北京上空气溶胶光学特性的季节变化外文翻译资料

 2022-11-28 02:11

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北京上空气溶胶光学特性的季节变化

于兴娜a，b, 朱彬 a, b, 张美根 b

  • 南京信息工程大学教育部气象灾害重点实验室，中国，南京，201144 b 洛杉矶太平洋大学，中国科学院大气物理研究所，中国，北京， 100029

文章 资讯

文章历史

收稿日期 2008年11月6日

修改日期 2009年2月27日

完成日期 2009年3月16日

关键字

气溶胶

天空辐射计

光学特性

北京

摘要

了解局部和区域尺度的气溶胶特性对于了解全球气候变化非常重要。本研究利用2002-2007年间全球气溶胶探测网(AERONET)的测量结果，对北京上空气溶胶光学特性进行了研究。气溶胶光学厚度(AOD)表现出明显的季节性变化，春季(3-5月)和夏季(6-8月)数值较高。据发现，Angstrom波长指数(A)全年较高，最大值（1.27）出现在夏季，最小值（1.0）出现在春季。从AERONET获得的水汽数据在夏季最高(2.60cm)。细模态气溶胶体积尺度分布上，春季、秋季(9月-11月)和冬季(12月-2月)半径最大值为0.15mm，夏季半径最大值为0.19mm。粗模态各季节均在半径3.0m处出现最大值。在气候和辐射模式中，在北京上空440、675、870和1020 nm处的不对称因子(G)为0.65。单散射反照率(SSA)的春、夏、秋、冬4个波长平均值分别为0.89、0.91、0.87和0.86。折射率的实部和虚部对波长的依赖性都很低。440-1020 nm波长范围内，在春季和冬季，实部与虚部分布取得最大平均值（1.52）和（0.0165）。北京上空的气溶胶光学特性高度依赖季节，气溶胶特性的变化主要是因为春季以粉尘为主而冬季以人为污染为主。在冬季。

  1. 介绍

近年来由于相当大的不确定气候强迫，气溶胶对全球气候变化的影响引起了人们的广泛关注(IPCC，2001)。气溶胶既可以散射和吸收太阳辐射来直接影响大气辐射平衡，又可以通过影响云的性质和寿命间接影响地球辐射平衡。因此，在评价气溶胶的辐射强迫时，气溶胶光学特性（气溶胶光学厚度、粒子尺度分布等）是很需要的。

地面遥感气溶胶是持续可靠的获得世界各地大城市详细气溶胶特性的工具。地面气溶胶数据需要卫星数据验证。为了了解气溶胶的光学特性和间接评价气溶胶对气候的影响，人们建立了许多气溶胶地面观测网。

世界气象组织(WMO)的全球大气观测网(GAW)是一个协调的观测站网络，它已经提供了世界各地地面大气化学组成和物理性质的变化(WMO，2001)。气溶胶探测网络(AERONET)，一种自动的机器探空扫描测量仪程序，自1993以来，它通过国际联合会迅速发展到全世界100多个站点(Holben等人，2001)。亚太区域气溶胶碳化试验(ACE-Asia)主要在韩国、日本、中国和邻近的海洋地区开展野外活动，以表征亚洲气溶胶的特性(Huebert等人，2003)。一个基于东亚地区的太阳和天空辐射计网络(SKYNET)也被建立并进行了类似于AERONET的测量(Takamura等人，2002)。本文详细研究了源头、大陆、偏远海域和本底站气溶胶性质的特征和时间变化。(Mori等人，2003；Tetsu等人，2003；Zhang等人，2003年a；Singh等人，2004；Xia等人，2004；Kim等人，2005；Zhang和Gao，2007；Andreae等人，2008；Noh等人，2009)。

在中国，近二十年来经济和人口的快速增长，导致了气溶胶数量的大幅度增加。在1990年底，中国有11.4亿人口，1470万辆机动车，到2007年底分别增加了13%和90%。Luo等人。(2001)研究结果表明，我国46个观测站观测到的750 nm气溶胶光学厚度由20世纪60年代的0.38增加到20世纪90年代的0.46。具体而言，由于人类活动的影响，我国的城郊地区气溶胶含量较高.由于经济活动和车辆数量和城市化的影响，高颗粒物污染和低能见度已成为北京面临的一个严重问题。为了更好地了解大气气溶胶光学性质的季节变化，我们利用6年的AERONET数据，对污染严重的城市进行了连续测量的详细研究。

