呂 睿,于興娜,沈 麗,于 超,朱 俊,夏 航
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北京春季大氣氣溶膠光學(xué)特性研究
呂 睿,于興娜*,沈 麗,于 超,朱 俊,夏 航
(南京信息工程大學(xué),氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044)
為了解北京春季氣溶膠光學(xué)特性,利用AERONET Level 2.0數(shù)據(jù)資料研究了2010~2014年北京市春季大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù),以晴空作為背景,比較分析了春季及沙塵期間大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的差異.研究發(fā)現(xiàn),北京春季與沙塵期間粗粒子消光占總消光的28%和59%,沙塵期間粒子吸收僅占消光的11.4%,說明沙塵天氣發(fā)生時以粗粒子消光為主且吸收作用弱.沙塵天氣溶膠光學(xué)厚度呈現(xiàn)出高值,其值為春季平均值的1.7倍.Angstrom波長指數(shù)在沙塵期間遠(yuǎn)小于非沙塵期間,且有85%小于0.6.北京春季體積尺度譜以粗模態(tài)峰為主,其中沙塵天粗模態(tài)的體積濃度為0.81μm3/μm2明顯大于春季的值(0.25μm3/μm2).沙塵期間單次散射反照率隨波長增加遞增,在波長440~1020nm間的平均值大于春季均值.復(fù)折射指數(shù)實(shí)部在沙塵過程的平均值達(dá)到1.51(440nm),春季均值為1.48(440nm),表明沙塵氣溶膠的散射能力更強(qiáng);復(fù)折射指數(shù)虛部隨波長增大呈減小趨勢,且春季平均值大于沙塵期間的值.沙塵期間輻射強(qiáng)迫大于春季值,并遠(yuǎn)高于春季晴空條件下均值.
春季;沙塵;氣溶膠;光學(xué)特性;北京
北京大氣重污染事件主要發(fā)生在春季和秋冬季節(jié),其中春季以沙塵為主,2000~2010年沙塵型大氣重污染發(fā)生53次[1].徐文帥等[2]統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),僅2010年春季北京市經(jīng)歷的沙塵過程就有15次之多;而在2014年4月10號受內(nèi)蒙古沙塵輸送影響,北京市AQI指數(shù)飆升至246,主要污染物為PM10.
沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠的重要來源[3],也是對流層氣溶膠的主要組成部分.沙塵氣溶膠通過散射、吸收太陽輻射和吸收、發(fā)射紅外輻射直接影響地—?dú)庀到y(tǒng)輻射能收支,從而影響區(qū)域和全球的氣候及生態(tài)環(huán)境[4].近些年來,國內(nèi)外學(xué)者在沙塵氣溶膠的輻射及氣候效應(yīng)[5-7]、傳輸途徑[8-11]、理化特性[12-13]等諸多方面都有大量的研究.對于沙塵氣溶膠光學(xué)特性的研究方面,大多致力于干旱、半干旱區(qū)、撒哈拉沙漠、毛烏素沙漠等沙塵源區(qū)的研究[14-18],對于西太平洋、歐洲西北部、天津、北京等沙塵下游區(qū)的光學(xué)特性的研究較少[19-22],此外以往的研究中多基于一次或幾次典型沙塵過程[23-28],對于區(qū)域性長期觀測結(jié)果的分析較少[29-31],對長時間序列的沙塵氣溶膠光學(xué)特征的了解較缺乏.尤其是北京作為超級大城市和沙塵下游區(qū),缺少春季長期系統(tǒng)的觀測研究.本文對北京市2010~2014年春季及沙塵天氣過程中大氣氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行研究,包括氣溶膠光學(xué)厚度、Angstrom波長指數(shù)、消光因子、氣溶膠體積尺度譜分布、單次散射反照率、復(fù)折射指數(shù)、輻射強(qiáng)迫及輻射強(qiáng)迫效率,對比分析春季及沙塵期間氣溶膠光學(xué)特性的差異和聯(lián)系,對進(jìn)一步認(rèn)識北京春季氣溶膠特點(diǎn)及其環(huán)境、氣候效應(yīng)提供參考,為大氣污染治理提供依據(jù).
