沙尘暴影响下北京沙尘气溶胶的垂直分布及溯源分析

采用云-大气气溶胶激光雷达红外探索卫星观测系统(Cloud-Aerosol Lidarand Infrared Pathfinder Satellite Observations,CALIPSO)资料,得出了2013年3月8-11日的一次途经新疆、甘肃、内蒙古等地的沙尘暴,对造成北京的沙尘天气影响下的沙尘气溶胶的空间垂直分布图。在此基础上研究了衰减后向散射系数、退偏振比、色比等光学特性参数。结果表明:在此次沙尘暴影响下造成的北京地区沙尘天气过程中,气溶胶的退偏振比在0.1~0.4之间,色比大于0.3。3月10-11日北京地区的沙尘气溶胶分布高度从3km以下被抬升至约4km。再利用欧拉-拉格朗日混合单粒子轨道模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)和NAAPS全球气溶胶模式,模拟分析了这次沙尘的来源和传输过程,表明此次沙尘起源于南疆盆地和内蒙古中西部,影响甘肃大部、内蒙古中西部、宁夏、山西北部和河北西北部、北京等地区。并用双波长迭代反演法初步反演了3月10、11日北京地区处于沙尘天气情况下的气溶胶光学厚度,分别为0.334和0.621。     

基于CALIPSO卫星资料的华东地区气溶胶垂直分布特征

基于2010年12月1日—2011年11月30日美国国家航空航天局云—气溶胶激光雷达与红外探测者卫星搭载的激光雷达CALIPSO的监测数据,通过分析消光后向散射系数、体积退偏比和色比,得到了华东地区垂直方向上气溶胶粒子的散射能力、尺度、规则程度随高度的变化及其季节变化特征。结果表明:随着高度的增加华东地区大气的散射能力减弱。整层大气不同季节粒子的形状大小不同,春季不规则、大粒径粒子所占比例与其他季节相比较大。夏季较规则、小粒径的粒子较多。各高度层的后向散射系数值分布范围为5×10-4~20×10-4 km-1·sr-1。对不同高度消光后向散射系数、体积退偏比和色比随时间变化的研究表明,春季受沙尘输送的影响,0~4 km大气层中不规则大粒径粒子较多;4~8 km大气层由于所含气溶胶粒子较少,大气散射能力随季节变化不明显;而8~10 km大气层中粒子含量最少,导致大粒径粒子所占比例较高,此外该高度层在秋季不规则、大粒径粒子相对较多,冬季规则、小粒径粒子相对较多。     

华北地区气溶胶垂直分布特征的观测与分析

利用2006 2013年CALIOP激光雷达Level 1B数据的气溶胶衰减后向散射系数、退偏比和色比观测,分析了华北地区大气气溶胶光学特性的垂直分布特征。统计结果显示:2010-2013年,华北地区4-8 km高度范围内衰减后向散射系数均值呈减小的趋势,而0-4 km高度范围内衰减后向散射系数均值呈增长趋势。说明2010年以后近地面层(0-2 km)气溶胶散射作用逐渐增强,高层(4-8 km)气溶胶散射作用逐渐降低,这与近年华北地区霾天气(颗粒物主要聚集在近地层)日趋增加、沙尘天气(沙尘气溶胶层经常存在于4-8 km的范围)有所减少相吻合。20062013年,华北地区冬季0-4 km高度范围内衰减后向散射系数均值最大,近地面层气溶胶散射作用最大,这与该地区冬季取暖燃烧排放增加有关。春、秋两季4-8 km高度范围内衰减后向散射系数均值较大,夏季0-8 km各高度范围内衰减后向散射系数均最小,说明春、秋季节的气溶胶散射贡献主要来自4-8 km的对流层上部大气。春季对流层上部的高后向散射系数与华北地区春季频发的沙尘天气有关,秋季对流层上部的高后向散射系数与华北收获季节的生物质燃烧有关。2008年以后,华北地区2-8 km范围内各高度层的退偏比均值逐年减小,这说明规则的球形气溶胶粒子在近几年有所增加。0-4 km范围的低层大气,2009年后色比均值缓慢增加。而6-8 km范围内的色比均值从2008年后一直都是减小的,说明2008年后对流层上部大气(4-8 km)气溶胶粒子的尺度在减小,这也与近几年沙尘天气减少、霾天数增加的现象是一致的。0-8 km各个高度范围内的退偏比和色比均值春季最大,且退偏比随着高度的增加而增加,再次证明春季华北受沙尘天气影响,不规则的粗粒子气溶胶最多。夏、冬季节近地面层(0-2km)退偏比和色比均值略大于2-4 km高度层的,夏、冬两季近地面主要以人为活动排放的气溶胶为主,冬季除了汽车尾气排放和工业排放外,还有取暖增加的排放。近地面层易受人为活动影响混合一些不规则气溶胶。     

合肥上空卷云和沙尘气溶胶退偏振比的激光雷达探测

研制了一台L300偏振激光雷达,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究.介绍了偏振激光雷达的探测原理,叙述了L300偏振激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法.初步的探测结果表明,合肥西郊上空高度在10 km左右的卷云的退偏振比在0.4～0.5之间,沙尘气溶胶的退偏振比在0.2～0.3范围内,但是剧烈沙尘暴的气溶胶的退偏振比可达到0.4左右.     

