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      基于CALIPSO數(shù)據(jù)的沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性時(shí)空特征

      2021-11-16 01:38:06鄭小慎
      關(guān)鍵詞:珠江三角洲京津氣溶膠

      張 玲,鄭小慎

      (天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院,天津 300457)

      0 引 言

      大氣氣溶膠的定義一般是指直徑為0.001~100.000 μm,由混合于大氣中的固體、液體顆粒物和大氣介質(zhì)組成的體系[1]。氣溶膠的光學(xué)屬性由氣溶膠光學(xué)厚度、單次散射反照率、消光系數(shù)、?ngstr?m波長(zhǎng)指數(shù)、退偏比、不對(duì)稱因子、色比、散射系數(shù)等光學(xué)參數(shù)表征[2-3],這些光學(xué)參數(shù)又是影響輻射收支平衡的重要參數(shù)。氣溶膠因受到地理位置、氣候系統(tǒng)、各種排放源等眾多因素影響,其濃度分布、光學(xué)特性等存在著明顯的地域、季節(jié)差異[4-6];同時(shí),光學(xué)特征還與氣溶膠的化學(xué)成分、相對(duì)濕度、風(fēng)場(chǎng)等因素有關(guān)。中國(guó)沿海區(qū)域不僅包括陸地區(qū)域,還包括海洋區(qū)域;海洋氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分,同時(shí),海洋氣溶膠和陸地氣溶膠相互輸送、相互作用對(duì)中國(guó)沿海區(qū)域氣候環(huán)境產(chǎn)生了重要影響,因此,對(duì)沿海區(qū)域整體氣溶膠光學(xué)特性的研究必不可少。

      近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究。大氣遙感技術(shù)能使人類更深入地了解氣溶膠的時(shí)空分布、物理及化學(xué)特征,研究氣溶膠光學(xué)特性的主要探測(cè)手段包括地基遙感和衛(wèi)星遙感。利用地基遙感對(duì)氣溶膠光學(xué)特性的研究[7-11]只能進(jìn)行單點(diǎn)觀測(cè),不能獲得氣溶膠二維和三維分布情況;衛(wèi)星遙感則可以觀測(cè)氣溶膠的連續(xù)空間分布,許多學(xué)者利用MODIS等衛(wèi)星對(duì)氣溶膠水平分布進(jìn)行了研究[12-21],但缺乏氣溶膠垂直分布的相關(guān)研究。氣溶膠垂直分布的信息是氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫不確定性的主要潛在因素之一;因?yàn)閬碜源髿饽P偷念A(yù)測(cè)通常具有較大的變異性[22],所以對(duì)于氣溶膠垂直分布特征的研究必不可少。對(duì)于氣溶膠垂直分布特征的研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大部分都是利用CALIPSO數(shù)據(jù)進(jìn)行研究[23-26]。沈吉等利用CALIPSO數(shù)據(jù)分析了氣溶膠退偏比、色比以及消光系數(shù)等光學(xué)參數(shù)不同季節(jié)平均值在垂直方向上的分布特征[27-28]。溫玉海等則利用CALIPSO數(shù)據(jù)分析了氣溶膠光學(xué)特性在不同天氣的分布特征,得出不同天氣下氣溶膠垂直分布的差異性[29-33]。雖然國(guó)內(nèi)已有學(xué)者利用CALIPSO數(shù)據(jù)研究氣溶膠垂直分布,但長(zhǎng)時(shí)間序列研究還相對(duì)較少。由于氣象、地形等多方面的影響,中國(guó)氣溶膠分布呈現(xiàn)明顯的地域及時(shí)間差異,不同地區(qū)大氣污染的主要影響因子也有差異[34],而中國(guó)利用CALIPSO數(shù)據(jù)研究氣溶膠光學(xué)特性主要集中在華北[35-37]、華東[38]及西北等地區(qū),缺乏對(duì)于中國(guó)南部地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性的研究。Wang等利用CALIPSO數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)華北地區(qū)進(jìn)行研究,得到自然沙塵在春季和秋季低層大氣污染中起著至關(guān)重要的作用[39]。賈瑞等利用CALIPSO數(shù)據(jù)衛(wèi)星遙感資料研究中國(guó)西北地區(qū)氣溶膠的三維分布,得到了中國(guó)西北地區(qū)氣溶膠含量較高,以沙塵和污染性沙塵為主,且古爾班通古特沙漠和甘肅—內(nèi)蒙古一帶的氣溶膠消光系數(shù)較小且分布零散[40]。Adams等利用CALIPSO數(shù)據(jù)研究大西洋盆地和鄰近大陸上空氣溶膠的三維結(jié)構(gòu),得到沙塵和污染物的混合對(duì)大西洋廣大地區(qū)上空的云微物理過程有重大影響[41]。相對(duì)而言,中國(guó)關(guān)于海洋氣溶膠三維分布的研究較少。

