張志薇,王宏斌,張 鐳,胡 蝶,田鵬飛,梁捷寧,王式功

(1.蘭州大學(xué)半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大氣科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州730000；2.江蘇省氣象服務(wù)中心,江蘇 南京210008；3.江蘇省氣象科學(xué)研究所,江蘇 南京210009；4.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅 蘭州730020)

中國3個(gè)AERONET站點(diǎn)氣溶膠微物理特性分析及比較

張志薇1,2,王宏斌3,張 鐳1*,胡 蝶4,田鵬飛1,梁捷寧1,王式功1

(1.蘭州大學(xué)半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大氣科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州730000；2.江蘇省氣象服務(wù)中心,江蘇 南京210008；3.江蘇省氣象科學(xué)研究所,江蘇 南京210009；4.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅 蘭州730020)

選取中國地區(qū)區(qū)域代表性較強(qiáng)且觀測時(shí)間序列較長的3個(gè)AERONET站點(diǎn)(SACOL、香河和太湖),分析了其氣溶膠微物理參數(shù)特征. 香河和太湖多年平均氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)分別為0.67±0.66和0.72±0.44,是SACOL AOD平均值(0.38±0.27)的近2倍,且AOD變化范圍較大. SACOL春冬季AOD較大,夏秋季AOD較小;而香河和太湖夏春季較大,秋冬季較小.結(jié)合尺度分布、體積濃度等參數(shù)特征說明沙塵是SACOL春季最主要的氣溶膠類型,香河春季受沙塵的影響也較嚴(yán)重,而太湖受沙塵影響的頻率較香河要小的多;香河和太湖AOD最大值出現(xiàn)月份與細(xì)模態(tài)粒子體積濃度最大值出現(xiàn)月份一致,是由于細(xì)模態(tài)粒子的消光效率是粗模態(tài)粒子的3～4倍.細(xì)模態(tài)體積比(Vf/Vt)的年變化趨勢與?ngstr?m波長指數(shù)(α)的年變化趨勢相似,Vf/Vt和α均可以用來分析粒子尺度大小的年變化特征.但α<0.75時(shí),3個(gè)站點(diǎn)Vf/Vt均小于0.4,以粗模態(tài)粒子為主; α>1.7時(shí),Vf/Vt大于0.6,以細(xì)模態(tài)粒子為主;而0.75<α<1.7時(shí),也是α出現(xiàn)概率最高的區(qū)間,3個(gè)站點(diǎn)Vf/Vt均在0.1～0.8之間變化.

氣溶膠光學(xué)厚度；體積濃度；細(xì)模態(tài)體積比；?ngstr?m波長指數(shù)

大氣氣溶膠作為地氣系統(tǒng)的重要組成部分,其直接散射和吸收太陽輻射影響氣候系統(tǒng)的輻射平衡(直接效應(yīng));同時(shí)作為云凝結(jié)核,可以改變云的物理和微物理特征(云反照率、云壽命、云水路徑等)進(jìn)而改變云的輻射特征,影響太陽能在氣候系統(tǒng)中的分配(間接效應(yīng))[1-3];除此,吸收性氣溶膠會將其吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苤匦箩尫?影響大氣穩(wěn)定度、地表能量收支,并可能導(dǎo)致云滴蒸發(fā),造成云反照率和云量的減小,進(jìn)而影響氣候[4-5].除此,大氣氣溶膠對環(huán)境和人體健康有重要影響,如嚴(yán)重降低能見度[6-7]、對人體肺功能造成損傷等[8].與溫室氣體不同,氣溶膠氣候和環(huán)境效應(yīng)的評估非常困難,因?yàn)闅馊苣z是由不同形狀、尺度分布、化學(xué)組成和光學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)構(gòu)成的,同時(shí)它們濃度的時(shí)空變化可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級且其時(shí)空變化的觀測資料較少[9-12].

政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)第四次科學(xué)評估報(bào)告[13]對大氣氣溶膠輻射效應(yīng)理解和評估比之前三次報(bào)告準(zhǔn)確.研究表明大多數(shù)氣候模式低估了人為氣溶膠導(dǎo)致的負(fù)強(qiáng)迫[14].而大氣氣溶膠光學(xué)和微物理特性的長期觀測對這些結(jié)果的得到有著至關(guān)重要的作用.長期系統(tǒng)的氣溶膠光學(xué)和微物理特性觀測資料不僅是認(rèn)識區(qū)域氣溶膠特性的重要依據(jù),而且是定量研究氣溶膠環(huán)境和輻射效應(yīng)的重要基礎(chǔ).目前在全球范圍內(nèi)已建立了多個(gè)氣溶膠觀測網(wǎng),如 AERONET[15]、PFR-GAW和SKYNET[16]等.