本文所用數(shù)據(jù)來源于美國國家航空宇航局(NASA, National Aeronautics and Space Administration)在全球建立的地基氣溶膠觀測網(wǎng)絡(luò)Aerosol Robotic Network(AERONET),目前已超過600多個站點(diǎn).本研究觀測點(diǎn)設(shè)于中國科學(xué)院大氣物理研究所樓頂(39.977°N、116.38°E)海拔約為92m.整個網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一采用法國CIMEL公司標(biāo)準(zhǔn)太陽光度計(jì)(CE318-1)和極化太陽光度計(jì)(CE318-11)兩種,其中前者含有5個波段,后者含有8個波段,所有通道的波段寬度為10nm.基于太陽光度計(jì)測量的直接太陽輻射和天空輻射數(shù)據(jù),可以反演大氣氣溶膠的光學(xué)微物理特征參數(shù),其中測得的太陽直接輻射數(shù)據(jù)可用來反演計(jì)算大氣透過率、消光光學(xué)厚度、氣溶膠光學(xué)厚度、大氣水汽柱總量和臭氧總量,而天空掃描數(shù)據(jù)可以反演大氣氣溶膠粒子尺度譜分布及氣溶膠相函數(shù).太陽光度計(jì)在有關(guān)氣溶膠光學(xué)厚度的研究中運(yùn)用廣泛,其反演結(jié)果受眾多科學(xué)工作者青睞[32-34].
AERONET數(shù)據(jù)主要包括3個質(zhì)量等級:1.0級數(shù)據(jù)是沒有做去云處理的原始觀測數(shù)據(jù),1.5級數(shù)據(jù)是僅做去云處理的數(shù)據(jù),2.0級數(shù)據(jù)是經(jīng)過去云處理和人工篩選的高質(zhì)量數(shù)據(jù),本研究使用的是2.0級氣溶膠反演資料數(shù)據(jù).
本文選取北京2010~2014年春季904組數(shù)據(jù),晴空大氣(背景大氣)選取空氣質(zhì)量等級為一級,空氣質(zhì)量狀況為優(yōu),API(或AQI)<50的(數(shù)據(jù)來源:中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部--政府網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心,http://www.mep.gov.cn/),共28d,89組數(shù)據(jù);沙塵過程的選取來自于天氣報告、文獻(xiàn)[2,35-37]及新聞報道的印證,共選出沙塵過程16d,41組數(shù)據(jù),如表1.文中春季數(shù)據(jù)未剔除沙塵天,非沙塵數(shù)據(jù)為春季剔除沙塵天的數(shù)據(jù).
表1 北京2010~2014年春季沙塵日選取Table 1 The selected cases of dust events during 2010~2014 in Beijing
2.1.1 粗細(xì)粒子消光占比 AERONET將反演得到的最小d/dln的粒徑區(qū)間(0.439~0.992 μm)定為粗細(xì)粒子的分界點(diǎn),并推薦使用0.6 μm作為分界值,故此處定義<0.6 μm為細(xì)粒子,0.6 μm為粗粒子.由圖1a可以看出,北京春季粗粒子和細(xì)粒子消光所占比例具有明顯的差別,粗粒子消光占比在0%~90%間均有分布,大多集中在40%以下,而細(xì)粒子消光占比平均值達(dá)到了72%.由圖1b可見,北京沙塵天粗粒子消光占比大多在50%以上,平均消光占比達(dá)到59%,說明北京沙塵天氣發(fā)生時粗粒子消光對總消光具有較大貢獻(xiàn);但該值遠(yuǎn)低于2001~2008年敦煌沙塵期間的值(79%)[29],表明在沙塵源區(qū)粗粒子對總消光的貢獻(xiàn)更為重要.此外,沙塵期間總粒子吸收占消光的百分比較低,表明沙塵期間氣溶膠散射是大氣消光的主要貢獻(xiàn)者.
2.1.2 氣溶膠光學(xué)厚度(AOD) AOD是表征氣溶膠消光性質(zhì)的一個重要參數(shù),能夠反映整個大氣柱的氣溶膠含量.如圖2所示,北京春季AOD隨波長增大有下降趨勢,與晴空背景變化趨勢一致,但是沙塵期間光學(xué)厚度隨波長減小較平緩,說明沙塵氣溶膠的參與使得大氣氣溶膠對太陽光衰減的波長選擇性減弱.晴空下平均AOD明顯低于北京春季及沙塵期間,比如440nm時背景大氣的AOD均值僅為0.31,春季的AOD均值為0.70,而沙塵期間平均AOD卻高達(dá)0.92,這表明沙塵天氣發(fā)生時有大量的顆粒物進(jìn)入大氣,使氣溶膠含量明顯增加;春季平均AOD均高于1977~ 1985年北京地區(qū)平均AOD(0.4~0.5,550nm)[38], 2003年1月份平均值(0.42,440nm)[39]以及2010年北京秋季AOD均值(0.50,500nm)[40],以上結(jié)果表明大氣污染事件導(dǎo)致春季平均AOD增加,其中沙塵天氣的頻繁發(fā)生可能是主要原因.
