黄土高原半干旱区沙尘气溶胶光学和微物理特性

利用2006-2012年兰州大学半干旱气候与环境观测站太阳光度计资料,采用严格判断方法确定出沙尘气溶胶数据,分析沙尘气溶胶的光学和微物理特性。结果表明,沙尘气溶胶光学厚度最大值(2.80)出现在春季,主要分布在0.3~0.8,日均值0.63。ngstrm波长指数与光学厚度位相相反,春季最小(0.002),秋季最大(0.525),主要分布在0.2~0.4,日均值0.27。沙尘多为大粒径气溶胶,粒子谱粗模态占主导。总粒子和粗模态粒子体积浓度变化很大,与光学厚度年变化一致,在4月达到最大。有效半径与复折射指数实部变化一致,春、冬季较大,夏、秋季较小。单次散射反照率冬、春小,夏、秋较大,最小值出现在2月,与复折射指数虚部反位相。     

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。     

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%。     

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。     

贺兰山地区沙尘气溶胶瞬时谱分析及拟合

利用APS-3310A型激光空气动力学粒子谱仪，1998年4、5月和1999年4月在贺兰山附近的巴音浩特、盐池、银川等地采集了具有代表性的背景大气、浮尘、扬沙、沙尘暴天气条件下沙尘粒子谱分布资料。对粒子瞬时谱的统计分析发现：不同的沙尘天气过程中，气溶胶的瞬时浓度存在很大差别。扬沙、沙尘暴天气过程中，气溶胶浓度变化较大；浮尘天气过程中，气溶胶浓度变化较小。沙尘现象越强，粗粒子（d〉2．5μm）越多，各粒径段浓度变化越明显。不同过程，粗细粒子对粒子表面积浓度贡献程度不一。沙尘气溶胶粒子谱型为单峰结构，对粒子的瞬时谱进行了谱型拟合，其具有对数正态分布函数的特征。     

消光法反演腾格里沙漠地区沙尘气溶胶谱分布

对腾格里沙漠4～9月份的整层大气气溶胶的光学遥感观测结果进行了分析。结果表明,由于消光因子对大粒径粒子消光效应的不敏感性,决定了消光法仅可较好地反演粒径在0.1～5μm之间的气溶胶谱分布特征,特别是对0.1～1μm的大粒子谱分布的反演结果更为稳定;腾格里沙漠气溶胶粒度谱分布基本符合Junge谱;浮尘天气的谱分布同干洁晴好天气的谱分布有着很大的差异,浮尘天气下粒径在0.1～1.0μm的大粒子以及粒径>1.0μm的巨粒子数有明显的增加,浓度要比干洁天气下的大几个量级。在干洁晴好天气下,腾格里沙漠的气溶胶是均一的、稳定的,而且>1μm的大粒子浓度很小;气溶胶的谱分布几乎是一致的,谱形大致为Junge谱,在粒度0.4～1.0μm范围内有一明显峰值。     

华北及其周边地区秋季气溶胶光学性质的星载和地基遥感观测

利用2004～2009年秋季臭氧监测仪的3级观测资料,分析了华北及周边地区的气溶胶光学性质。结果表明:大部分区域气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)和气溶胶紫外吸收指数(Ultra Violet Aerosol Index,UVAI)平均值分别高于0.8和0.75;高气溶胶事件发生频次统计表明,AOD高值(>0.4)频发于北京及其周边地区,UVAI高值(>1.0)频发于河北中部及南部地区;华北及其周边地区绝大多数城市平均AOD和UVAI分别高于0.7和0.60,而张家口、承德和阳泉3个城市的平均AOD和UVAI值分别低于0.6和0.65。作者进一步研究了2006年10月30日的一次霾事件中气溶胶的光学性质以及其时空分布特征。结果表明,霾由华北地区输送至渤海海域,并向东北方向输送;香河地基EZlidar激光雷达的垂直观测结果进一步表明,工业和城市型气溶胶主要集中在1500m以下,其中高浓度部分集中于650m以下,平均峰值位于285m,平均消光系数达2.15km-1;CALIOP卫星观测资料结合后向轨迹分析表明,大气低层气溶胶类型以工业和城市型气溶胶为主,而高层则由于上游大气输送沙尘粒子的混入使气溶胶类型转变为污染—沙尘型。霾事件期间,香河站CE-318太阳光度计观测的AOD平均值(标准差)从背景值0.08(0.04)升高至1.17(0.14);ngstrm指数平均值(标准差)从背景值0.90(0.10)升至1.12(0.09);核模态、积聚模态和粗模态的气溶胶粒子数柱总量均增加,其中细粒子所占比例明显升高。     