      綜上所述,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)氣溶膠光學(xué)特性研究取得了一定的成果,但是在空間上大多集中于一個(gè)區(qū)域,很少對(duì)兩個(gè)不同地區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析,同時(shí),對(duì)于海洋氣溶膠光學(xué)特性研究較少,多集中于陸地氣溶膠的垂直分布研究。本文利用AERONET地基數(shù)據(jù)對(duì)CALIPSO數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,并通過其長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)對(duì)沿海區(qū)域氣溶膠的光學(xué)厚度和氣溶膠垂直分布進(jìn)行分析,有針對(duì)性地對(duì)比分析京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域氣溶膠光學(xué)參數(shù)的變化特征,以期更好地了解氣溶膠的光學(xué)特性在水平和垂直方向上的分布特征,從而更好地預(yù)測(cè)氣溶膠對(duì)環(huán)境的影響。

      1 資料與方法

      1.1 研究區(qū)域概況

      研究區(qū)域緯度范圍為19°N~42°N,經(jīng)度范圍為111°E~124°E,包含了中國(guó)內(nèi)陸地區(qū)、沿海地區(qū),以及渤海、黃海、東海、南海等地區(qū),簡(jiǎn)稱為“沿海區(qū)域”。沿海區(qū)域包括京津冀、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲等三大經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心,區(qū)域內(nèi)人口密集,也是中國(guó)農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)的中心區(qū)域。沿海區(qū)域季風(fēng)性氣候顯著,夏季高溫多雨,主要受東南季風(fēng)的影響,冬季寒冷干燥,主要受西北季風(fēng)的影響;以秦嶺—淮河為界,淮河以北為溫帶季風(fēng)氣候,淮河以南為亞熱帶季風(fēng)氣候。

      為了更好地研究沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性,選擇了北部的京津區(qū)域(39°N~41°N,116°E~118°E)和南部的珠江三角洲區(qū)域(21°N~23°N,113°E~115°E)作為典型區(qū)域(圖1)進(jìn)行對(duì)比研究。兩個(gè)典型區(qū)域在氣候、地理位置上顯著不同。京津區(qū)域是以首都北京為輻射中心的經(jīng)濟(jì)區(qū),主要包括北京、天津和河北部分地區(qū),該區(qū)域主要位于內(nèi)陸,屬于溫帶季風(fēng)氣候,四季變化明顯,東部靠近渤海,資源豐富、人口眾多、交通便利。珠江三角洲區(qū)域主要包括香港、澳門、廣東及南海海域,該區(qū)域有很大一部分位于海洋,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨,雨熱同期,受海洋影響較大,同時(shí),港澳地區(qū)有豐富的資金、技術(shù)、人才和管理經(jīng)驗(yàn),與珠江三角洲地區(qū)的土地、自然資源和勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),促進(jìn)了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

