中国北方大气气溶胶微物理特性研究

利用AERONET(Aerosol Robotic Network)榆林、北京、香河、兰州四站点的数据分析中国北方大气气溶胶的光学和物理特性。分析内容包括:气溶胶光学厚度、单次散射反照率、复折射指数、散射不对称因子、Αngstrom波长指数、气溶胶体积尺度谱分布。分析结果表明:春季光学厚度为四季中最大;沙尘源区的Αngstrom波长指数和光学厚度的关系较为简单,且随光学厚度的增加呈降低趋势,下游地区Αngstrom波长指数和光学厚度关系较为复杂;所有站点的体积谱分布均呈双峰分布,夏半年积聚态为主模态,冬半年粗模态为主控模态;粗粒子的散射不对称因子大于细粒子的。     

太湖地区气溶胶光学特征分析

利用AERONET太湖站2007—2010年大气气溶胶光学特性数据,基于马氏距离聚类分析对太湖地区气溶胶进行分类研究。结果表明,气溶胶光学厚度(AOD)夏季达到最大(1.29),Angstrom波长指数(AE)在秋季达到最大(1.31);单散射反照率(SSA)均值在春季和秋季达到最大(0.92);不对称因子(ASY)均值在夏季达到最大(0.66);气溶胶粒子谱分布呈现双峰分布;太湖地区气溶胶粗模态粒子主要来源于北方的沙尘以及近海海域的海盐颗粒,细模态粒子主要来自人为污染尤其是汽车尾气、工业废气等的排放;吸收性气溶胶光学厚度(AAOD)夏季出现最大值0.11,AE夏季出现最小值1.0,说明该地区气溶胶粒子包含了典型的黑碳气溶胶。太湖地区混合类气溶胶占比最多(54.08%),其次是城市工业类气溶胶(18.95%);不同类型气溶胶占比的季节性差异较明显,秋季混合类型气溶胶占比最大(65.30%),城市工业类型在夏季占比最高(32.07%),春季受到远距离输送的影响,沙尘类占比最高(21.01%)。     

沙尘和霾气溶胶的物理特征比较

粒子尺度谱和复折射率指数是描述大气气溶胶的基本物理参数,也是遥感大气气溶胶光学厚度的基本假定量,决定了光学厚度遥感的准确程度。本文分析了中国气溶胶遥感网反演的北京周边的沙尘和霾天气下大气气溶胶的体积谱和复折射指数,结果表明:沙尘和霾天气下气溶胶的体积谱均呈现双峰对数正态分布,霾气溶胶粒子体积谱在细模态(0.1～1μm)和粗模态(1～10μm)的占比大体相当,沙尘气溶胶粒子体积谱中粗模态占比远远高于细模态,以粗粒子为主;将实际测量的复折射率同HITRAN 2008数据库中各种类型的气溶胶复折射率光谱数据相比,类沙尘粒子的复折射指数同沙尘气溶胶最为接近,水溶性粒子同霾气溶胶最为接近,在大气气溶胶遥感中如果缺少复折射率的光谱数据,可考虑将类沙尘粒子和水溶性粒子的复折射率光谱数据(0.2～40μm)外推近似代替沙尘和霾气溶胶用于紫外和红外遥感。本研究可为利用紫外光谱和红外光谱定量遥感沙尘和霾气溶胶研究提供参考和依据。     

西北地区气溶胶光学特性及辐射影响

利用SACOL（兰州大学半干旱气候与环境观测站）2006~2012年AERONET（全球气溶胶自动监测网）level 2.0和太阳短波辐射计资料,分析了中国西北地区气溶胶的光学特性与辐射影响。利用辐射传输模式SBDART（平面平行大气辐射传输模式）检验TOA（大气层顶）处辐射强迫为正的原因。BOA（地表）、TOA、Atmosphere（大气）的辐射强迫年均值分别是-59.43 W m-2、-17.03 W m-2、42.40 W m-2,AOD（光学厚度,550 nm）年均值0.37,α（波段的波长指数,440~675 nm）年均值0.91,变化趋势与AOD位相相反,当AOD为0.3~2.2时,α很小（0.0~0.2）,表明粒子尺度很大。SSA（单次散射反照率,675 nm）年均值0.93,g（不对称因子,675 nm）年均值0.68,复折射指数（675 nm）实部年均值1.48,虚部0.007。复折射指数实部的年变化趋势与AOD一致,虚部与AOD反位相,所以西北地区多为粗模态散射性气溶胶。气溶胶对大气的加热率最大值出现在0~2 km,随高度递减。冬、夏半年在地表加热率分别是2.6 K d-1和0.6 K d-1;季节变化中,冬季、秋季、春季和夏季,在地表的加热率依次是2.5 K d-1、1.4 K d-1、1.2 K d-1和0.2 K d-1,主要因为秋季气溶胶的吸收性大于春季。地表反照率和SSA对TOA正辐射强迫贡献率分别是22.5%和77.5%。     