由圖3可見,北京晴空背景與春季AOD分布均呈單峰結(jié)構(gòu),晴空下小于0.6的AOD出現(xiàn)的頻率超過93%,而春季只有近55%的AOD集中在0.1~0.6之間.沙塵期間AOD在0.1~2.2之間波動,其中在0.3~0.8(37%)、0.9~1.6(44%)范圍內(nèi)呈現(xiàn)2個峰值.對比發(fā)現(xiàn),沙塵天AOD低值區(qū)的頻率明顯低于晴空狀況與春季,而高值區(qū)頻率有顯著增加,說明沙塵過程的出現(xiàn)對大氣氣溶膠光學(xué)厚度貢獻(xiàn)了高值.
2.1.3 Angstrom波長指數(shù)()代表了粒子譜分布的平均情況,值越小,表示大粒子越多,反之表示小粒子越多.由圖4可見,北京春季Angstrom波長指數(shù)通常為高值,波動范圍在0~2.0之間,平均達(dá)到了1.03;當(dāng)AOD>0.5時,在1.0~1.5間最為密集.沙塵期間Angstrom 波長指數(shù)明顯偏低,大多數(shù)分布在0~0.6之間,平均值僅為非沙塵期間的1/3,但明顯高于沙塵源區(qū)的值(0.1)[29],說明沙塵期間聚集了更多大粒徑的沙塵粒子,這一特點(diǎn)在沙塵源區(qū)更為明顯,而北京作為沙塵下游區(qū),氣溶膠組成主要是較粗的沙塵氣溶膠和人為細(xì)顆粒物.圖4還可以發(fā)現(xiàn),非沙塵期間AOD存在較多高值,部分甚至高出沙塵期間光學(xué)厚度的值,這可能是發(fā)生的霧霾等局地大氣污染造成的.
由圖5可見,北京春季Angstrom波長指數(shù)的頻率分布范圍相比于晴空和沙塵的頻率分布范圍較寬,值主要在0~2.0之間,其中近60%的在0.95~1.4之間聚集,這一研究結(jié)果與2002~2008年北京霧霾期間Angstrom波長指數(shù)的頻率分布峰值類似(0.95~1.3),但其頻率占比要遠(yuǎn)小于霧霾期間的值(86%)[41],反映了北京春季大氣氣溶膠成分復(fù)雜;晴空與沙塵期間Angstrom波長指數(shù)的頻率分布均較集中,但分布呈現(xiàn)2個極端,晴空背景下92% 的Angstrom 波長指數(shù)介于0.85~ 1.8間,而沙塵天約有85%的集中在0.6以下,說明北京晴空條件下氣溶膠的主要成分是細(xì)粒子,出現(xiàn)沙塵天氣時氣溶膠大多以粗粒子為主.
氣溶膠粒子與大氣氣溶膠的各種大氣效應(yīng),大氣氣溶膠粒子的形成、遷移轉(zhuǎn)化、輸送和清除機(jī)制及其物理、化學(xué)特性緊密聯(lián)系[42].圖6是北京晴空、春季及沙塵期間不同氣溶膠光學(xué)厚度下氣溶膠粒子的體積尺度譜分布情況,采用對數(shù)正態(tài)分布假設(shè):
式中,d/dln表示體積尺度譜分布;v表示體積濃度;表示粒子半徑;v表示粒子的幾何平均半徑;表示標(biāo)準(zhǔn)偏差.