      A為北部的京津區(qū)域,B為南部的珠江三角洲區(qū)域;陰影部分為陸地區(qū)域

      1.2 數(shù)據(jù)來源

      1.2.1 CALIPSO數(shù)據(jù)

      CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括3種類型,分別是垂直特征層產(chǎn)品、層產(chǎn)品及廓線數(shù)據(jù)產(chǎn)品,表1為CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間分辨率。本研究采用的CALIPSO Level 2廓線數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要是關(guān)于特征層的退偏比、色比、消光系數(shù)及后向散射系數(shù)在垂直方向上的分布信息[42],它是由CALIPSO Level 1B數(shù)據(jù)采用相關(guān)算法計(jì)算得到的。CALIPSO Level 1B數(shù)據(jù)是經(jīng)過地理和儀器校正的激光雷達(dá)單脈沖剖面數(shù)據(jù)[43],由于算法的不確定性,使CALIPSO Level 2廓線數(shù)據(jù)中消光系數(shù)與退偏比等存在一定誤差,所以在使用這些氣溶膠光學(xué)參數(shù)前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,以便減小誤差。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制可以使用廓線數(shù)據(jù)CAD_Score、Atmospheric_Volume_Description(AVD)和Extinction_QC_Flag_532等對(duì)氣溶膠數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。CAD_Score數(shù)據(jù)用于區(qū)分云與氣溶膠,其數(shù)值范圍為[-100,100],負(fù)值表示為氣溶膠,正值表示為云,數(shù)值的絕對(duì)值越大說明氣溶膠或云的置信度越高;為了提高識(shí)別氣溶膠的準(zhǔn)確性,設(shè)定氣溶膠的CAD_Score數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍為[-100,-70]。AVD為16位二進(jìn)制編碼,當(dāng)1~3位數(shù)字對(duì)應(yīng)為十進(jìn)制數(shù)3時(shí)確定該點(diǎn)為氣溶膠類型,它可以用于區(qū)分云與氣溶膠[44]。Extinction_QC_Flag_532數(shù)據(jù)是消光質(zhì)量控制標(biāo)識(shí),其數(shù)值為0與1則對(duì)應(yīng)的氣溶膠消光系數(shù)更可靠。

      表1 CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間分辨率

      氣溶膠消光系數(shù)是氣溶膠散射系數(shù)與吸收系數(shù)之和,通過散射和吸收作用對(duì)某一波段太陽(yáng)輻射單位面積、單位長(zhǎng)度的削減程度;氣溶膠消光系數(shù)越大說明其消光能力越強(qiáng)[45]。退偏比反映了被測(cè)顆粒物的規(guī)則程度;粒子形狀越接近球形,其體積退偏比越??;退偏比越小表示被測(cè)顆粒物形狀越規(guī)則。一般認(rèn)為水、云及形狀規(guī)則的氣溶膠體積退偏比非常小,一般接近0;氣溶膠退偏比數(shù)組中,0~1比較可靠,可以剔除該范圍之外的數(shù)據(jù)。色比(χ(z))則反映被測(cè)顆粒z粒徑大小,被測(cè)顆粒色比越大表明粒子越大。氣溶膠色比數(shù)組中,0~3比較可靠,可以剔除該范圍之外的數(shù)據(jù)。色比為波長(zhǎng)1 064 nm后向散射系數(shù)P1 064′(z)與波長(zhǎng)532 nm總后向散射系數(shù)P532T′(z)之比。其表達(dá)式為

      (1)

      1.2.2 AERONET數(shù)據(jù)

      AERONET 觀測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)采用的儀器是法國(guó)CIMEL公司CE-318型全自動(dòng)太陽(yáng)直接/散射輻射計(jì),直接太陽(yáng)觀測(cè)的中心波段為340、380、440、500、670、870、940和1 020 nm[46]。本研究利用2013~2018年間京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域AERONET觀測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)的Level 1.5數(shù)據(jù)對(duì)CALIPSO數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。AERONET觀測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)信息及匹配天數(shù)如表2所示。

      表2 AERONET觀測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)信息及匹配天數(shù)

      1.3 CALIPSO數(shù)據(jù)驗(yàn)證

      CALIPSO數(shù)據(jù)驗(yàn)證采用CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品波長(zhǎng)532 nm對(duì)流層柱氣溶膠光學(xué)厚度,不包括平流層氣溶膠光學(xué)厚度。Vernier等對(duì)CALIPSO測(cè)量的研究[47]表明:在研究期間,全球平流層氣溶膠光學(xué)厚度的最大平均值不超過0.008,遠(yuǎn)低于CALIPSO對(duì)流層柱氣溶膠光學(xué)厚度的不確定度,因此,平流層氣溶膠光學(xué)厚度可以忽略不計(jì)。由于CALIPSO和AERONET數(shù)據(jù)對(duì)氣溶膠觀測(cè)的中心波長(zhǎng)和時(shí)空尺度不同,為了使兩者具有可比性,需要對(duì)兩者的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行波段匹配和時(shí)空匹配的前處理[48]。

      (2)

      (3)