基于遥感测量的淮河流域中部气溶胶光学和微物理特性分析

利用设置在中国气象局寿县国家气候观象台2017年全年的太阳-天空辐射计CE318数据,对当地一年四季气溶胶光学和微物理特征进行分析。结果表明:春季气溶胶光学厚度最高,夏季和秋季最为接近,也最低,冬季介于夏、秋季之间;AE数据集中在0.9～1.5,以细模态粒子为主;四季的气溶胶体积谱分布基本相似,且既有细模态粒子,也有粗模态粒子;夏季气溶胶折射率实部最小,说明当地夏季水汽含量最大,实部与光谱波长没有明显关系,而虚部则有;单次散射反照率均在80%以上,气溶胶散射效应明显;非球形粒子占主要支配地位且在春季数量最多。研究结果对于掌握淮河流域中部区域气溶胶特征,及其对大气辐射、气候变化的影响,监测空气质量,以及提高我国该特定区域大气辐射传输模型计算精度有重要意义。     

银川地区气溶胶特性的天空辐射计测量

利用地基天空辐射计测定了银川地区2003年10月-2004年8月太阳直接辐射和天空散射辐射,采用"SKYRAD"模式同时反演了银川地区气溶胶光学厚度、波长指数、体积谱分布、折射指数和单次散射反照率,并对结果进行了分析.结果表明:银川地区气溶胶光学厚度具有明显的H变化,4个季节的变化范围分别31%、33%、24%和38%,并主要表现出两种变化类型,而光学厚度的季节变化春季最大,冬季最小,波长指数变化与光学厚度变化基本相反,春季最小,冬季最大,这主要与北方沙尘活动有关;气溶胶尺度分布表现出双峰型结构,一种是位于半径0.15 μm附近的积聚模态,另一种是半径7 μm左右的粗模态,且粗模态浓度远大于积聚模态的浓度;折射指数实部春季明显升高,对波长的敏感性较低,而虚部春季显著下降,并且表现出对波长更低的敏感性,但两者在不同波段的微小变化均表现出了一定的规律性,且虚部表现的更为复杂;单次散射反照率春季显著高于其他季节,并随波长的增加而显著增加,而其他季节单次散射反照率在波长之间虽存在变化,但并没有表现出任何规律性,表明这种变化具有明显的区域性差别.     

近年来华东地区大气气溶胶的时空特征

利用2000年2月—2008年12月的AERONET（AErosol RObotic NETwork）地基观测数据对MODIS/TERRA Collection 005气溶胶光学厚度（aerosol optical thickness;AOT）在华东区域的适用性进行了验证,并利用验证后的MODIS气溶胶产品对华东区域气溶胶光学厚度和尺度分布特征进行了分析。结果表明,（1）通过验证比较,MODIS的AOT在华东区域与AERONET站陆基观测到的AOT具有非常好的一致性,满足美国NASA的设计要求。（2）华东区域的气溶胶光学厚度存在明显的时空分布特征。时间上,在春季和夏季达到最大,而在秋季和冬季最小,表现出明显的季节变化规律。空间上,气溶胶光学厚度受地形影响明显。其高值区主要分布在平原地区,而低值区主要在海拔较高的山区。（3）该区域的气溶胶尺度分布也存在显著的变化特征。在冬、春由于沙尘输送的影响,整个华东区域气溶胶粒子的尺度都比较大,主要以自然生成的沙尘粒子为主。而在夏、秋季由于夏季风和降水的影响,气溶胶粒子的尺度都比较小,以工业排放的人为气溶胶粒子为主。     