目前對中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)和微物理特性及其區(qū)域差異的認(rèn)識還有很大的不確定性,從而限制了中國地區(qū)衛(wèi)星資料的應(yīng)用和對氣溶膠環(huán)境和輻射效應(yīng)的認(rèn)識.氣溶膠的光學(xué)特性與其尺度分布有很強(qiáng)的依賴性,任何可能影響其尺度分布的因素都有可能影響其光學(xué)特性的變化,如相對濕度的變化會引起吸濕性氣溶膠單次散射反照率和不對稱因子的變化[17-18].因此對氣溶膠尺度分布、體積濃度、細(xì)模態(tài)粒子體積比和有效半徑等微物理特性的分析有助于增強(qiáng)對其環(huán)境和輻射效應(yīng)的認(rèn)識.本文選取中國地區(qū)區(qū)域代表性較強(qiáng)且觀測時(shí)間序列較長的3個(gè)AERONET站點(diǎn)(蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站(SACOL)、香河和太湖)分析其氣溶膠微物理參數(shù)特征及區(qū)域差異.

1 站點(diǎn)與數(shù)據(jù)

AERONET是美國國家宇航局(NASA)和法國國家科學(xué)研究中心(CNRS)共同組建的全球數(shù)百個(gè)太陽光度計(jì)組成的氣溶膠監(jiān)測網(wǎng),其觀測數(shù)據(jù)精度較高,氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)觀測誤差為0.01～0.02.其對全球和區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性、環(huán)境和輻射效應(yīng)、衛(wèi)星遙感和數(shù)值模式產(chǎn)品的驗(yàn)證和評估等方面的研究發(fā)揮了重要作用.

AERONET反演算法[19-20]根據(jù)太陽光度計(jì)測量得到的太陽直接輻射和天空散射輻射可以提供大氣柱中的氣溶膠光學(xué)特性.利用太陽光度計(jì)測得的直接輻射數(shù)據(jù)可以計(jì)算各波段的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)和 ?ngstr?m 波長指數(shù)(α)[21].利用440,675,870,1020nm波長的等高度角天空掃描輻射數(shù)據(jù)結(jié)合相應(yīng)波段的 AOD數(shù)據(jù),可以得到氣溶膠粒子尺度分布和復(fù)折射指數(shù).在此基礎(chǔ)上,AERONET還提供了其他一些參數(shù),如體積濃度、細(xì)粒子體積比、有效半徑、單次散射反照率、相函數(shù)等.

選取的站點(diǎn)是中國地區(qū)區(qū)域代表性較強(qiáng)且觀測時(shí)間序列較長的SACOL、香河和太湖3個(gè)AERONET站點(diǎn),站點(diǎn)信息見表1.SACOL位于甘肅中部的榆中縣,距蘭州市48km,地處西北黃土高原半干旱區(qū),下墊面屬典型的黃土高原地貌,源面梁峁基本為原生植被;香河站位于華北平原,距北京市70km,屬城市遠(yuǎn)郊站點(diǎn),站點(diǎn)周圍為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),地表植被覆蓋較好;太湖站位于太湖北側(cè)湖岸,屬長江三角洲地區(qū),距無錫市12km,距蘇州市40km,被上海、杭州、南京、蘇州和無錫等大城市包圍,是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū)之一.

表1 AERONET站點(diǎn)信息及AOD數(shù)據(jù)樣本數(shù)Table1 Introduction of AERONET sites and the number of AOD data samples

2 結(jié)果分析

2.1 氣溶膠光學(xué)厚度AOD和?ngstr?m波長指數(shù)α

圖1為SACOL、香河和太湖3個(gè)AERONET站點(diǎn) AOD(550nm)、?ngstr?m 波長指數(shù)α440-870和大氣柱可降水量的年變化.AERONET公布的數(shù)據(jù)沒有550nm的AOD產(chǎn)品,利用其觀測的其他波段 AOD數(shù)據(jù),采用二次多項(xiàng)式擬合算法[22]求得550nm的 AOD.α440-870是利用波長在440到870nm范圍內(nèi)的可用的AOD數(shù)據(jù)與對應(yīng)波長對?ngstr?m波長指數(shù)公式進(jìn)行線性擬合得到的.