由圖6可見,2010~2014年北京晴空、春季和沙塵期間的氣溶膠體積尺度譜在不同AOD下大體呈雙峰型分布,并且均以粗模態(tài)為主模態(tài)峰,而沙塵源區(qū)氣溶膠尺度譜通常呈單峰型分布[17,29,43-44],說明北京沙塵期間并非單一的沙塵氣溶膠存在.晴空下氣溶膠體積濃度較低,春季及沙塵期間粗模態(tài)體積濃度相較于晴空背景均有增加,晴空粒子半徑為3.8μm處的平均體積濃度達(dá)到最大值(0.04μm3/μm2),僅為春季平均體積濃度最大值的1/3,沙塵期間最大值的1/10;春季細(xì)模態(tài)體積濃度較晴空有所增加但增幅低于粗模態(tài),而細(xì)模態(tài)體積濃度在沙塵天仍處于與晴空背景類似的低值,北京春季氣溶膠中粗粒子占較大比例,尤其在沙塵期間粗粒子含量劇增.春季大氣氣溶膠尺度譜細(xì)模態(tài)的峰值半徑和體積濃度均隨著AOD的增加而增加.在粗模態(tài)部分,春季及沙塵天峰值半徑隨AOD的增加依次遞減,這可能因?yàn)樯硥m的大粒徑顆粒在遠(yuǎn)距離傳輸過程中經(jīng)過重力作用自然沉降[45],和(或)春季存在較高的相對濕度時吸濕性粒子增長加劇的結(jié)果[46].粗模態(tài)體積濃度均隨氣溶膠光學(xué)厚度的增加而依次遞增,在沙塵期間不同AOD下粗模態(tài)體積濃度差異很大,AOD為1.63時體積濃度(0.81μm3/ μm2)是AOD=0.24時的8倍左右.
2.3.1 單次散射反照率()反映了輻射的吸收作用和散射作用的比重,決定了氣溶膠對輻射強(qiáng)迫的正、負(fù)效應(yīng),其微小變化會對輻射強(qiáng)迫計(jì)算產(chǎn)生較大影響[47].越趨近于1,表明氣溶膠的散射占消光的比例越大,反之亦然.在AERONET資料中當(dāng)AOD<0.4(440nm)時單次散射反照率反演的誤差較大,故缺省.
由圖7可以看出,春季單次散射反照率在440~675nm波段呈增長趨勢,在675~1020nm波段變化很弱,但隨著AOD的增加不同波長下的依次增大;沙塵期間在不同AOD下均隨波長增加而遞增,其中在440~675nm波段增勢劇烈,表明沙塵氣溶膠隨著波長的增加散射能力逐漸增強(qiáng).春季在440~1020nm單次散射反照率平均值為0.92,沙塵天達(dá)到了0.94,遠(yuǎn)大于Jing 等[48]2009年北京夏季觀測值(0.80),說明春季及沙塵期間氣溶膠以散射作用為主.沙塵天440nm波段均值為0.88,與2001~2011年北京沙塵天結(jié)果類似(0.89)[49],低于沙塵源區(qū)敦煌站的值(0.96)[44],的差異可以歸因于沙塵與吸收型氣溶膠的相互作用.同時,沙塵期間當(dāng)AOD<1.63時,隨著光學(xué)厚度的增加依次增加.
2.3.2 復(fù)折射指數(shù) 復(fù)折射指數(shù)是研究氣溶膠中散射組分和吸收組分含量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[24,50].復(fù)折射指數(shù)的實(shí)部反映了粒子的散射能力[47];虛部則反映粒子的吸收能力.AOD<0.4(440nm)時復(fù)折射指數(shù)反演的誤差較大,故缺省.
由圖8可以看出,沙塵期間實(shí)部在任意光學(xué)厚度下隨波長增加表現(xiàn)出先增加后減小趨勢,并在675nm達(dá)到最大;AOD<1.63時,復(fù)折射指數(shù)實(shí)部隨著光學(xué)厚度增加而遞減;在440nm時實(shí)部均值達(dá)到1.51,高于春季的平均值(1.48),說明北京沙塵過程中散射型氣溶膠含量增加.此外,本研究中沙塵天實(shí)部值要小于榆林沙塵期間的值(1.55±0.5)[17],可能是因?yàn)楹谔嫉瘸鞘形招蜌馊苣z參與所致.春季與沙塵期間復(fù)折射指數(shù)虛部均隨波長的增大而表現(xiàn)出減小趨勢,并在440~ 675nm波段急劇下降,在675~1020nm隨波長變化不明顯;虛部隨AOD的變化無明顯規(guī)律.沙塵期間復(fù)折射指數(shù)虛部均值為0.003僅為春季的1/2,這一結(jié)果與王玲等[24]2010年北京觀測及模擬結(jié)果類似,表明春季大氣氣溶膠有多種污染源參與,而沙塵期間主要為弱吸收作用的沙塵型氣溶膠.