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。     

东亚沙尘源区与下游地区气溶胶光学特性比较

利用AERONET观测资料从气候学的角度比较分析了2001-2011年东亚地区沙尘天气发生时沙尘源区和下游区大气气溶胶光学特性。结果表明：沙尘期间沙尘源区气溶胶光学厚度明显大于下游区,而Angstr?m波长指数却小于下游区,当沙尘暴出现时会降至零甚至负值。气溶胶粒子尺度体积谱分布除敦煌为单峰外,其余各站均呈双峰分布,香河和北京的细粒子浓度明显大于西北地区,这可能是由细的沙尘粒子和污染气溶胶共同造成。在440-1020 nm范围内,中国地区气溶胶单次散射反照率平均值为0.93,韩国和日本站分别为0.93和0.94。沙尘源区与下游区相比,复折射指数实部偏大,虚部偏小。总体来说,沙尘天气下东亚地区在4个波段内平均不对称因子为0.70。     

天空辐射计观测2006年春季北京地区气溶胶光学特性的研究

利用2006年3～5月天空辐射计观测数据反演得到北京地区春季大气气溶胶光学性质参数,包括大气气溶胶光学厚度(0.5μm)、Angstrm指数、单次散射反射比和粒子谱分布特征。结果表明:北京地区春季气溶胶平均光学厚度0.67,Angstrm指数0.54,单次散射比0.88,粒子吸收性质较弱,粒子谱呈双峰形,以粗粒子为主,粗、细模态粒子粒径分别集中在0.17μm和7.7μm左右。相比2004年此次观测期间气溶胶粒径较大,粒子体积浓度较高,散射作用在其消光特性中的比重略有下降。光学厚度日变化呈单峰型,日间单次散射比随时间逐渐递减,Angstrm指数在上午递减趋势明显,午后变得稳定。对同时观测的天空辐射计与CE-318不同波长光学厚度结果进行比较,结果显示两者得到的光学厚度相关性很好,各波长小时平均结果的相对误差小于7%。     

Aerosol absorption optical depth of fine-mode mineral dust in eastern China

由气溶胶自动观测网(AERONET)反演的细模态气溶胶的吸收光学厚度(AAOD)通常被认为是黑碳气溶胶的AAOD,并且通过这种方法得到的黑碳AAOD已经被用在计算黑碳辐射强迫的研究中。但是这种方法是基于如下假设:直径小于1μm的细模态气溶胶和直径大于1μm的粗模态气溶胶对光的吸收主要分别归功于黑碳和沙尘。为了定量描述细模态沙尘气溶胶对全部细模态气溶胶的AAOD的贡献,我们利用地球系统交互模式(CESM)模拟了中国东部(104–122°E,29–41°N)细模态沙尘气溶胶的AAOD。其中,我们根据9个中国气象局大气观测网(CAWNET)站点观测的细模态沙尘地表浓度调整了模拟的细模态沙尘气溶胶的浓度。结果显示,模拟的中国东部年平均细模态沙尘气溶胶的AAOD的值为3.6×10-3,其中AAOD的最大和最小值分别出现在春季和冬季。细模态沙尘气溶胶对总的细模态气溶胶(细模态沙尘、黑碳和有机碳气溶胶的总和)的AAOD的贡献在春季、夏季、秋季和冬季分别为3.4%、25.2%、12.5%和14.9%,其年平均值为15.1%。这些结果显示当利用AERONET反演得到的细模态气溶胶的AAOD来计算中国东部BC气溶胶的辐射强迫时,去除细模态沙尘粒子的影响显得尤为重要。     

基于MODIS数据的郑州市气溶胶时空变化特征分析

利用NASA发布的MODIS/Terra中Collection6数据集的MOD04_3K气溶胶光学厚度(AOD)产品,进行波段提取、重投影、剪裁等预处理,得到郑州市气溶胶光学厚度资料,对此进行统计分析,研究郑州市气溶胶光学厚度的时空变化特征。结果表明:1)2001-2016年郑州市AOD年均值整体以每年0.0033的速率增加,最大峰值出现在2011年(1.01),以2011年为界,2001-2011年呈显著增长趋势,2012-2016年呈显著下降趋势。AOD季节均值夏季的最大,春季的次之,冬季的最小。2)2001-2016年郑州市AOD夏季均值波动较大,春季均值与年均值趋势基本一致,AOD年均值和季均值与对应时间尺度的降水量有负相关关系。工业产值占GDP比重与AOD年均值呈正相关关系。3)2001-2016年郑州市AOD年均值空间分布呈现北高南低、东高西低的特征,高值区主要分布在新郑市、中牟县、郑州市区、荥阳市及巩义市的西北部。春、夏和秋季的AOD均值空间分布形态基本与年均值的分布一致,冬季的高值区集中在郑州市东南部(新郑市)。     