      (2)時(shí)空匹配。CALIPSO和AERONET數(shù)據(jù)在空間上有相對(duì)較大差異,因此,本文選取AERONET觀測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)為基準(zhǔn)對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空匹配。選擇CALIPSO激光足跡位于AERONET觀測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)40 km范圍內(nèi)氣溶膠光學(xué)厚度測(cè)量值,同時(shí),CALIPSO氣溶膠光學(xué)厚度觀測(cè)時(shí)間同步到前后30 min內(nèi)AERONET的測(cè)量值,然后對(duì)提取的每天數(shù)個(gè)CALIPSO氣溶膠光學(xué)厚度平均值作為這一天與AERONET對(duì)應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度。因?yàn)镃ALIPSO數(shù)據(jù)的時(shí)間周期是16 d,與AERONET數(shù)據(jù)重合的次數(shù)很少,在40 km范圍內(nèi)CALIPSO地面軌道與研究區(qū)域Xianghe站的距離最短,匹配最好。如果一個(gè)站點(diǎn)不在覆蓋圈內(nèi)或者離軌道上距離足夠近,那么該站點(diǎn)在下一個(gè)重復(fù)軌道時(shí)間表中不太可能得到匹配點(diǎn)。由表2可以看出:Xianghe站由于連續(xù)運(yùn)行,重合次數(shù)最多,Hong-Kong-PloyU站次之,而Beijing-CAMS站由于離軌道距離較遠(yuǎn),只有2個(gè)匹配點(diǎn)。經(jīng)過時(shí)空匹配及反復(fù)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)CA-LIPSO數(shù)據(jù)在京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域分別與AERONET數(shù)據(jù)匹配83 d和31 d。

      2 結(jié)果分析

      2.1 CALIPSO氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)驗(yàn)證

      CALIPSO與AERONET數(shù)據(jù)經(jīng)過前處理后得到波長(zhǎng)532 nm處氣溶膠光學(xué)厚度的線性擬合結(jié)果(圖2)。由圖2可以看出,京津區(qū)域相關(guān)系數(shù)為0.845 7,而珠江三角洲區(qū)域相關(guān)系數(shù)為0.619 1。這說明京津區(qū)域的CALIPSO與AERONET氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)性要好于珠江三角洲區(qū)域,此外兩個(gè)區(qū)域都通過了95%顯著性檢驗(yàn),因此,可以認(rèn)為在一定范圍的時(shí)間、空間內(nèi),通過兩個(gè)儀器對(duì)大氣柱探測(cè)所得的氣溶膠光學(xué)厚度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,這一結(jié)果與Liu等得出的結(jié)果[49-50]類似。

      圖2 波長(zhǎng)532 nm處CALIPSO和AERONET氣溶膠光學(xué)厚度線性擬合結(jié)果

      2.2 沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性時(shí)空特征分析

      2.2.1 氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)特征

      目前觀測(cè)精度最高、觀測(cè)手段最多,也是氣溶膠氣候效應(yīng)中最為重要的光學(xué)特性是氣溶膠光學(xué)厚度,它描述了氣溶膠對(duì)光的衰減作用,也是氣溶膠消光系數(shù)在垂直方向上的積分[51]。對(duì)于沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度分布特征,本文將2010年3月至2020年2月CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的參數(shù)Column_Optical_Depth_Tropospheric_Aerosols_532按季節(jié)進(jìn)行平均(圖3)。本研究中,季節(jié)采用的劃分標(biāo)準(zhǔn)是:3月至5月為春季,6月至8月為夏季,9月至11月為秋季,12月至次年2月為冬季。