氣溶膠粒子輻射強(qiáng)迫的大小與其含量的時空變化和本身的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)[51].輻射強(qiáng)迫效率是指單位光學(xué)厚度產(chǎn)生的直接輻射強(qiáng)迫. AERONET數(shù)據(jù)中大氣層頂(TOA)高度為120km,大氣層底(BOA)高度為0.092km,此處將大氣層底輻射強(qiáng)迫近似地作為地面輻射強(qiáng)迫.
由圖9可以看出,北京晴空背景下大氣層頂輻射強(qiáng)迫值為-45.82W/m2,地面輻射強(qiáng)迫值為-15.86W/m2,明顯低于于春季大氣輻射強(qiáng)迫(TOA為-31.68W/m2,BOA為-84.01W/m2),更遠(yuǎn)低于沙塵天大氣輻射強(qiáng)迫(TOA為-47.29W/m2, BOA為-112.04W/m2);以上結(jié)果均要高于北京2014年春季晴空條件下均值(TOA為-6.38W/m2, BOA為-30.12W/m2)[52],說明沙塵氣溶膠對地表的降溫作用和對大氣的增溫作用更加明顯.當(dāng)其它條件相同的時候,氣溶膠吸收性強(qiáng)(單次散射反照率小)、前向散射小的(不對稱因子小)則地面的輻射強(qiáng)迫效率就大[53].沙塵天氣期間輻射強(qiáng)迫效率小于春季,這與上文對于單次散射反照率的分析結(jié)果相同,也與波長440nm時不對稱因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致(春季0.69;沙塵0.73).
由圖10得知,北京春季輻射強(qiáng)迫與氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢一致,隨著AOD的增加地面輻射強(qiáng)迫的差異要比大氣層頂更明顯,主要可以歸因于近地面存在不同類型的氣溶膠.大氣層頂?shù)妮椛鋸?qiáng)迫存在個別正值,此時單次散射反照率(440nm)小于0.8,負(fù)折射指數(shù)虛部(440nm)大于0.025,反映了當(dāng)吸收作用很強(qiáng)時輻射強(qiáng)迫會由負(fù)變正,這與Hansen等[54]研究結(jié)果類似.從斜率來看,TOA的斜率小于BOA,說明在地表輻射強(qiáng)迫對于AOD的變化更加敏感[55].大氣層頂輻射強(qiáng)迫效率隨AOD的增加變化并不明顯,在AOD<0.5分布較廣,范圍在-120~0W/m2間;地面輻射強(qiáng)迫效率隨氣溶膠光學(xué)厚度的增加明顯減小,與大氣層頂?shù)妮椛鋸?qiáng)迫效率相比,其值在同一光學(xué)厚度下分布范圍更廣.
3.1 北京市沙塵期間總粒子吸收占消光的百分比平均值僅為11.4%,粗粒子消光占比遠(yuǎn)高于春季,說明沙塵氣溶膠吸收作用弱,粗粒子消光占主導(dǎo)地位.沙塵期間AOD高于春季值,并且遠(yuǎn)高于晴空背景下光學(xué)厚度值,沙塵天約有55%的AOD大于0.9.AOD>0.5時,沙塵期間Angstrom波長指數(shù)多集中在0.5以下,而非沙塵期間大多分布在1.0以上,春季頻率分布相較晴空背景及沙塵期間寬,說明春季氣溶膠成分復(fù)雜;晴空與沙塵頻率分布分別集中在大值區(qū)與小值區(qū),反映了晴空條件下氣溶膠主要由細(xì)粒子構(gòu)成,沙塵期間氣溶膠以大顆粒物為主.
3.2 北京市晴空、春季及沙塵期間尺度譜均為雙峰結(jié)構(gòu),主模態(tài)峰均為粗模態(tài),且體積濃度均隨AOD的增加而遞增,春季粗模態(tài)體積濃度最大值是晴空條件下的3倍,沙塵期間粗模態(tài)峰值是晴空的10倍.