由圖1a可見,SACOL站AOD550具有明顯的年變化,年均值為0.38±0.27,4月 AOD550達(dá)到最大值,為0.52±0.35,9月達(dá)到最小值,為0.25±0.12;從季節(jié)變化上看,春季最大(0.46),冬季次之(0.45),秋季最小(0.27).α440-870也具有明顯的年變化,年平均值為0.88±0.34,4月達(dá)到最小值,為0.54±0.33,7月達(dá)到最大值為1.14±0.29;從季節(jié)變化上看,春季(0.60)明顯小于其他季節(jié),冬季較大(0.87),夏秋季分別為1.06和1.04.SACOL春季受沙塵影響非常嚴(yán)重,導(dǎo)致 AOD在春季達(dá)到最大,沙塵主要為大粒子氣溶膠,使得α在春季達(dá)到最小值.SACOL冬季AOD較大是由中國北方冬季燃煤取暖生成的煤煙型氣溶膠導(dǎo)致的.大氣柱可降水量同樣具有顯著的年變化,6～9月平均值超過1.2cm,其他月份小于1.0cm.

香河站 AOD550的年平均值為0.67±0.66,最大值出現(xiàn)在7月,為1.13±0.94,最小值出現(xiàn)在12月,為0.41±0.40.從季節(jié)變化上看,夏季最大(1.03),春季次之(0.68),冬季最小(0.47).α440-870年平均值為1.09±0.32,只有4月和5月略小于1,其他月份均大于1.可見香河站春季,雖然受到來自中國西部和蒙古戈壁沙漠沙塵的影響,但仍以工業(yè)燃燒和城市污染產(chǎn)生的細(xì)粒子為主.香河 AOD夏季最大,是由于夏季風(fēng)的作用阻礙了北方沙塵對該地區(qū)的影響,導(dǎo)致人為氣溶膠的排放成為其夏季AOD值過高的主要原因.由于華北沿海地區(qū)夏季溫濕度較高,有利于氣粒轉(zhuǎn)化,同時(shí)利于增大吸濕性氣溶膠的平均粒徑,從而增加粒子消光效率,最終導(dǎo)致AOD值增大.大氣柱可降水量6～9月平均值超過1.8cm,其他月份小于1.4cm.

太湖站 AOD550年變化不明顯,平均值為0.72±0.44,最大值出現(xiàn)在6月,為1.12±0.64,最小值出現(xiàn)在12月,為0.56±0.29.α440-870在4月達(dá)到最小值,為0.99,9月份最大,為1.34.由此可見,太湖站在春季也會受到沙塵的影響,但沙塵并不是其主要的氣溶膠來源.夏季出現(xiàn)的主要是由于氣粒轉(zhuǎn)化過程生成的細(xì)模態(tài)氣溶膠粒子.太湖站,大氣柱可降水量也具有明顯的年變化,6～9月平均值超過3cm,其他月份小于2.0cm,高溫高濕時(shí)氣溶膠的吸濕性增長導(dǎo)致的消光效率的增加也可能是AOD增大的原因之一.

圖2為3個(gè)AERONET站點(diǎn)AOD、?ngstr?m波長指數(shù)α和柱可降水量的頻率分布,豎實(shí)線表示平均值,豎虛線表示中值.位于中國東部的香河和太湖2個(gè)站點(diǎn),AOD大值出現(xiàn)的頻率明顯高于位于中國西北的SACOL站,而SACOL站α小值出現(xiàn)的頻率明顯高于其他兩個(gè)站點(diǎn),香河站α小值出現(xiàn)的頻率高于太湖站.這是因?yàn)橹袊鴸|部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),工業(yè)、交通排放的人為氣溶膠較多,從而導(dǎo)致了較大的AOD和較大的α值(細(xì)粒子).而位于中國西北黃土高原半干旱區(qū)的 SACOL站,受人類活動的影響相對較小,春季主要受沙塵氣溶膠的影響,冬季由于中國北方燃煤取暖,受到煤煙型氣溶膠的影響,從而導(dǎo)致 SACOL站春冬季AOD出現(xiàn)大值的頻率高于夏秋季,但不同的是春季,SACOL站α出現(xiàn)小值的頻率明顯增大,而冬季α值較大,這一特征在季節(jié)頻率圖上更明顯(未顯示).如SACOL春、夏、秋、冬α小于0.75的頻率分別為70%、20%、14%、35%.

圖1 AERONET站點(diǎn)觀測的AOD(550nm)、波長指數(shù)α440-870和柱可降水量的年變化Fig.1 Monthly means of AOD (550nm), Angstrom exponent (α440-870), and precipitable water computed from multiyear monitoring at AERONET sites located in SACOL, Xianghe and Taihu

2.2 氣溶膠粒子尺度譜分布

AERONET反演算法可以得到0.05～15.0μm范圍內(nèi)22個(gè)對數(shù)等間距的半徑處的粒子體積濃度,從而得到氣溶膠粒子體積尺度譜分布(dV/dlnR).