EOS/MODIS资料在陕西自然灾害监测中的应用

1　沙尘天气监测　　在形成沙尘暴的各种主要沙尘微粒中,粒径大于11μm的是小于1μm的3～5倍。在利用卫星遥感监测沙尘暴中,主要应考虑大粒子沙尘的光学和辐射传输特性。沙尘粒子在不同光谱区间有不同的尺度参数,而且粒子半径越大,其尺度参数越大,散射能量越向前集中,吸收消光也同时增加,散射比下降;天空中大粒子浮尘增多时,光线被强烈吸收,能见度则急剧下降。根据沙尘和大粒子气溶胶的散射和辐射特性,以及MODIS数据较宽的光谱范围和空间覆盖度以及随时间变化的资料连续覆盖的特点,可以看出MODIS更适合对地球大气、海洋和陆地进行表面特…     

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。     

沙尘气溶胶卫星遥感现状与需要关注的若干问题

沙尘暴是全球干旱、半干旱地区特有的一种灾害性天气,所产生的沙尘气溶胶是全球气溶胶系统重要组成部分,对全球环境、天气、气候和生态有复杂的影响。沙尘气溶胶作为一种吸收性气溶胶,对太阳辐射有着较强的吸收,还能通过加热大气、改变大气稳定度、蒸发云滴、减少云量等"半直接方式"影响气候。卫星遥感对沙尘气溶胶的监测具有独特的优势,是全球沙尘研究的重要手段。本文系统整理和介绍了目前常用的可见近红外、热红外、被动微波、紫外和主动激光测量等五类卫星遥感沙尘气溶胶的主要方法,在总结典型遥感仪器和主要产品基础上,讨论了遥感产品的定量精度和地面验证问题,结合辐射传输理论模拟了可见近红外和热红外的卫星观测,探讨了可见近红外遥感的地表反照率影响和热红外高光谱遥感的波段选择问题,最后对未来的一些研究重点进行了展望。     

一次霾天气条件下石家庄上空大气气溶胶数浓度的飞行探测与特征分析

利用2010年8月30日河北省石家庄一次霾天气条件下的气溶胶飞行探测资料,分析了石家庄地区上空658—6933 m高度范围内大气气溶胶粒子平均数浓度、平均直径的垂直分布特征和9个水平飞行高度上的谱分布特征。结果表明:轻度霾天气条件下的气溶胶平均数浓度为325个/cm3,平均直径为0.169μm。在约1000 m高度以下,气溶胶平均数浓度随高度的增加呈线性减少趋势。粒径也随高度增加而减小,由0.187μm减小至0.164μm。1000 m高度以上,气溶胶平均数浓度随高度减少趋势变缓,粒子平均直径在0.167~0.171μm范围内波动。9个不同高度上的谱分布都呈单峰型,随着高度增加,谱宽变小,峰值向小尺度方向移动。后向轨迹计算分析表明:污染气团的远距离输送可能是导致大气1500 m高度层气溶胶数浓度突增的原因。     

2008年北京奥运会期间大气气溶胶物理特征分析

应用MODIS卫星的气溶胶产品资料和地面的光学粒子计数器的资料,对比分析了北京地区2006、2007、2008年7～9月的气溶胶光学厚度、细粒子光学厚度、Angstrom指数、气溶胶粒子数浓度谱及体积谱,发现2008年北京奥运会期间(7月20日～9月20日)的气溶胶光学厚度比2006、2007年同期明显降低,气溶胶细模态光学厚度占总光学厚度的比上升,Angstrom指数上升,气溶胶细粒子数浓度没有明显相对变化,而粗粒子数浓度则减少约50%.利用大气标高,将MODIS反演的气溶胶柱的质量浓度转化为地面气溶胶质量浓度.用粒子计数器得到的体积谱,在假定气溶胶粒子密度的情况下,计算出其质量浓度.将这两种方法得到的气溶胶质量浓度与国家环境保护部公布的空气质量指数换算得到的可吸入颗粒物(PM10)质量浓度进行比较.结果表明:北京奥运期间空气质量总体达到了国家二级空气质量标准;与2006、2007年同期相比,2008年气溶胶PM10质量浓度明显下降,而这主要是由气溶胶粗粒子的减少引起的.     