3.3 沙塵期間單次散射反照率在所有波段的平均值為0.94高于春季值(0.92),說明沙塵天氣期間散射作用更強(qiáng).沙塵期間實(shí)部值高于春季,虛部值低于春季,沙塵氣溶膠表現(xiàn)出更強(qiáng)的散射特性,吸收作用較弱.輻射強(qiáng)迫在沙塵期間值更大,輻射強(qiáng)迫效率晴空條件下值更大,說明沙塵期間氣溶膠對大氣加熱作用和地表冷卻作用影響更強(qiáng)烈.
李令軍,王 英,李金香,等.2000~2010北京大氣重污染研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2012,32(1):23-30.
徐文帥,魏 強(qiáng),馮 鵬,等.2010年春季沙塵天氣對北京市空氣質(zhì)量的影響及其天氣類型分析 [J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2012, 28(6):19-27.
Zhao B L, Yu X D. On Eastern Asian Dust Storm [J]. Advances in Atmospheric Sciences, 1990,7(1):11-26.
賈 璇,王文彩,陳勇航,等.華北地區(qū)沙塵氣溶膠對云輻射強(qiáng)迫的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(8):1009-1014.
Yoshioka M, Mahowald M N, Conley A J, et al. Impact of Desert Dust Radiative Forcing on Sahel Precipitation: Relative Importance of Dust Compared to Sea Surface Temperature Variations, Vegetation Changes, and Greenhouse Gas Warming [J]. American Meteorological Society, 2007,20(8):1445-1467.
Aher G R, Pawar G V, Gupta P, et al. Effect of major dust storm on optical, physica, and radiative properties of aerosols over coastal and urban environments in Western India [J]. International Journal of Remote Sensing, 2014,35(3):871-903.
沈凡卉,王體健,莊炳亮,等.中國沙塵氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫與氣候效應(yīng) [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(7):1057-1063.
Han Y, Wu Y H, Wang T J, et al. Characterizing a persistent Asian dust transport event: optical properties and impact on air quality through the ground-based and satellite measurements over Nanjing, China [J]. Atmospheric Environment, 2015,115:304- 316.
徐文帥,李云婷,孫瑞雯,等.典型沙塵回流天氣過程對北京市空氣質(zhì)量影響的特征分析 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2014,34(2):297- 302.
Issanova G, Abuduwail J, Galayeva O, et al. Aeolian transportation of sand and dust in the Aral Sea region [J]. Int. J. Environ. Sci. Technol., 2015,12:3213-3224.
韓永翔,宋連春,奚曉霞,等.中國沙塵暴月際時空特征及沙塵的遠(yuǎn)程傳輸 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2005,25(Suppl.):13-16.
劉明哲,魏文壽,周宏飛,等.中國西北沙塵源區(qū)與日本沉降區(qū)大氣氣溶膠粒子理化特征及對比 [J]. 中國沙漠, 2003,23(4):74- 80.
Misra A, Gaur A, Bhattu D, et al. An overview of the physico-chemical characteristics of dust at Kanpur in the central Indo-Gangetic basin [J]. Atmospheric Environment, 2014,97: 386-396.
李 霞,陳勇航,胡秀清,等.烏魯木齊大氣氣溶膠的光學(xué)特性分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2005,25(Supp1.):22-25.
邱玉珺,牛生杰,岳 平,等.半干旱區(qū)春季沙塵氣溶膠譜分布的觀測研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(10):1021-1028.
Alam K, Trautmann T, Blaschke T, et al. Changes in aerosol optical properties due to dust storms in the Middle East and Southwest Asia [J]. Remote Sensing of Environment, 2014,143: 216–227.
車慧正,張小曳,石廣玉,等.沙塵和灰霾天氣下毛烏素沙漠地區(qū)大氣氣溶膠的光學(xué)特征 [J]. 中國粉體技術(shù), 2005,(3):4-7.
Müller D, Lee K H, Gasteiger J, et al. Comparison of optical and microphysical properties of pure Saharan mineral dust observed with AERONET Sun photometer, Raman lidar, and in situ instruments during SAMUM 2006 [J]. J. Geophys. Res., 2012, 117:D07211.
Yi B Q, Yang P, Baum B A. Impact of pollution on the optical properties of trans-Pacific East Asian dust from satellite and ground-based measurements [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2014,119(9):5397-5409.
Bègue N, Tulet P, Chaboureau J P, et al. Long-range transport of Saharan dust over northwestern Europe during EUCAARI 2008campaign: Evolution of dust optical properties by scavenging [J]. J. Geophys. Res., 2012,117:D17201.
