在台湾，台北地区激光雷达和太阳光度计对对流层气溶胶的柱状光学特性的测量外文翻译资料

 2022-12-07 04:12

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在台湾，台北地区激光雷达和太阳光度计对对流层气溶胶的柱状光学特性的测量

Wei-Nai Chen a,*, Yi-Wei Chenb, Charles C.K. Chou a, Shih-Yang Chang c, Po-Hsiung Lin b, Jen-Ping Chen b

  1. 台湾省台北市环境变化研究中心
  2. 台湾省台北市台湾大学大气科学系
  3. 台湾市台中市中兴医学院公共卫生系

摘要：在2004年2月到2006年1月间用过位于台湾省台北市的退偏振激光雷达和太阳光度计同时测量获得垂直消光廓线和柱状光学特性（光学厚度， Angstrom指数，激光雷达比，和粒子退偏振）。其中太阳光度计测得柱状光学厚度在2-4月份比较高（0.61-0.75），激光雷达测量表明气溶胶在自由大气中对柱状光学厚度贡献值在2-4月份为44-50%在其他月份为26-37%。后向轨迹分析和退偏振测量表明几乎所有的非球形气溶胶起源于中国西北地区，这表明亚洲大陆的尘埃经常在自由大气中从尘埃源地区输送到台北。退偏振低于5%的气溶胶大多起源于中国南部和亚洲东南部。发现了在水汽小于1.5cm时柱状激光雷达比，粒子的退偏振和Angstrom指数之间的良好相关性。简要的讨论水汽对粒子退偏振的影响。

  1. 介绍

东亚的特点是因为大量的人口和能源消耗造成的大量和快速增长的人为排放。在大气中这些气体和气溶胶成分对大气的结构、性能和组成成分有着重要的影响。自然和人为气溶胶都能影响气候变化，直接的通过对太阳辐射的散射和吸收（Charlson et al.，1992）和间接的它们作为云滴核的能力(Twomey, 1991)。在台湾，主要的大气气溶胶自然成分是来自于中国大陆的干旱和半干旱大区的矿物粉尘(Liu and Shiu,2001)，主要的人为成分是本地区或者东南亚地区的硫酸盐和生物质的燃烧烟雾（Wang et al.，2007）。

气溶胶光学厚度是影响气候的主要参数之一。气溶胶对光的散射和吸收造成太阳辐射的减少并且影响能见空气的质量，从而影响大气质量和能见度(Seinfeld and Pandis,1998)。因此，气溶胶特性的表征是了解它们对地球大气辐射收支的影响至关重要。此外，气溶胶微物理特性可以根据其地理来源如城市、农村、海洋或大陆，和当地的气象条件来进行分类(Muller et al., 2007)。在本文中，我们通过在激光雷达和太阳光度计在台北的测量，提出了加强（取决于浓度）的气溶胶的柱状光学特性，例如Angstrom指数，柱状的光学特性，消光后向散射比（所谓的激光雷达比），和粒子的退偏振等。激光雷达比通常被当做一个粒子特性(Muller et al., 2007)，城市气溶胶通常为20-80sr，生物质燃烧通常为45-65sr，而亚洲粉尘多为30-40sr(Ansmann et al., 1992; Takamura et al., 1994; Anderson et al.,2000; Liu et al., 2002)。Angstrom指数是反应颗粒大小的一个很好的指标Schuster et al., 2006)。较高的值（大于2）通常在聚集态颗粒物上观测到，而低值（接近0）在粗颗粒物上可以观测到比如说粉尘(Wang et al., 2004)。通常退偏振被广泛的当做非球形颗粒物卷云滴和粉尘的指标。(Sassen, 1991; Iwasaka et al., 2003)。在台湾，我们发现台南和台北观测到的柱状光学厚度和气溶胶浓度之间的不同的相关性可能是由于对流层气溶胶的非垂直性和良好的混合性引起的。因此，想要了解地面污染物的变化，获取气溶胶的垂直廓线是很有必要的。激光雷达是一种高时空分辨率的主动遥感探测对流层垂直廓线的有效技术。然而，从后向散射激光雷达测量的数据反演气溶胶消光廓线需要激光雷达比的相关知识（Klett，1981；Fernald，1984）。激光雷达比是一个取决于气溶胶的粒度分布，形状和组成的复杂变量。在无法直接得到激光雷达比的情况下，柱状激光雷达比可以通过有激光雷达测得的气溶胶消光和独立测得的气溶胶光学厚度在垂直方向的的积分得到(Welton et al., 2002; Chazette, 2003)。在这项研究中，这个方法适用于激光雷达反演的同时从太阳光度计中测量柱状气溶胶光学厚度。