东亚三次典型沙尘过程移动路径和特征

东亚地区沙尘移动路径主要有三条,即西北路径、偏西路径和偏北路径,利用CALIPSO卫星的Level 1和Level 2两级数据产品,对不同移动路径沙尘天气的沙尘在远距离传输过程中的空间特征进行对比研究。结果表明:西北和偏西路径沙尘天气过程中,沙尘气溶胶垂直分布高度较偏北路径沙尘天气高;偏西路径较西北路径的沙尘天气而言,污染性沙尘粒子有所增多;不同的沙尘源区和移动路径导致大气中气溶胶粒子类型占比不同;西北和偏西路径的沙尘退偏振比均值相近,表明这两次沙尘天气沙尘成分可能相同。     

西北东部霾的时空特征与天气特征研究

利用常规地面观测资料和CALIOP/CALIPSO卫星遥感资料统计分析了中国西北东部霾的多年变化以及霾事件期间气溶胶光学特性的垂直空间分布特征,并以2013年3月和11月发生在西北东部的霾天气为例分析了霾发生时大气气溶胶粒子的形状及大小的垂直分布特征、对应的天气形势和气象要素的变化。结果表明:西北东部霾日出现频率由20世纪80年代至90年代末逐渐减小,但21世纪起又明显增加;霾事件主要发生在11、12和1月。霾发生时,在对流层内霾影响最严重的区域在距地面2~4 km范围,垂直方向气溶胶后向散射系数的范围集中于0.8×10-3~2.5×10-3km-1·sr-1,且随高度增加而增大;气溶胶的体积退偏比大部分20%,气溶胶较为规则,不规则的多分布在地表向上4 km以下,随着高度的增加气溶胶不规则性减弱。色比数值大部分0.8,8~12 km气层中主要是色比为0.0~0.4的粒子。当高空受高压系统控制,地面为均压场,近地面出现逆温层时易产生霾。     

敦煌沙尘气溶胶质量浓度垂直特征个例分析

针对兰州大学半干旱气候与环境观测站在敦煌地区的沙尘气溶胶加强观测试验,选取2012年春季自然和污染沙尘两种典型天气个例,利用激光雷达退偏观测的优势分离粗(沙尘)、细(背景气溶胶)粒子,反演并对比分析了沙尘气溶胶消光系数及质量浓度的垂直分布特征。研究发现,以4月26日为代表的自然沙尘,粒子退偏比垂直廓线均大于30%,质量浓度呈现单峰结构,1.5 km出现最大值(1 070μg·m~(-3));以4月6日为代表的污染沙尘,有明显的气溶胶分层现象,粒子退偏比介于5%～20%,沙尘质量浓度介于2～45μg·m-3;由于局地污染的影响,污染沙尘的质量消光系数(0.79m~2·g~(-1))明显大于自然沙尘(0. 48 m~2·g~(-1))。因此,为了准确评估沙尘气溶胶的质量浓度,对沙尘天气进行分类,并利用粒子退偏比有效分离沙尘气溶胶尤为重要。     

随机取向沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性研究

利用离散偶极子近似法,数值计算分析了随机取向旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数为0.1~23时（波长0.55 μm对应有效半径为0.01~2 μm）的激光雷达线退偏比特性,通过比较其不同旋转椭球体轴半径比下的差别,研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性的影响.单分散旋转椭球体沙尘气溶胶的激光雷达线退偏比对粒子的轴半径比和尺度参数有很强的依赖性;对于长旋转椭球体,沙尘激光雷达线退偏比较小值出现在瑞利散射区,而较大的值出现在米散射区;对于扁旋转椭球体,在米散射区较大沙尘粒子也可以产生较小的激光雷达线退偏比,例如,轴半径比为1/16,尺度参数为3时的沙尘激光雷达线退偏比仅为0.1%.就随机取向旋转椭球体沙尘粒子而言,对于单分散系,仅当尺度参数小于0.5时,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大;而对多分散系,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大.     

基于CALIPSO的华北地区气溶胶垂直分布特征

利用2007—2014年CALIPSO Level 2气溶胶廓线产品,统计分析了华北地区气溶胶垂直分布规律,并以2013年12月发生的一次大范围霾过程为例,探讨了霾天气中气溶胶垂直变化特征。结果表明,华北地区气溶胶消光系数(σ)随高度指数衰减,年平均标高为2.48 km;1 km以下存在σ高值层,冬季较大、春季较小,年平均为0.333km~(-1)。年平均颗粒退偏振比(Particulate Deploarization Ratio,PDR)随高度递增,变化范围为0.18~0.25;PDR春季较大,夏季较小。年平均色比(Color Ratio,CR)随高度弱增加,变化范围为0.7~0.8;春季CR随高度递减,其他季节随高度递增。华北地区近地面以污染沙尘气溶胶为主;春季以沙尘为主,夏秋季以污染沙尘为主,冬季中高层以沙尘为主,低层以污染沙尘为主。霾事件中,霾日1 km以下存在消光高值层,消光系数约为清洁日三倍。霾日PDR和CR都低于清洁日,2 km以下PDR大多小于0.2,CR以0.3~0.5为主。本地烟尘与远距离输送的沙尘相混合形成的污染沙尘是本次霾过程的主要气溶胶类型。     

塔克拉玛干沙尘天气的激光雷达探测个例分析

利用偏振微脉冲激光雷达对塔中一次沙尘天气过程进行了监测分析,得到沙尘的空间分布结构、变化过程等信息:(1)偏振微脉冲激光雷达对沙尘天气的探测能够区分沙尘暴和浮尘沙尘天气现象;(2)在沙漠近地面发生沙尘暴时段,各高度层沙尘浓度基本上较高,退偏比在0.3~0.4,而在地面发生浮尘开始时段,在4 500 m以上高度沙尘浓度基本上较高,退偏比在0.3~0.4,而在地面发生浮尘开始和结束时段,在4 500 m以下高度沙尘浓度相对较低,退偏比在0.2~0.3左右;(3)沙漠近地面发生沙尘天气时,高空沙尘浓度也较高且来源于周边,高空较高浓度沙尘的持续时间长于近地面。