塔克拉玛干沙漠与撒哈拉沙漠沙尘气溶胶光学特性对比研究

基于2007—2021年CALIPSO和MODIS主、被动卫星遥感探测数据,对塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠的气溶胶光学特性时空分布特征进行探究及对比分析。结果表明：（1）两大沙漠的沙尘气溶胶对总气溶胶的贡献率最大,气溶胶类型季节变化的相对单一性反映了塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠地区存在沙漠沙尘排放对总气溶胶成分的显著影响;（2）塔克拉玛干沙漠气溶胶光学厚度AOD的峰值出现在春季（春季>夏季>秋季>冬季）,而撒哈拉沙漠AOD的峰值出现在夏季（夏季>春季>秋季>冬季）;（3）撒哈拉沙漠总气溶胶抬升高度与塔克拉玛干沙漠相近,但近地面层消光系数明显小于塔克拉玛干沙漠;塔克拉玛干沙漠的消光系数平均值在所有季节中均大于撒哈拉沙漠,故塔克拉玛干沙漠的沙尘气溶胶AOD比撒哈拉沙漠的大;相比沙漠沙尘气溶胶,塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠都无明显的污染沙尘和抬升烟活动。上述研究结果揭示了两大沙漠源区沙尘气溶胶光学特性的观测事实与利用大气气溶胶时空变化特征反映区域气候变化的可能性。     

宁夏典型沙尘天气条件下气溶胶分布特征研究

利用2006-2010年期间云—大气气溶胶激光雷达红外探索卫星(CALIPSO)星载激光雷达(CALIOP)数据和宁夏地区常规气象观测资料,分析研究了典型沙尘天气条件下宁夏地区大气气溶胶光学性质的分布特征。结果表明:CALIPSO资料能有效地反映宁夏地区沙尘气溶胶相关特性的垂直分布特征。在沙尘天气下,处于贺兰山背风坡海拔较高区域的沙尘可以被抬升到对流层中层以上,近地层大气中主要以粗粒子为主,不规则的非球形气溶胶随着高度的增加而增加,高层大气中以波长比在0.4~2.0之间的粗粒子为主、退偏比在0.4以上的不规则非球形气溶胶在7 km、10 km左右高度出现极大值,这与沙尘天气下湿度垂直分布廓线相一致。在晴空天气条件下,退偏比均在0.2以下,波长比主要在0.2~0.4之间,且两者出现频率随高度的变化较小。在沙尘天气下宁夏地区气溶胶光学厚度主要分布在0.60~2.00之间,晴空天气下主要分布在0.33~0.43之间。     

2010年秋季鞍山气溶胶光学特征变化

利用2010年9-11月鞍山大气成分监测站CE-318太阳光度计观测资料,依据气溶胶光学厚度测量原理,计算得到2010年鞍山秋季大气气溶胶光学厚度、波长指数等大气光学特性数据,通过统计分析,给出鞍山秋季气溶胶光学特性分布特征。结果表明：随着测量AOD波段的降低,AOD值逐渐增大,9月的AOD平均值最大,10月AOD平均值次之,11月AOD平均值最小。从频率分布看,2010年9月 AOD日均值集中分布在0.4-0.6之间,10月和11月AOD日均值集中分布在0.0-0.4之间,表明10-11月大气较为清洁|波长指数日均值的频率分布说明鞍山秋季大气污染物以细粒子为主。500 nm 的AOD值与波长指数成对数关系,两者在9、10月和11月的相关系数分别为0.5145、0.8412和0.2715;9月AOD与PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度为较小负相关,10月和11月AOD与PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度成正相关,且10、11月AOD与气溶胶细粒子相关性较为显著。AOD值与能见度在趋势上呈较小的负相关性,可能是由于高层气溶胶粒子对气溶胶光学厚度产生了主要影响。     