      圖3 2010年3月至2020年2月沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)平均值分布

      由圖3中CALIPSO數(shù)據(jù)可以看出:①沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度分布大致為北高南低。氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)主要集中在華北平原、華東北部和華中北部地區(qū);低值區(qū)主要集中在沿海區(qū)域南部及沿海區(qū)域最北部地區(qū),即南海海域及41°N~42°N區(qū)域。②沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度存在明顯的季節(jié)性變化特點(diǎn)。春季高值區(qū)范圍為31°N~39°N,主要包括山東、河南、山西、江蘇、安徽北部及河北南部地區(qū),同時(shí),黃海海域氣溶膠光學(xué)厚度也比較高;廣東、浙江、福建、江西、湖南、遼寧及渤海地區(qū)相對(duì)低一點(diǎn),其平均值主要集中在0.4左右;春季低值區(qū)主要集中在沿海區(qū)域南部,平均值為0.3左右。夏季高值區(qū)范圍小于春季,南北差異比較明顯,山東、河南、山西、江蘇、安徽北部及河北南部地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度在夏季達(dá)到全年最高,其平均值最高為0.5左右,但夏季沿海區(qū)域南部地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度相對(duì)于其他季節(jié)較低,南部海域平均值最低,東南部氣溶膠光學(xué)厚度也相對(duì)于其他季節(jié)較低;以29°N為分界線,北部氣溶膠光學(xué)厚度大部分在0.40以上,南部均值大部分在0.35以下。秋季和冬季氣溶膠光學(xué)厚度分布類似,在沿海區(qū)域南部及41°N ~42°N區(qū)域內(nèi)氣溶膠光學(xué)厚度小于春季;秋季和冬季氣溶膠高值區(qū)相對(duì)于春季往南偏移,同時(shí),秋季和冬季河北及山西地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度小于春季;江西、湖南、湖北及廣東北部地區(qū)秋季的氣溶膠光學(xué)厚度比春季略高,南海海域秋季氣溶膠光學(xué)厚度相對(duì)于春季和冬季來說偏小。

      2.2.2 氣溶膠三維分布特征

      為更直觀地反映沿海區(qū)域氣溶膠的分布特征,繪制了空間三維分布圖。根據(jù)沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度空間分布特征選取沿海區(qū)域南部、中部和北部3個(gè)代表性緯度剖面進(jìn)行分析,即21°N、30°N、39°N作緯向平均,得到了沿海區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)(圖4)、退偏比(圖5)和色比(圖6)三維分布的季節(jié)變化。

      圖4 氣溶膠消光系數(shù)的三維分布

      圖5 氣溶膠退偏比的三維分布

      圖6 氣溶膠色比的三維分布

      由圖4可以看出,從水平方向上來看,沿海區(qū)域南部氣溶膠消光系數(shù)小于中部和北部,整個(gè)沿海區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)隨高度遞減,這表明總氣溶膠濃度隨高度的增加而減小。沿海區(qū)域北部氣溶膠消光系數(shù)垂直分布的季節(jié)變化不明顯,除了春季相對(duì)于其他季節(jié)范圍較大外,主要集中于5 km以下。沿海區(qū)域北部,河北中部及天津地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)較大,2 km以下氣溶膠消光系數(shù)超過了0.2 km-1;渤海及遼寧地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)較小,且變化不大;山西北部地區(qū)氣溶膠消光主要出現(xiàn)在1 km以上(相對(duì)于海平面的海拔高度而言),1 km以下無氣溶膠層,主要是因?yàn)樯轿鞯貐^(qū)平均海拔在1 km左右。沿海區(qū)域中部,浙江北部、湖北及安徽南部氣溶膠消光系數(shù)呈現(xiàn)秋季、冬季高,春季、夏季低的特征,秋季和冬季氣溶膠消光系數(shù)出現(xiàn)高值的范圍大于沿海區(qū)域北部,可能因?yàn)殛懙孛娣e較大,中部中東海海域氣溶膠消光系數(shù)較小。沿海區(qū)域南部,春季氣溶膠消光系數(shù)范圍最大,主要位于6 km以下,但氣溶膠消光系數(shù)較小,主要在0.10 km-1以下;夏季氣溶膠范圍最小,主要位于2 km以下;秋季和冬季氣溶膠消光系數(shù)有所增大(約為0.15 km-1)。

      由圖5可以看出:沿海區(qū)域北部氣溶膠退偏比相對(duì)較大,河北中部及天津地區(qū)春季退偏比最大,其次是秋季和冬季,夏季退偏比最小。這說明春季主要以非球形氣溶膠粒子為主,可能有外地沙塵的輸入,導(dǎo)致退偏比較大;夏季主要以球形氣溶膠顆粒為主。沿海區(qū)域中部春季、夏季和秋季氣溶膠退偏比都較小,冬季在2 km以上氣溶膠退偏比較大,推斷該區(qū)域氣溶膠可能有外來輸入源。沿海區(qū)域南部全年整體氣溶膠退偏比較小,這說明因海洋相對(duì)濕度大,導(dǎo)致氣溶膠粒子形狀偏球形。