圖3為3個(gè)AERONET站點(diǎn)多年平均的氣溶膠粒子體積尺度譜分布.3個(gè)站點(diǎn)粒子體積尺度譜分布均為雙峰型,SACOL站細(xì)模態(tài)的峰值較小,以粗模態(tài)粒子為主;香河站粗模態(tài)峰值最大,且粗模態(tài)峰值大于其細(xì)模態(tài)峰值;太湖站細(xì)模態(tài)峰值最大,且其細(xì)模態(tài)的峰值略大于粗模態(tài)的峰值.

圖4a是SACOL站各月多年平均的氣溶膠粒子尺度分布.SACOL站粗模態(tài)粒子的濃度年變化遠(yuǎn)大于細(xì)模態(tài)粒子,如粗模態(tài)的峰值從0.028μm3/ μm2(9月)變化到0.211μm3/μm2(4月),變化幅度為0.183μm3/μm2;細(xì)模態(tài)的峰值從0.020μm3/μm2(9月)變化到0.029μm3/μm2(2月),變化幅度為0.009μm3/ μm2.春季(3、4和5月)粗模態(tài)粒子濃度顯著大于細(xì)模態(tài)粒子濃度,冬季(12、1和2月)粗模態(tài)的粒子濃度小于春季粗模態(tài)的粒子濃度,但明顯大于其對應(yīng)月份的細(xì)模態(tài)粒子濃度.粗模態(tài)和細(xì)模態(tài)的粒子體積尺度分布最小值均出現(xiàn)在9月,這與SACOL站AOD的最小值出現(xiàn)月份一致.粗模態(tài)的最大值出現(xiàn)在4月為0.211μm3/μm2,而4月細(xì)模態(tài)的峰值僅為0.027μm3/μm2,此時(shí)粗模態(tài)對AOD的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位,而4月的平均α最小,為0.54±0.33,也說明了這一點(diǎn).

香河站(圖4b),粗模態(tài)粒子濃度峰值在春季均較大,最大值出現(xiàn)在4月,為0.169μm3/μm2,而7月的粗模態(tài)濃度峰值最小,為0.039μm3/μm2;細(xì)模態(tài)粒子濃度峰值在夏季均較大,最大值出現(xiàn)在7月,為0.099μm3/μm2,而1月的細(xì)模態(tài)濃度峰值最小,為0.040μm3/μm2.值得注意的是,4月份的粗模態(tài)粒子濃度大于7月份的細(xì)模態(tài)粒子濃度,但AOD的最大值出現(xiàn)在7月份.4月份高的粗模態(tài)粒子濃度與α的最小值出現(xiàn)在4月份對應(yīng).同時(shí)還注意到,各月份粗模態(tài)粒子濃度峰值對應(yīng)的粒子半徑(模態(tài)半徑)基本不變;而細(xì)模態(tài)粒子濃度峰值對應(yīng)的半徑則從0.15μm(1月)變化到0.33μm(7月),細(xì)模態(tài)粒子濃度峰值隨著細(xì)模態(tài)半徑的增加而增加.

圖2 三個(gè)AERONET站點(diǎn)AOD、?ngstr?m波長指數(shù)和柱可降水量的頻率分布Fig.2 Frequency of AOD at550nm wavelength, ?ngstr?m exponent, and precipitable water

圖3 三個(gè)AERONET站點(diǎn)多年平均的氣溶膠粒子體積尺度譜分布Fig.3 Multi-annual average of volume particle size distribution at SACOL, Xianghe, and Tiahu sites

太湖站(圖4c),粗細(xì)模態(tài)粒子濃度的峰值相當(dāng),粗模態(tài)粒子濃度峰值同樣在春季較大,最大值出現(xiàn)在4月,為0.121μm3/μm2,最小值出現(xiàn)在7月,為0.026μm3/μm2;細(xì)模態(tài)粒子濃度峰值在6月最大,為0.126μm3/μm2,在7月最小,為0.057μm3/μm2.太湖站AOD最大值出現(xiàn)月份(6月)與細(xì)模態(tài)粒子濃度峰值的最大值出現(xiàn)月份一致.