姚 青,韓素芹,蔡子穎,等.天津城區(qū)春季大氣氣溶膠消光特性研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2012,32(5):795-802.
章文星,呂達(dá)仁,王普才.北京地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)厚度的觀測和分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2002,22(6):16-21.
劉 菲,牛生杰.北方沙塵氣溶膠光學(xué)厚度和粒子譜的反演 [J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報, 2006,29(6):775-781.
王 玲,李正強(qiáng),李東輝,等.基于遙感觀測的折射指數(shù)光譜特性反演大氣氣溶膠中沙塵組分含量 [J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2012,32(6):1644-1649.
Cao C X, Zheng S, Singh P R. Characteristics of aerosol optical properties and meteorological parameters during three major dust events (2005~2010) over Beijing, China [J]. Atmospheric Research, 2014,150:129-142.
Xin J Y , Du W P, Wang Y S, et al. Aerosol optical properties affected by a strong dust storm over central and northern China [J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2010,27(3):562-574.
王 苑,鄧軍英,史蘭紅,等.基于氣溶膠光學(xué)特性垂直分布的一次浮塵過程分析 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2014,35(3):830-838.
Basha G, Phanikumar D V, Kumar K N, et al. Investigation of aerosol optical, physical, and radiative characteristics of a severe dust storm observed over UAE [J]. Remote Sensing of Environment, 2015,169:404-417.
于興娜,張慧娟,登增然登,等.沙塵源區(qū)與下游地區(qū)沙塵期間氣溶膠光學(xué)特性分析 [J]. 中國沙漠, 2012,32(6):1710-1715.
Yu, X N, Zhu B, Yin Y, et al. A comparative analysis of aerosol properties in dust and haze-fog days in a Chinese urban region [J]. Atmospheric Research, 2011,99(2):241-247.
徐成鵬,葛覲銘,黃建平,等.基于CALIPSO星載激光雷達(dá)的中國沙塵氣溶膠觀測 [J]. 中國沙漠, 2014,34(5):1353-1362.
陳 斌.利用衛(wèi)星和AERONET觀測資料對東亞地區(qū)吸收性氣溶膠識別及其光學(xué)特征分析 [D]. 蘭州:蘭州大學(xué), 2012.
宗雪梅,邱金桓,王普才.寬帶消光法反演氣溶膠光學(xué)厚度與AERONET北京站探測結(jié)果的對比研究 [J]. 大氣科學(xué), 2005,29(4):645-653.
趙胡笳,馬雁軍,王緒鑫,等.2010年秋季鞍山氣溶膠光學(xué)特征變化 [J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報, 2012,28(4):55-62.
張亞妮,張碧輝,宗志平,等.影響北京的一例沙塵天氣過程的起沙沉降及輸送路徑分析 [J]. 氣象, 2013,39(7):911-922.
樊 璠,陳義珍,陸建剛,等.北京春季強(qiáng)沙塵過程前后的激光雷達(dá)觀測 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2013,26(11):1155-1161.
Liu Q Y, Liu Y J, Yin J X, et al. Chemical characteristics and source apportionment of PM10during Asian dust storm and non-dust storm days in Beijing [J]. Atmospheric Environment, 2014,91:85-94.
李 放,呂達(dá)仁.北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度中長期變化特征 [J]. 大氣科學(xué), 1996,20(4):385-394.
Yu, X N, Zhu B, Zhang M G. Seasonal variability of aerosol optical properties over Beijing [J]. Atmospheric Environment, 2009,43(26):4095-4101.
張 勇,銀 燕,劉藴芳,等.北京秋季大氣氣溶膠光學(xué)厚度與Angstrom指數(shù)觀測研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(6): 1380-1389.
于興娜,李新妹,登增然登,等.北京霧霾天氣期間氣溶膠光學(xué)特性 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2012,34(4):1057-1062.
趙德山,韓應(yīng)建,姜振遠(yuǎn),等.太原市冬季氣溶膠粒子譜及其譜分布模式的研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 1987,7(1):14-22.
劉建軍,鄭有飛,吳榮軍.近沙塵源區(qū)氣溶膠光學(xué)特性的季節(jié)變化及其統(tǒng)計(jì)學(xué)描述 [J]. 中國沙漠, 2009,29(1):174-182.