      由圖6可以看出:沿海區(qū)域北部春季氣溶膠色比最大,這說明春季氣溶膠粒子顆粒較大,其次是秋季和冬季,夏季氣溶膠色比較小,這說明夏季氣溶膠顆粒較小,同時(shí),冬季天津及渤海海域氣溶膠色比較大。沿海區(qū)域中部氣溶膠色比在春季、夏季、秋季相對(duì)于北部都較小,氣溶膠顆粒偏小,冬季在2 km以上出現(xiàn)了較大顆粒氣溶膠。沿海區(qū)域南部夏季氣溶膠色比達(dá)到0.8,高于中部和北部(0.4左右),這說明夏季沿海區(qū)域南部氣溶膠顆粒較大;其他季節(jié)整體也大于沿海區(qū)域中部,這可能因?yàn)楹{}氣溶膠較多,其主要分布在沿海地區(qū)及海區(qū),也是對(duì)流層中最大的顆粒物來源[52]。

      2.3 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性時(shí)空特征分析

      2.3.1 氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)特征

      對(duì)京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域CALIPSO氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)提取分析,將這兩個(gè)典型區(qū)域2010年3月至2020年2月數(shù)據(jù)按月進(jìn)行平均,得到了10年氣溶膠光學(xué)厚度的月均值(圖7)和四季變化趨勢(shì)(圖8)。由圖7可以看出,京津區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度總體來說比珠江三角洲區(qū)域高,京津區(qū)域7月氣溶膠光學(xué)厚度月均值達(dá)到了最大(0.89),1月最小(0.28)。由圖8可以看出:2010年3月至2020年2月這10年間,除了2010、2014和2015年,京津區(qū)域其他年份春季氣溶膠光學(xué)厚度年均值都高于珠江三角洲區(qū)域,珠江三角洲區(qū)域2010和2011年氣溶膠光學(xué)厚度年均值較高(高于0.5),其他年份春季氣溶膠光學(xué)厚度年均值都在0.4左右;京津區(qū)域夏季氣溶膠光學(xué)厚度年均值整體高于珠江三角洲區(qū)域,2010和2011年這兩個(gè)典型區(qū)域差距最明顯;珠江三角洲區(qū)域秋季和春季變化趨勢(shì)相似,其氣溶膠光學(xué)厚度年均值大部分也小于京津區(qū)域,秋季年均值2010和2016年大于0.5,2015年最小;京津區(qū)域冬季氣溶膠光學(xué)厚度年均值都要高于珠江三角洲區(qū)域,珠江三角洲區(qū)域冬季年均值都小于0.4,相比于其他季節(jié)波動(dòng)較小。

      圖7 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度月均值分布

      圖8 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度四季變化趨勢(shì)

      通過CALIPSO數(shù)據(jù)計(jì)算得到京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域10年的月均值和四季年均值(表3)。由表3可以看出,京津區(qū)域在春季和夏季氣溶膠光學(xué)厚度高于秋季和冬季,這與沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)分布特征一致。珠江三角洲區(qū)域在1月和3月氣溶膠光學(xué)厚度月均值與京津區(qū)域差值最小。此外,珠江三角洲區(qū)域春季氣溶膠光學(xué)厚度最高,其次是秋季,而冬季和夏季都偏低;這兩個(gè)典型區(qū)域夏季年均值相差最大,京津區(qū)域?yàn)?.74,珠江三角洲區(qū)域?yàn)?.28;夏季珠江三角洲區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度偏低,可能是因?yàn)榻邓黾樱鄬?duì)濕度較大,氣溶膠粒子沉降。