2.3 氣溶膠粒子體積濃度

氣溶膠粒子體積濃度根據(jù)(1)式計(jì)算.表2中列出了AOD550、α440-870、總體積濃度VolCon-T、細(xì)模態(tài)(粒子半徑r為0.05～0.6μm)體積濃度VolCon-F、粗模態(tài)(粒子半徑 r為0.6～15μm)體積濃度VolCon-C和細(xì)模態(tài)體積比(Vf/Vt)等參數(shù)統(tǒng)計(jì)值.其中細(xì)模態(tài)體積比定義為細(xì)模態(tài)體積濃度與總體積濃度之比,即Vf/Vt=VolCon-F/VolCon-T.

SACOL站,總、細(xì)模態(tài)和粗模態(tài)粒子體積濃度分別為0.18、0.041和0.13 μm3/μm2,且其標(biāo)準(zhǔn)差均達(dá)到自身的量級,說明數(shù)據(jù)變化范圍較大.總粒子體積濃度的平均值和中值分別為0.18和0.13μm3/μm2,變化達(dá)到0.05μm3/μm2(28%).中值小于平均值,說明總粒子體積濃度小于平均值的情況出現(xiàn)的次數(shù)比較多.總粒子體積濃度大于平均值的情況(粗模態(tài)粒子)出現(xiàn)次數(shù)雖然較少,但其對總體積濃度的貢獻(xiàn)達(dá)到72%,粗模態(tài)粒子(沙塵)對SACOL站的影響非常重要,甚至可以決定該站氣溶膠總體特征.

圖4 三個(gè)AERONET站點(diǎn)各月多年平均的氣溶膠粒子尺度分布Fig.4 Multi-annual monthly average of volume particle size distribution at SACOL, Xianghe, and Tiahu sites

表2 三個(gè)AERONET站點(diǎn)AOD550、α440-870、體積濃度和細(xì)模態(tài)體積比等參數(shù)統(tǒng)計(jì)值Table2 Statistical parameters of AOD at550nm, α440-870, volume particle concentration (VolCon) of total, fine and coarse mode, and fine mode volume fraction (Vf/Vt) at SACOL, Xianghe and Taihu sites

圖5a是SACOL站氣溶膠體積濃度和細(xì)模態(tài)粒子體積比的年變化.SACOL總體積濃度和粗模態(tài)體積濃度具有明顯的年變化,且變化趨勢一致,均是9月最小(0.09和0.06μm3/μm2),自9月起增加到4月到達(dá)最大(分別為0.37和0.33μm3/ μm2),之后不斷減小.而細(xì)模態(tài)體積濃度年變化非常小,最小值出現(xiàn)在9月(0.030μm3/μm2),最大值出現(xiàn)在1月(0.052μm3/μm2).

香河站,總粒子、細(xì)模態(tài)和粗模態(tài)粒子體積濃度分別為0.22、0.082和0.14μm3/μm2.圖5b顯示,總粒子、粗模態(tài)和細(xì)模態(tài)粒子體積濃度均具有明顯的年變化.總粒子和粗模態(tài)粒子體積濃度最大值出現(xiàn)在4月(0.33和0.25μm3/μm2),總粒子體積濃度最小值出現(xiàn)在1月(0.16μm3/μm2),粗模態(tài)粒子體積濃度最小值出現(xiàn)在7月(0.066μm3/ μm2).細(xì)模態(tài)粒子體積濃度最大值出現(xiàn)在7月(0.16μm3/μm2),最小值出現(xiàn)在12月(0.064μm3/ μm2).

圖5 三個(gè)AERONET站點(diǎn)氣溶膠體積濃度和細(xì)模態(tài)體積比的年變化Fig.5 Multi-annual monthly average of the volume particle concentration total, coarse , fine mode and fine mode volume fraction

太湖站,總粒子、細(xì)模態(tài)和粗模態(tài)粒子體積濃度分別為0.23、0.11和0.12μm3/μm2,粗、細(xì)模態(tài)的體積濃度相當(dāng).從圖5c可以看出,總粒子、粗模態(tài)和細(xì)模態(tài)粒子體積濃度也均具有較明顯的年變化.總體積濃度在4月和6月分別出現(xiàn)極大值 (0.30μm3/μm2),最 小 值 出 現(xiàn) 在 7 月(0.16μm3/μm2).粗模態(tài)體積濃度最大值出現(xiàn)在4月(0.20μm3/μm2),最小值出現(xiàn)在8月(0.052μm3/ μm2).細(xì)模態(tài)體積濃度最大值出現(xiàn)在6月(0.19μm3/μm2),最小值出現(xiàn)在3月(0.090μm3/ μm2).