  1. 地点、仪器和方法

2.1 地点描述

北京位于华北平原的西北边界，西部、北部和东北部被山区包围(图1)。北京的气候是大陆性季风气候，每年有四个不同的季节：冬季（12月、1月和2月）、春季（3月-5月）、夏季（6月-8月）和秋季（9月-11月）。寒冷多风的天气主要发生在冬季和春季，原因是来自西伯利亚西部的冷空气频繁爆发。春季偶尔会受到来自中国西部的库穆塔奇和塔利-马干沙漠的西北风和西风，或蒙古沙漠的北风带来的沙尘的影响(Sun等人，2001)。在夏天，气候炎热潮湿，水汽量占全年的74%。秋天被认为是最好的季节，天空相对晴朗。冬天是从11月中旬到3月中旬的取暖季节。

图1.研究地区不同季节的区域空气质量。

2.2 测量仪器

CIMEL CE-318太阳/天空辐射计安装在北京大气物理研究所大楼的屋顶上（39.977 N，116.38 E），是AERONET全球网络的一部分。Holben等（1998）详细描述了这些仪器；在这里做一个简短的描述。自动跟踪太阳的天空扫描辐射计直接测量太阳和天空散射，在所有标称波长(340，380，440，500，675，870，940和1020 nm)上每15分钟有1.2全视野。每个通道的带宽为10 nm。计算了除940 nm通道外的各个波长的气溶胶光学特性。用于反演以厘米为单位的水汽含量。

2.3 分析方法

2.3.1 气溶胶光学厚度（AOD）的计算

根据Beer–Lambert–Bouguer定律

大气光学厚度()是气溶胶光学厚度()、瑞利散射厚度()和臭氧吸收厚度()之和。I是地球表面的直接太阳强度，I0是大气上方太阳强度，m是穿过大气层的相对路径长度。

瑞利散射光学厚度采用以下方法计算：

其中P是实际大气压力，表示波长。

臭氧吸收的光学厚度是根据下列因素计算的：

其中是臭氧的吸收系数，O3是以Dobson为单位的大气中的臭氧数量，而mO3是臭氧气团质量。

2.3.2 Angstrom波长指数（ɑ）

参数ɑ是由log(AOD)与log(波长)的线性拟合来计算的，它是根据Angstrom(1964)的经典方程计算的。

其中ɑ是Angstrom波长指数，可以反映粒径的大小。较小的ɑ代表主导的是粗气溶胶粒子，而较大的ɑ代表优势粒子是细粒子，beta;为浊度系数，lambda;为波长。

2.3.3 体积尺度分布

在0.05mmlt;rlt;15mm范围内反演了体积尺度分布dV/dlnr()。对于每种模式，对数正态分布定义为

当dV/dlnr为体积尺寸分布时，体积浓度CV为大气柱单位截面颗粒的柱状体积，r为颗粒半径，rv为几何平均半径，sigma;是几何标准差。

2.3.4 单次散射反照率（SSA）

单散射反照率被定义为散射系数和消光系数的比值，是评估气溶胶气候影响的一个关键变量(Jacobson，2000)。

omega;表示单次散射反照率，sigma;scatt为散射系数，sigma;absp为吸收系数。SSA的值主要取决于气溶胶粒子的形状、粒径分布和浓度。推导出的单次散射反照率的误差主要来源于天空数据的标定，估计误差为0.03。

2.3.5 不对称因子（g）

不对称因子（G）是对遇到气溶胶粒子的光的优先散射方向（向前或向后）的量度。在辐射传输研究中，

mu;是散射角的余弦，P(mu;)是角散射相位函数。相函数定义为在给定的方向上，单位固体角度上的能量散落到所有方向上的平均能量。

2.3.6 复折射率

复折射率的实部表示散射，较高的实部表示较高的散射，而复折射率的虚部代表吸收。实部与虚部在对应于天空辐射的波长反演的复折射率中，分别在1.33-1.6和0.0005-0.5的范围内进行测量。复折射率实部误差估计为0.04，虚部为50%。

一个由Dubovik and King (2000a)给出的反演策略，详细地介绍了算法开发和方法方面如何在反演过程中对噪声影响进行详细统计优化。AOD的不确定度在lambda;gt;440 nm时小于plusmn;0.01，短波长小于plusmn;0.02，水汽小于plusmn;10%，天空的辐射测量中小于plusmn;5%。Dubovik等人（2000b）详细讨论了从AERONET数据中反演的尺度分布和折射率值的不确定性。本研究的数据采用经过Smirnov 等人(2000)给出方法而进行的经过质量保证和完全云屏蔽，校准和验证的AERONET Level 2.0的数据。