      表3 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度月均值及四季平均值

      2.3.2 氣溶膠光學(xué)厚度年際變化

      根據(jù)2010年3月至2020年2月氣溶膠光學(xué)厚度年際變化(圖9)分析發(fā)現(xiàn),京津區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度總體來說高于珠江三角洲區(qū)域。京津區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度高值一般出現(xiàn)在夏季,2010年夏季高于其他年份,氣溶膠光學(xué)厚度整體呈現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)下降的趨勢(shì),2015年氣溶膠光學(xué)厚度整體較小,到2016年整體開始增加,隨后又波動(dòng)減小。京津區(qū)域2010年7月和2016年3月氣溶膠光學(xué)厚度平均值較高,都超過了1.2。京津區(qū)域平均值最低出現(xiàn)在2011年3月和2019年8月,分別為0.11和0.07。同時(shí),從圖9可以看出每年冬季氣溶膠光學(xué)厚度平均值都較低。 珠江三角洲區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度平均值較高的月份都是在春季,2010年3月氣溶膠光學(xué)厚度平均值最高,達(dá)到了1.20,其次是2012年3月,同時(shí),春季3月逐年降低,到2019年3月氣溶膠光學(xué)厚度只有0.33,秋季平均值小于春季,相對(duì)于冬季和夏季較高,并且夏季平均值都較小,2015年6月平均值就只有0.08;相對(duì)于其他年份,2010和2016年整體氣溶膠光學(xué)厚度較大;2018年后,氣溶膠光學(xué)厚度整體減小較明顯且年際變化波動(dòng)較小。

      圖9 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度年際變化

      2.3.3 氣溶膠光學(xué)特征垂直對(duì)比分析

      為了更好地了解沿海區(qū)域京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域氣溶膠垂直分布特征,利用CALIPSO氣溶膠消光系數(shù)、退偏比和色比月均時(shí)間序列,揭示了這兩個(gè)典型區(qū)域氣溶膠垂直分布的季節(jié)和年際變化。京津區(qū)域2010年3月至2020年2月波長(zhǎng)532 nm處氣溶膠消光系數(shù)月均時(shí)間序列如圖10所示,氣溶膠消光主要集中在4 km以下,氣溶膠消光系數(shù)主要為0.2~0.4 km-1,到2017年后開始逐漸減少。京津區(qū)域每年夏季氣溶膠消光系數(shù)最大,比較明顯的是2010、2011、2014和2015年,這與氣溶膠光學(xué)厚度變化規(guī)律相同。同時(shí),2011年冬季3~4 km處氣溶膠消光系數(shù)較大,2011和2014年秋季近地面氣溶膠消光系數(shù)也較大。珠江三角洲區(qū)域整體氣溶膠消光系數(shù)(圖11)都小于京津區(qū)域,其氣溶膠消光系數(shù)主要為0.1~0.3 km-1,春季氣溶膠消光系數(shù)較大,其他季節(jié)大部分都小于0.2 km-1。春季氣溶膠消光系數(shù)高值區(qū)一般在2 km以下,2010、2012和2016年春季氣溶膠消光系數(shù)較大,2011年冬季氣溶膠消光系數(shù)大于2011年其他季節(jié)。

      圖10 京津區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)時(shí)間序列

      圖11 珠江三角洲區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)時(shí)間序列

      圖12和13分別是2010年3月至2020年2月京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域氣溶膠粒子退偏比的時(shí)間序列。從圖12可以看出:京津區(qū)域春季氣溶膠退偏比普遍較大,說明春季以不規(guī)則顆粒氣溶膠為主;2018年春季近地面氣溶膠退偏比大于其他年份;此外,2019年春季氣溶膠退偏比也較大。京津區(qū)域夏季氣溶膠退偏比整體偏小,但夏季消光較高,這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)燃燒氣溶膠的增加,2018年冬季氣溶膠退偏比較大,說明氣溶膠以非球形顆粒為主。根據(jù)垂直分布來看,氣溶膠退偏比隨著高度的增加大體上也呈現(xiàn)增加趨勢(shì),大概有90%的高值分布于2 km以上的高空中,說明該區(qū)域形狀規(guī)則的大氣氣溶膠粒子主要分布于最低層的0~2 km。從圖13可以看出:珠江三角洲區(qū)域春季和冬季的氣溶膠退偏比大于其他季節(jié),其次較大的是冬季;2013和2014年夏季氣溶膠退偏比也較大??傮w來說,珠江三角洲區(qū)域氣溶膠退偏比小于京津區(qū)域,氣溶膠形狀較規(guī)則且氣溶膠也主要分布在高度4 km以下,這可能因?yàn)樵搮^(qū)域靠近海洋,空氣濕度也較大,導(dǎo)致粒子形狀偏球形。