圖6 三個(gè)AERONET站點(diǎn)不同細(xì)模態(tài)體積比的AOD550與總體積濃度的關(guān)系Fig.6 Scatter plot between AOD550and total volume particle concentration as a function fine mode volume fraction

圖6是3個(gè)AERONET站點(diǎn)在不同細(xì)模態(tài)粒子體積比的 AOD550與總體積濃度的散點(diǎn)圖.根據(jù)細(xì)模態(tài)體積比的分檔,從圖6可以區(qū)分出右下部(深色)代表的沙塵為主粗粒子氣溶膠和左上部(淺色)代表的細(xì)粒子氣溶膠,如大陸型、污染型和生物質(zhì)燃燒型氣溶膠等.每一檔 Vf/Vt對應(yīng)的AOD550與總體積濃度的擬合直線的斜率即為這一檔對應(yīng)氣溶膠的消光效率,即單位體積濃度氣溶膠對應(yīng)的消光(AOD).由此得到SACOL、香河和太湖站的粗粒子平均消光效率分別為:1.44、1.43和1.57μm2/μm3;細(xì)粒子消光效率為分別為:4.64、4.97和4.29μm2/μm3.可見細(xì)粒子的消光效率均高于粗粒子的消光效率,即同樣體積濃度的粗細(xì)粒子,細(xì)粒子氣溶膠的AOD要大3～4倍.2.4 細(xì)模態(tài)體積比

細(xì)模態(tài)體積比定義為細(xì)模態(tài)體積濃度與總體積濃度之比,即 Vf/Vt=VolCon-F/VolCon-T;與?ngstr?m波長指數(shù)α相似,Vf/Vt也可以表征氣溶膠以粗、細(xì)何種模態(tài)為主導(dǎo).α和Vf/Vt的小值代表以粗模態(tài)氣溶膠為主,大值代表以細(xì)模態(tài)氣溶膠為主.

由圖5可見,3個(gè)站點(diǎn)Vf/Vt在春季均出現(xiàn)最小值,這主要是由沙塵的影響造成的.同時(shí)可以看出Vf/Vt的年變化趨勢與圖1中α的年變化趨勢相似,Vf/Vt和α均可以用來說明粒子尺度大小的年變化特征.圖7為細(xì)模態(tài)比的相對頻率和累積頻率的分布.但將圖7(a、b、c)分別與圖2(b、e、h)比較,顯示Vf/Vt的頻率分布特征與α的頻率分布特征并不一致.

圖8為3個(gè)AERONET站點(diǎn)?ngstr?m波長指數(shù)α和細(xì)模態(tài)比的散點(diǎn)圖.由圖可見,當(dāng)α<0.75時(shí),3個(gè)站點(diǎn)Vf/Vt均小于0.4,以粗模態(tài)粒子為主,這種情況在SACOL、香河和太湖出現(xiàn)的概率分別為33%、15%和8%;此時(shí)α的大小可以較好的說明粒子的大小,如當(dāng)α<0.5時(shí),3個(gè)站點(diǎn)Vf/Vt均小于0.2,即粗模態(tài)粒子占了80%以上,這種情況在SACOL、香河和太湖出現(xiàn)的概率分別為16%、6%和2%.當(dāng)α>1.75時(shí),SACOL和太湖Vf/Vt大于0.6,以細(xì)模態(tài)粒子為主,但這一情況出現(xiàn)的概率小于0.5%.而當(dāng)0.75<α<1.7時(shí),也是α出現(xiàn)概率最高的區(qū)間,3個(gè)站點(diǎn)Vf/Vt均在0.1～0.8之間變化,此時(shí)僅利用α無法判斷何種氣溶膠粒子占主導(dǎo)地位.

圖7 細(xì)模態(tài)比的相對頻率和累積頻率的分布Fig.7 Relative and cumulative frequency of fine mode volume fraction

2.5 有效半徑

Hansen等[23]用(2)式定義有效半徑,即以粒子的幾何截面積(πr2)為權(quán)重的平均半徑,并指出有效半徑是球形粒子的任何物理上合理的尺度分布的首要特征參數(shù).有效半徑經(jīng)常被用于涉及尺度分布的計(jì)算中,主要是因?yàn)榍蛐瘟Ｗ拥纳⑸漭椛渑c其幾何截面積成正比,有效半徑與尺度分布的單次散射特性關(guān)系比中值半徑更密切[24-26]也就是說,雖然對數(shù)正態(tài)分布的形式并不統(tǒng)一,但只要?dú)馊苣z尺度分布有相同的有效半徑和半徑譜寬,則具有相近的單次散射反照率.