  1. 成果

3.1 气溶胶光学厚度，Angstrom波长指数和水汽

AOD是大气柱中大气气溶胶数量的代表，对气溶胶源区和气溶胶演化的识别具有重要意义。2002-2004年年平均AOD分别为0.79，0.75和0.85。然而，2005、2006和2007的年平均AOD分别为0.74、0.86和1.06，表现出一种上升趋势。表明这一地区的气溶胶数量有所增加。这一增长趋势与先前在中国不同地区进行的研究有很好的一致性，例如乌鲁木齐，盖尔木，哈尔滨，北京和郑州(邱和杨，2000)。

图2a-c显示了北京地区2002-2007年间的月平均AOD、Angstrom指数和水汽，具有标准偏差。北京的AOD有明显的季节变化。AOD平均值在春季和夏季均高于秋季和冬季，夏季平均值最高为0.98。最低月均值为0.42，在2003年1月。这是2006月份的最大值1.62的四分之一。6月份AOD月平均值较高(gt;1.0)，2002-2007年间440nm处最大值为1.13。这数据与早期Eck等人（2005）的研究有很好的一致性。他们研究发现北京6月月平均AOD在500 nm处出现最大值，为1.10。在实验期间春季440nm处的高平均的AOD值高达0.89。这一结果通常高于由MODIS和GMS-5卫星给出的1998年和2001年春季平均AOD值(Li等人，2003；Zhang等人，2003b)。北京AOD值较高的主要是由局部污染源的污染物粒子和长程辐射产生的粉尘颗粒造成的(Zhuang等人，2001)。Singh等人(2004)在堪培尔发现，在2001至2003年间，年平均AOD在500 nm处超过0.6。墨西哥城由于当地工业来源和汽车排放，多年平均AOD在440nm处为0.36(Smirnov等人，2002)。

根据870和440 nm的AOD测量结果计算出的Angstrom指数（ɑ）的值随着粒子尺度减小而增大，它的最大值等于分子的4倍，超粗粒子的最小值接近于零，甚至为负值。春季ɑ值在0.05-1.74之间变化，平均值为1.0。夏季ɑ值在0.19-1.80之间，平均较高为1.27。秋季0.04-1.70，平均值1.16。冬季0.06-1.59，平均值1.18。如图2b所示，月平均ɑ在春季最低。最小值为四月的0.80。Yu等（2006）表明在北京2001-2005年的沙尘天气期间，ɑ平均值为0.42。春天较低的Angstrom指数主要是由沙尘事件中存在的粗矿物颗粒所致。最高月平均ɑ出现在8月份，2002-2007年间8月平均ɑ为1.33，清楚地说明了细颗粒污染物的存在。

图2C显示了水汽的月变化。水汽变化范围为0.2-3.8cm，最大值出现在夏季。冬季月平均水汽小于0.3。6年的年平均水汽量春季为0.96cm，夏季为2.60cm，秋季为1.11cm，冬季为0.33cm。

3.2 粒径分布

图3显示了北京2002~2007年间气溶胶的季节平均体积尺度分布。气溶胶体积尺度分布为双峰对数正态结构：细模态(rlt;0.6mm)和粗模态(rgt;0.6mm)。细模态最大半径在春季、秋季和冬季为0.15mm，在夏季为0.19mm。粗模态最大半径所有季节均为在3.0mm。当夏季水汽含量最高时，细模态中值半径的增加可能与吸湿性颗粒物的增长有关。如图3所示，尺度分布在不同季节的优势模式上表现出明显的差异。在春季，由于粉尘的存在，粗模式明显占优势粗、细模态体积浓度比为2.61。在夏季，细模态的振幅比其他季节要大，这表明气溶胶组分的复杂性受到夏季污染排放影响而显著升高。

3.3 单次散射反照率（SSA）

图4显示了北京在2002-2007年间440nm，675nm，870nm和1020 nm波段的季节平均SSA很容易发现SSA对波长的敏感度较低，在4个波长上，春夏两季范围为0.88-0.92，秋冬两季范围为0.85~0.89。如图4所示，SSA在440-675 nm处增加，然后在675-1020 nm处下降。在所有季节。北京的SSA最高和最低分别为7月(0.92)和12月(0.85)，春季和夏季SSA的月平均值分别为0.92和0.85。春夏两季月平均SSA比秋冬两季大。SSA低值的出现主要是由采暖期间城市气溶胶吸收优势所导致的。

在北京440 nm处

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