      圖12 京津區(qū)域氣溶膠退偏比時(shí)間序列

      圖13 珠江三角洲區(qū)域氣溶膠退偏比時(shí)間序列

      由圖14可知,京津區(qū)域氣溶膠色比整體為0.6~2.0。0~4 km高度上的氣溶膠色比與其他高度相比整體上偏低,表明4 km以下的顆粒物較小,非球形特征不明顯;與其他年份相比,同一高度層上2015和2018年高于其他年份。京津區(qū)域2010、2018和2019年春季氣溶膠色比整體偏大,其變化跟退偏比類似。其中,春季氣溶膠色比也偏大,這表明春季顆粒物較大,非球形特征較明顯。如圖15所示,珠江三角洲區(qū)域春季氣溶膠色比也較大,其次是秋季和冬季。珠江三角洲區(qū)域整體氣溶膠色比跟京津區(qū)域差距較小,主要集中在0.6~1.2,這說明珠江三角洲區(qū)域整體氣溶膠顆粒偏大。2 km高度以上出現(xiàn)了較大氣溶膠色比,表明高空顆粒物尺寸大于近地面,2017年夏季和2019年春季近地面顆粒物也較大。

      圖14 京津區(qū)域氣溶膠色比時(shí)間序列

      圖15 珠江三角洲區(qū)域氣溶膠色比時(shí)間序列

      3 結(jié) 語(yǔ)

      (1)沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)主要集中在華北平原、華東北部和華中北部地區(qū),低值區(qū)主要集中在沿海區(qū)域南部及沿海區(qū)域最北部地區(qū),這可能是因?yàn)楸狈綒夂蚋稍?,靠近沙塵源地。沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)。夏季北部和南部差值最大,北部氣溶膠光學(xué)厚度達(dá)到全年最高,南部氣溶膠光學(xué)厚度比其他季節(jié)低;秋季和冬季氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)有往南偏移的趨勢(shì)。

      (2)沿海區(qū)域北部的天津及河北中部相對(duì)于同緯度地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)偏大,消光范圍主要在5 km以下;氣溶膠退偏比和色比都偏大且都是春季最大,這說明沿海區(qū)域北部主要以非球形大顆粒氣溶膠為主。沿海區(qū)域中部秋季和冬季氣溶膠消光系數(shù)比較大且范圍大于沿海區(qū)域北部,夏季和春季氣溶膠消光系數(shù)較小,氣溶膠色比和退偏比都小于沿海區(qū)域北部。沿海區(qū)域南部全年氣溶膠消光系數(shù)較小,除了春季,其他季節(jié)氣溶膠消光主要集中于2 km以下,氣溶膠退偏比全年較小,但是氣溶膠色比相對(duì)較大,夏季氣溶膠色比大于北部和中部,說明沿海區(qū)域南部氣溶膠顆粒較大。

      (3)京津區(qū)域整體氣溶膠光學(xué)厚度比珠江三角洲區(qū)域高。京津區(qū)域夏季氣溶膠光學(xué)厚度平均值最高,為0.74;珠江三角洲區(qū)域春季氣溶膠光學(xué)厚度平均值最高,為0.45,其次是秋季,而夏季和冬季都較低。2010年3月至2020年2月,這兩個(gè)典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度都呈現(xiàn)一個(gè)逐漸減小的趨勢(shì),珠江三角洲區(qū)域年際變化波動(dòng)較小。

      (4)京津區(qū)域氣溶膠消光主要集中在4 km以下,每年氣溶膠消光系數(shù)都偏大,其高值集中于夏季,2017年后開始逐漸減少;氣溶膠退偏比、色比相對(duì)較大,兩者隨著高度的增加大體上也呈現(xiàn)增加趨勢(shì),且主要以非球形大顆粒氣溶膠為主。珠江三角洲區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)整體小于京津區(qū)域,春季氣溶膠消光系數(shù)較大,氣溶膠退偏比較小,粒子偏球形,但氣溶膠色比較大,說明粒子顆粒比較大。

      (5)本文開展的沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性時(shí)空特征研究主要是基于數(shù)據(jù)進(jìn)行了現(xiàn)象及特征分析,尚缺乏一定的機(jī)理成因探討,在后續(xù)的研究工作中將進(jìn)行深層次的成因剖析研究。

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