表3列出了SACOL、香河和太湖氣溶膠站粒子有效半徑的各統(tǒng)計(jì)值.總粒子的有效半徑的平均值在 SACOL最大(0.52μm),香河站居中(0.45μm),太湖站最小(0.34μm).粗模態(tài)粒子有效半徑平均值香河站最大,SACOL居中,太湖站最小.細(xì)模態(tài)粒子有效半徑平均值各站點(diǎn)基本相等.各站總粒子和粗模態(tài)粒子的有效半徑的變化幅度較大,而細(xì)模態(tài)粒子的有效半徑變化很小.總粒子、細(xì)模態(tài)和粗模態(tài)粒子有效半徑的平均值和中值均比較接近,說明氣溶膠粒子的尺度分布比較接近對數(shù)正態(tài)分布.

圖9是總粒子、細(xì)模態(tài)和粗模態(tài)粒子有效半徑的多年月平均值的年變化.各站點(diǎn)總粒子有效半徑的平均值均在春冬季較大,夏秋季較小.SACOL站最大值出現(xiàn)在3、4月,為0.67μm,最小值出現(xiàn)在10月,為0.39μm;香河站最大值出現(xiàn)在4月,為0.67μm,之后減小,至8月出現(xiàn)最小值(0.32μm)后又逐漸增大;太湖站最大值出現(xiàn)在3、4月,為0.41μm,7月減小到最小值,為0.28μm,后逐漸增大.

表3 三個(gè)AERONET氣溶膠粒子有效半徑的統(tǒng)計(jì)值Table3 Statistical values of effective radius for total, fine and coarse mode at SACOL, Xianghe, and Tiahu sites

圖9 三個(gè)AERONET站點(diǎn)氣溶膠粒子有效半徑的年變化Fig.9 Monthly average of the effective radius of total, fine and coarse mode at SACOL, Xianghe, and Taihu sites

細(xì)模態(tài)有效半徑年變化幅度較小.SACOL細(xì)模態(tài)有效半徑春季最小,為0.13μm,冬季最大,為0.17μm.香河春季最小,為0.14μm,而最大值出現(xiàn)在夏季,為0.19μm.太湖與香河類似,春季最小,為0.15μm,夏季最大,為0.19μm.可以看到3個(gè)站點(diǎn)細(xì)模態(tài)有效半徑均在春季最小,而3個(gè)站點(diǎn)春季都受到沙塵的影響,可見由于沙塵氣溶膠的出現(xiàn),會使細(xì)模態(tài)有效半徑有所減小.粗模態(tài)有效半徑年變化不明顯,但可以看到3個(gè)站點(diǎn)粗模態(tài)有效半徑同樣均在春季最小.可見,春季沙塵的入侵,不僅會使細(xì)模態(tài)有效半徑減小,同樣也會使粗模態(tài)的有效半徑減小.

3 結(jié)論

3.1 香河和太湖多年平均 AOD分別為0.67±0.66和0.72±0.44,是SACOL AOD平均值(0.38±0.27)的近2倍,且AOD變化范圍較大.SACOL 春冬季AOD較大,夏秋季AOD較小;而香河和太湖是夏春季較大,秋冬季較小.

3.2 SACOL α明顯小于香河和太湖,且三站春季α值均小于其年平均值,特別是SACOL站要小的多,說明春季沙塵氣溶膠對三站均有影響,且在SACOL影響最為嚴(yán)重,結(jié)合尺度分布特征可以說明沙塵是SACOL春季最主要的氣溶膠類型.

3.3 SACOL總體積濃度和粗模態(tài)體積濃度具有明顯的年變化,且趨勢一致,而細(xì)模態(tài)體積濃度全年均比較小.香河,總粒子、粗和細(xì)模態(tài)粒子體積濃度均具有較明顯的年變化,總粒子和粗模態(tài)粒子體積濃度最大值(0.33和0.25 μm3/μm2)出現(xiàn)在4月,但AOD的最大值卻出現(xiàn)在細(xì)模態(tài)體積濃度最大的7月(0.16μm3/μm2).太湖,總粒子和粗模態(tài)粒子體積濃度最大值(0.30,0.20μm3/μm2)也出現(xiàn)在4月,但AOD的最大值出現(xiàn)在細(xì)模態(tài)體積濃度最大的6月(0.19μm3/μm2).這是由于細(xì)模態(tài)粒子的消光效率是粗模態(tài)粒子的3～4倍.