在这项研究中，太阳光度计测得2-4月份的柱状光学厚度比较大(0.61–0.75)。激光雷达垂直消光/退偏振廓线和后向轨迹分析显示，巨大的光学厚度是因为人为的气溶胶和粉尘通过自由大气从中国华南地区和西北地区输送而来所引起的。通过讨论这些加强的光学特性间的关系，我们发现状激光雷达比，粒子的退偏振和Angstrom指数之间存在良好的相关性以此为例我们发现水汽柱小于1.5cm，这意味着激光雷达比和退偏振比取决于干燥环境下的例子大小。

  1. 仪器与方法

测量柱状气溶胶光学特性和垂直消光廓线的太阳光度计和退偏振激光雷达安装在台北气溶胶和辐射天文台（TARO）位于台湾大学校园内（25.014°N，121.53°E）。一套气溶胶和辐射的测量包括PM10，PM2.5（颗粒为10和2.5mu;m或更小），激光雷达，和太阳光度计在TARO环境变化研究中心（RCEC）。中央研究院研究了城市气溶胶的物理-化学特性及其对台北市大气质量和太阳辐射收支的影响。TARO位于台北盆地中心，资料所提供的气溶胶特性来自一个亚热带城市。TARO所在的地理位置如Fig.1.所示。

Fig.1.TARO的地理位置

2.1CIMEL太阳光度计

柱状气溶胶光学厚度（AOD）是由CIMEL ELECTRONIQUE ce318-1太阳自动跟踪太阳光度计测量辐射反演。CIMEL太阳光度计测量包括七个光谱辐射通道（340，380，440，500，675，870，和1020 nm）。每隔15分钟纪录直接太阳辐射，每隔1小时纪录天空辐射。作为AERONET计划的一部分，由CIMEL测得数据被发送到美国宇航局戈达德太空飞行中心用来反演气溶胶光学厚度，水蒸气，单次散射反照率，不对称因素和粒子分布。CIMEL会在夏季进行校准，然后只在11-5月进行测量。AERONET数据有三个可用的级别：等级1.0（非屏蔽），等级1.5（云筛选），和等级2.0（质量保证）。在这项研究中，2级的AOD、柱状Angstrom指数（CAring;），柱状水蒸气（CW）被用来进行现在的分析。柱状水蒸气的可降水量表示为单位面积液体水的体积单位（cm3 cm-2）。其中降水量在赤道约为5cm而在两极为这的十分之一。

2.2RCEC/ASNTU激光雷达

RCEC/ASNTU激光雷达是一种利用了在532nm和355nm波段Nd:YAG激光器的第二次和第三次谐波的退偏振激光雷达系统，由环境变迁研究中心，中央研究院（以下简称RCEC）和台湾大学大气科学系（以下简称ASNTU）。激光雷达系统通过探测大气分子和气溶胶粒子的瑞利/米后向散射来测量气溶胶后向散射垂直分布，消光和退偏振（在532nm通道）。激光雷达的详细参数在Table1.中给出。

在研究期间，激光雷达进行了常规下乌云自由的条件的测量。激光雷达信号平均每分钟采集一次，每15分钟计算一次平均来提高信噪比。后向散射信号弹性瑞利/米散射激光雷达的雷达方程描述如下：

(1)

其中是激光的功率；是从高度z处接收到的光子数；A是系统校准因子（包括望远镜面积和探测器的效率），和是体积散射系数，和是空气分子 （m）和气溶胶（a）的体积消光系数。

在这项研究中，通过克莱特的反演方法由以下方程表示解决激光雷达方程（Klett，1981，1985）：

(2)

(3)

其中；是气溶胶后向散射系数在高度的初始值；和是气溶胶和空气分子的激光雷达比（消光后向散射比）定义为。对于空气分子，。在本文中，通常取值在假定无气溶胶()的7-9km。在后文也简略为。

为了克服未知激光雷达比的不确定度，太阳光度计测得的气溶胶光学厚度将用来在各种方程中代替来约束激光雷达信号反演获得柱状雷达比。方程(2)和(3)让气溶胶消光系数的测量等同于光学厚度AOD的测量。波长为355nm和532nm的气溶胶光学厚度是分别从340-380nm和500-675nm的气溶胶光学厚度中得出的。柱状气溶胶后向散射系数能简单的从气溶胶光学厚度和激光雷达比的比值中得到：

