狀況有很大影響， 懸浮在大氣中的氣溶膠粒子能吸收和反射太陽(yáng)輻射， 它能阻攔部分太陽(yáng)輻射，特別是減少紫外線通過，使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減弱。根據(jù)實(shí)測(cè)資料和理論上的估計(jì)，認(rèn)為平流層氣溶膠總量增大0.8×10-6g/cm2，太陽(yáng)輻射總量減弱1%， 太陽(yáng)輻射總量的減少將導(dǎo)致地面溫度降低約1.5 ℃。另一方面，大氣中氣溶膠的增加，豐富了大氣凝結(jié)核，使云量、降水量、霧的頻率增多，對(duì)地表起冷卻作用。又因氣溶膠微粒吸收短波輻射而增熱，它和射入太陽(yáng)輻射減弱的結(jié)果可以引起能量重新分配。氣溶膠對(duì)氣候變化的影響問題較為復(fù)雜， 有待進(jìn)一步深入研究。