3.4 Vf/Vt的年變化趨勢與α的年變化趨勢相似,Vf/Vt和α均可以用來分析粒子尺度大小的年變化特征. 但α<0.75時(shí),3個(gè)站點(diǎn)Vf/Vt均小于0.4,以粗模態(tài)粒子為主; α>1.7時(shí),Vf/Vt大于0.6,以細(xì)模態(tài)粒子為主; 而0.75<α<1.7時(shí),也是α出現(xiàn)概率最高的區(qū)間,3個(gè)站點(diǎn)Vf/Vt均在0.1～0.8之間變化,此時(shí)僅利用α無法判斷是以何種模態(tài)粒子為主.

3.5 各站點(diǎn)總粒子有效半徑的平均值均在春冬季較大,夏秋季較小. 粗、細(xì)模態(tài)有效半徑的年變化不大,春季沙塵的入侵,會使粗、細(xì)模態(tài)有效半徑有所減小.

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致謝：本文資料由全球氣溶膠監(jiān)測網(wǎng)(AERONET)和香河站、太湖站、蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站(SACOL)提供,謹(jǐn)致謝忱！

德國將中止頁巖氣鉆探, 因勘探技術(shù)或污染地下水

據(jù)美國《華爾街日報(bào)》報(bào)道,德國計(jì)劃未來七年中止頁巖氣鉆探,原因是擔(dān)心頁巖氣的勘探技術(shù)可能會污染地下水.

據(jù)報(bào)道,頁巖氣的開采需要使用水力壓裂技術(shù).這種技術(shù)是用摻入水、沙子和化學(xué)物質(zhì)的高壓混合物將巖石層壓裂,從而釋放出天然氣.德國政府計(jì)劃禁止在離地表不到3000m的鉆探作業(yè)中使用水力壓裂技術(shù),并希望在明年初制定一項(xiàng)法令.這一禁令將于2021年被重新評估.

德國環(huán)境部長亨德里克斯表示,德國在可預(yù)見的未來將不會有頁巖氣壓裂.

報(bào)道指出,在德國提出這一擬定的規(guī)定之際,德國與其主要天然氣供應(yīng)國俄羅斯正陷入政治僵局中.另外,環(huán)保人士等此前也因擔(dān)心頁巖氣鉆探可能污染地下水而進(jìn)行了密集的游說.

亨德里克斯稱,保護(hù)飲用水和健康是德國最為重視的事情.

摘自《中國環(huán)境報(bào)》

2014-07-07

Analysis and comparison of the aerosol microphysical properties at three AERONET sites in China.

ZHANG Zhi-wei1,2, WANG Hong-bin3, ZHANG Lei1*, HU Die4, TIAN Peng-fei1, LIANG Jie-ning1, WANG Shi-gong1
(1.Key Laboratory for Semi-Arid Climate Change of the Ministry of Education, College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou730000, China；2.Jiangsu Meteorological Service Center, Nanjing210008, China；3.Jiangsu Institute of Meteorological Sciences, Nanjing210009, China；4.Lanzhou Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration, Lanzhou730020, China). China Environmental Science,2014,34(8)：1927～1937

The microphysical parameter characteristics of aerosol were analyzed at the AERONET stations located in SACOL, Xianghe and Taihu. The results showed that the annual average AOD at Xianghe and Taihu stations were0.67±0.66 and0.72±0.44, respectively, which were nearly2times of the value of AOD at SACOL (0.38±0.27). The standard deviation presented a significant temporal variability. At SACOL, the higher value of AOD was found in the spring and winter, and the lower value of AOD was found in the summer and fall. However, At Xianghe and Taihu, the higher values of AOD were found in the spring and summer, and the lower values of AOD were found in the fall and winter. Combined with the size distribution, volume concentration of aerosol particles, it can be concluded that dust was the main type of aerosols at SACOL in spring. At Xianghe and Taihu stations, the types of aerosol were mainly fine mode particles in summer due to the gas-to-particle conversion process. We could observe that for the measurements with ?ngstr?m exponent (α<0.75), there was a prevalence of coarse particles, because for the lower α values, data with the fine mode volume fraction (Vf/Vt>0.4) was almost unavailable. According to analysis we could establish the limit of the fine particle predominance with α>1.7approximately. But for0.75<α<1.7, the range of Vf/Vt was predominantly between0.2and0.8, which represented a great scattering character, hence it was not possible to establish a priori predominance for the fine or coarse particles.

t：aerosol optical depth(AOD)；volume concentration；fine mode volume fraction；?ngstr?m exponent

X513

：A

：1000-6923(2014)08-1927-11

張志薇(1987-),女,廣東大埔人,博士,主要從事大氣環(huán)境和人體健康研究.

2013-11-04

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012CB955302);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41075104);中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室開放課題(KDW1303);蘭州大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(lzujbky-2013-246)

? 責(zé)任作者, 教授, zhanglei@lzu.edu.cn