鄭玉琦,于興娜,項(xiàng) 磊,等.東亞沙塵源區(qū)與下游地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性比較 [J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報, 2014,30(2):67-73.
Xue M., Ma J Z, Yan P, et al. Impacts of pollution and dust aerosols on the atmospheric optical properties over a polluted rural area near Beijing city [J]. Atmospheric Research, 2011, 101(4):835-843.
Eck T F, Holben B N, Dubovik O, et al. Columnar aerosol optical properties at AERONET sites in central eastern Asia and aerosol transport to the tropical mid-Pacific [J]. Journal of Geophysical Research, 2005,110:D06202.
王 靜,牛生杰,許 丹,等.南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學(xué)特性 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2013,33(2):201-208.
Jing J S, Zhang R J, Tao J, et al. Observations of aerosol optical properties in the Beijing urban area in summer [J]. Atmos. Oceanic Sci. Lett., 2011,4(6):338-343.
Yu X N, Shi C Z, Ma J, et al. Aerosol optical properties during firework, biomass burning and dust episodes in Beijing [J]. Atmospheric Environment, 2014,81:475-484.
王 娜,張 鐳,鄧 濤,等.一次浮塵過程氣溶膠光學(xué)特性及其輻射效應(yīng)的研究 [J]. 熱帶氣象學(xué)報, 2013,29(3):458-464.
羅云峰,周秀驥,李維亮.大氣氣溶膠輻射強(qiáng)迫及氣候效應(yīng)的研究現(xiàn)狀 [J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 1998,13(6):63-72.
車慧正,石廣玉,張小曳.北京地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性及其直接輻射強(qiáng)迫的研究 [J]. 中國科學(xué)院研究生院學(xué)報, 2007,24(5): 699-704.
吳 彬,張筱萌,王 堰.氣溶膠輻射強(qiáng)迫效率研究 [J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報, 2013,8(4):253-261.
Hansen J, Sato M, Ruedy R. Radiative forcing and climate response [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1997,102(D6):6831-6864.
張志薇,王宏斌,張 鐳,等.中國地區(qū)3個AERONET站點(diǎn)氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫分析 [J]. 中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報, 2014,31(3): 297-305.
致謝:感謝AERONET為本文提供資料,同時感謝工作人員對北京站點(diǎn)的管理與維護(hù).
* 責(zé)任作者, 副教授, xnyu@nuist.edu.cn
Aerosol optical properties in spring over urban Beijing
Lü Rui, YU Xing-na*, SHEN Li, YU Chao, ZHU Jun, XIA Hang
(Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education, Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change, Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)., 2016,36(6):1660~1669
The purpose of this study is to investigate the optical properties of aerosols during spring in Beijing. A comparison of aerosol optical properties was performed between spring and dusty days from Aerosol Robotic Network (AERONET) measurements during 2010~2014. The extinction of coarse particles (>0.6μm) accounted for 28% and 59% of that of total particle in spring and dusty days respectively. Average absorption percent out of extinction for total particles were 11.4% during dusty days. This result indicated that aerosol extinction was dominated by coarse particles. The aerosol optical depth showed high values in dusty days with the average value was 1.7 times higher than that of spring. Angstrom exponents during dusty days were higher than those of spring, and about 85% of them less than 0.6 during dusty days. The aerosol volume size distributions presented abimodal structure (fine and coarse modes), and the coarse mode was dominant in spring. The volume concentrations of coarse mode in spring were evidently lower than those of dusty days. The single scattering albedo showed an increasing trend with wavelengths during dusty days in Beijing. The averaged single scattering albedos were about 0.92 for dusty days and 0.89 for spring during 440~1020nm. The real parts of the refractive index at 440nm were 1.48 during spring and 1.51 during dusty days, suggested the aerosol particles from dust source regions were involved in a stronger scattering. The imaginary parts of refractive index showed a decreasing trend with wavelength sand the average value in dusty days were higher than that of spring. The averaged aerosol radiative forcing in dusty days was higher than that of in spring and in clean days in Beijing.
spring;dust;aerosol;optical properties;Beijing
X513
A
1000-6923(2016)06-1660-09
呂 睿(1994-),女,江蘇徐州人,碩士研究生,主要從事氣溶膠與大氣環(huán)境研究.發(fā)表論文1篇.
2015-11-16
中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)(XDB05030104);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41475142);江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510300053y,201510300065y);江蘇省高校“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目;江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)