(4)

柱状后向散射比能够这样得到：

(5)

两例测量在2004 /2/18 10:09 LT（当地时间）和2004 /11/10 11:53 LT都显示在Fig. 2中,展示的气溶胶垂直消光廓线和柱激光雷达比所使用的方法如上所述。其中在2004/2/18 10:09 LT和2004/11/10 11:53 LT测得作为例子的气溶胶光学厚度，柱状激光雷达比和柱状粒子的退偏振分别为0.86,57 sr，6.1%和0.23,42 sr，5.3%。按照Wandinger和Ansmann (2002)提出的重叠校准方法，由于激光束与望远镜视角之间的重叠引起的信号衰减问题我们的激光雷达的0-400m信号是不可靠的。由于气溶胶通常被公认为在混合层内混合，因此在在混合高度高于400m的情况下我们假设400m一下的气溶胶已经充分混合。退偏振比是形状不规则度的一个指标。激光雷达的测量结果显示，由于形状的不规则，如亚洲灰尘，生物质燃烧，海盐会表现出明显的退偏振特性。退偏振比接近于0的是球形颗粒。对于干燥或结晶的硫酸盐，退偏振比约为2% (Cooper et al., 1974; Sassen et al., 1989)。总的退偏振比TDP定义为垂直和平行的回波信号比(Sugimoto et al., 2002)。在这项研究中，柱状集成激光雷达信号被用来计算柱状总退偏振比cTDP。为了消除空气分子所提供的信号，柱状气溶胶粒子退偏振(cPD)用下列方程从柱状总退偏振比cTDP和柱状后向散射率中求出：

(6)

其中和分子退偏振比被设为1.4%(Weber et al., 1967; Young, 1980)。

  1. 结果和讨论

台北是一个亚热带城市，冬天和春天通常是多云的。实验期间，在155天中2.0级的AOD是可用的，我们采用了激光雷达和太阳光度计进行测量。尽管有少数太阳光度计能搞在夏天（6-9月）进行测量，但是没有与之一致的激光雷达。

    1. 柱状光学性质的年变化

激光雷达和太阳光度计的月平均的柱状气溶胶光学厚度（500 nm）一致的测量显示在Fig. 3中；每个误差条都标识着标准差。在Fig. 3中我们观察到柱状AOD值在2-5月（0.61-0.75）差不多是10-1月（0.25-0.39）2倍高。高月平均Angstrom指数也发现在2-5（月），这表明气溶胶以细颗粒物为主。柱状AOD气溶胶物理特性直接相关，如数密度或质量浓度，气溶胶的折射率，和颗粒大小等(van de Hulst, 1957)。为了研究2-5月份的AOD，同步在TARO测量PM2.5和PM10的地表气溶胶质量浓度，太阳光度计测得的柱状Angstrom指数和水蒸气在Table 2中列出作为参考。其中柱状Angstrom指数和水蒸汽被用来推断颗粒大小和相对湿度信息。

我们发现AOD的高值与柱状水汽不相关。气溶胶在较高的相对湿度下会生长，会产生较高的散射截面。在Table 2中，我们可以发现水汽在12-4月（1.8-2.8cm）比较低，在5、10、11月（3.6-4.0cm）比较高。同时Angstrom指数在2-4月（1.40-1.49）比较高，在其他月份（1.22-1.32）比较低。柱状水汽在12-4月因为冬季季风从亚洲大陆带来干燥和寒冷的空气从而比较低。较高的柱状水汽应该是因为亚洲西南季风从亚洲西南地区带了超市的空气。在2-4月的低柱状水汽和高Angstrom指数意味着大气柱相对干燥，气溶胶相对较小，因此，这一结果表明高柱状AOD与粒子大小无关而是由于柱状水汽或相对湿度的变化引起的。

在2-4月份的高柱状AOD应该与污染物随着东北季风的长距离输送有关(Lin et al., 2004)。随着经济的增长，东亚地区的空气污染物在过去几十年中迅速增加。在冬季和春季，台湾及其附近经常处于起源于中亚的东北季风影响下。在东北季风期间来自中国大陆的污染物长距离输送可使台湾北部的PM10增加50%-70%(Lin et al., 2004)。在Table 2，PM10和PM2.5的1-5月月平均（分别高达83mu;g m-3和51mu;g m-3，特别是2月）大体上高于在10-12月（分别高达63mu;g m-3和33mu;g m-3）揭示了高PM2.5和PM10是因为中国大陆的污染物长距离输送引起的。然而，PM10和PM2.5

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