黑碳气溶胶光学厚度的全球分布及分析

利用全球气溶胶数据集GADS(Global Aerosol Data Set)计算了冬夏两季黑碳气溶胶质量浓度分布以及在波长0.55μm处的光学厚度、吸收系数和散射系数在全球的分布,并分析了原因。通过分析黑碳气溶胶复折射指数虚部、单次散射反照率、非对称因子、吸收系数、散射系数和消光系数随波长的变化,得出黑碳气溶胶的吸收系数和散射系数在小于0.5μm的短波范围内具有相同的数量级,随着波长的增大,吸收系数比散射系数大几个数量级;黑碳气溶胶对小于1μm的短波有强烈的吸收作用。另外还给出了冬夏两季南北半球及全球黑碳气溶胶平均光学厚度值、7个地区黑碳气溶胶光学厚度及质量浓度最大值,其中冬季黑碳气溶胶光学厚度的最大值为0.027 5,位于东亚地区;而质量浓度最大值为1.555μg/m3,位于西欧地区。     

利用激光雷达观测资料研究兰州气溶胶光学厚度

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2006—2011年晴空无云时激光雷达（CE-370—2）资料,结合2006年12月至2007年5月多波段太阳光度计（CE-318）资料,对比验证了激光雷达资料的反演结果,并分析了兰州地区气溶胶光学厚度的分布特征。结果表明：激光雷达反演得到的光学厚度与光度计观测得到的光学厚度,两者具有较好的相关性,相关系数为0．86。兰州地区气溶胶光学厚度3—5月和11-12月较大,主要原因是3—5月是当地沙尘频发期,11—12月是居民集中采暖期,沙尘排放和燃煤排放显著增加了大气气溶胶光学厚度。气溶胶光学厚度6～10月偏小,湿沉降清除是主要的影响因素。光学厚度季节分布为春季0．42,冬季0．36,秋季0．30,夏季0．21。光学厚度频数分布于0．0～0．3的最多,占总数的一半,且存在季节差异。兰州上空夏季干净,春季浑浊,冬季次浑浊。     

利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性

利用微脉冲激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318, 在兰州观测分析了2007年3月27~29日扬沙过程沙尘气溶胶辐射特性, 并利用HYSPLIT-4模式分析了沙尘过程气溶胶粒子的后向轨迹。分析表明, 此沙尘过程气溶胶粒子的传输路径主要有两条： 一条起源于青海西北经西宁抵兰州, 另一条起源于塔克拉玛干沙漠经河西走廊抵兰州; 沙尘气溶胶主要集中于离地1.5 km高度层内; 沙尘气溶胶消光系数随高度先增加, 到0.2 km左右高度达到最大, 然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型, 最高峰出现在28日12:00, 次高峰在27日22:00。验证表明由CE370-2得到的气溶胶光学厚度与CE-318得到的很接近; 雷达观测资料的处理方法可以较好地反演气溶胶消光系数和光学厚度。     

2001年春季中国北方大气气溶胶光学厚度与沙尘天气

利用敦煌、北京等5个观测站的大气光学厚度[AOT(λ)]资料，分析了2001年春季中国北方大气气溶胶光学厚度的时空分布特征。结果表明，在观测期内各站每月都有大气气溶胶光学厚度高值[AOT(λ＝0．50μm)≥1．04]出现，与我国北方历年在春季发生的沙尘天气的一般时空分布特征基本一致。本文还探讨了大气气溶胶光学厚度与水平能见度以及沙尘天气之间的关系。     

中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫及气候效应的数值模拟

分析了MODIS卫星资料反演的2001年我国中东部地区气溶胶光学厚度的时空分布特征，并利用中尺度数值模式MM5对该地区硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应进行了模拟。结果表明:2001年四川盆地、长江中下游地区、黄淮一带及两广等地区气溶胶光学厚度较大。各季光学厚度变化不同，全年以春季最大。地面温度响应呈现出明显的区域季节变化特征，主要表现为冬、春、秋季南方降温幅度明显，夏季北方降温幅度明显。就区域平均而言，2001年中东部地区晴空时气溶胶辐射强迫以春季最大，达-34.53 W/m2；夏季次之，达-22.76 W/m2；冬季再次，达-22.57 W/m2；秋季最小，达-20 W/m2。地面降温则以冬季最大，达-0.65℃；秋季次之，达-0.37 ℃；春季再次，达-0.34 ℃；夏季最小，达-0.09 ℃。