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。     

从反射太阳光谱反演大气气溶胶体积谱分布的理论研究

由大气顶射出太阳辐射的形式解出发,结合球形粒子的米散射理论,由反射太阳光谱推导获得了反演整层大气气溶胶粒子体积谱分布的权重函数。在权重函数特征分析的基础上,根据一个简单的线性反演算法,利用大气辐射传输计算模拟的大气顶反射太阳光谱,反演获得了不同气溶胶浓度和复折射率条件下的气溶胶粒子体积谱。结果表明,初步建立了一套自洽的大气气溶胶体积谱分布的反演方法。通过米散射计算获得的反演参数考虑了波长对粒子半径的权重特征,使气溶胶体积谱的反演具有了明确的物理依据;同目前常用的查算表方法相比,简化了反演方案中参数化的复杂程度。     

北京地区沙尘天气气溶胶飞机观测特征

利用3次沙尘天气期间的气溶胶飞机观测资料,分析了北京地区在3种沙尘天气下气溶胶垂直分布特征。结果显示:逆温层的存在对扬沙个例的垂直分布有影响。数密度谱的分布基本呈单调递减,但边界层内扬沙、浮尘和沙尘暴个例都在0.13~0.3μm间存在峰值,而扬沙个例在0.8μm,浮尘个例在6.5μm以及沙尘暴个例在2.8和6.5μm处出现次峰值。沙尘中细粒子的有效直径是人为源气溶胶粒子的4到10倍。浮尘天气整个粒子谱宽从近地面层开始随高度先增大后减小,到3000m达到最大,这与高空输送有关;扬沙个例沙尘粒子谱分布显示近地面层大于50μm段粒子谱无论数浓度还是谱宽都明显高于浮尘和沙尘暴个例,这与扬沙是局地大风扬尘引起有关;沙尘暴个例谱宽在接近云底达到最大,说明大粒子已经被携带到一定高度,与蒙古气旋云系的上升运动有关。     

北方沙尘气溶胶光学厚度和粒子谱的反演

利用CE-318太阳光度计在内蒙古额济纳旗、东胜、锡林浩特三地观测的2002年6月喇3年5月间的太阳直接辐射数据，应用消光法反演大气气溶胶光学厚度[AOT（λ），Aerosol Optical Thickness]和粒子谱分布，并分析其变化特征。结果表明，该地区气溶胶光学厚度具有明显的时空变化：春季最大，冬季最小，AOT（λ=440nm）平均最大值为0．78，最小值为0．13。3个观测点中，额济纳旗的光学厚度最大，东胜最小。光学厚度的日变化主要有4种形式：1）早晨高傍晚低；2）早晨低傍晚高；3）早晚低中午高；4）变化平缓。这主要与沙尘天气的发生、大气层结稳定度和人类活动等因素有关。气溶胶粒子谱分布基本符合Junge谱，在粒径0．3μm、0．6μm和1．0μm处出现峰值。但是在不同天气条件下粒子谱有很大差异，在沙尘暴天气中，大粒子和巨粒子数有明显的增加，粒子数浓度要比晴天背景大气大了约一个量级。春季气溶胶粒子数浓度最大，夏秋季次之，冬季最小，但相差不超过一个量级。     

北京上甸子典型天气个例的大气气溶胶数谱分布特征

使用差分淌度粒径分析仪(TDMPS)和空气动力学粒径分析仪(APS)对上甸子区域本底站气溶胶(直径3nm~10μm)数谱分布特征进行观测。利用2008年的观测结果,分析了不同天气(包括沙尘天气、干洁天气和雾霾天气)条件下大气气溶胶数谱分布及其与气象要素和气团来源的关系。结果表明,沙尘天气条件下,上甸子站受西北方向的气团控制,风速较大,粗粒子数浓度明显增加,PM10的质量浓度可以迅速增加到毫克每立方米(mg·m-3)的量级。典型的"香蕉型"新粒子生成事件通常发生在比较干洁晴朗的天气条件下,西北气团主导,大气中背景气溶胶数浓度较低,核模态气溶胶数浓度迅速增长,气溶胶的粒径呈现明显的增长过程,核模态可以平稳地增长到约80nm,达到成为云凝结核的尺度。雾霾天气通常是在西南气团影响下,细颗粒物(1μm以下)不断累积、相对湿度不断升高的条件下发生的。雾霾天气条件下数谱分布的几何中值粒径出现在积聚模态,积聚模态数浓度也高于非雾霾天。个例研究表明,雾霾天气条件下,PM2.5质量浓度可以达到非雾霾天的10倍左右,其中以细颗粒物的贡献为主。在雾霾天气条件下,上甸子站数浓度较高的积聚模态颗粒物主要来自城区的传输,因此对背景地区气溶胶数谱的研究可以为解析城区气溶胶复杂来源提供依据。     

一次霾条件下石家庄上空气溶胶的观测研究

利用2010年9月1日石家庄市区一次飞机探测的气溶胶资料,分析了石家庄市区上空大气气溶胶的数浓度与直径的垂直、水平分布特征及粒子谱分布。结果表明:600—3000 m高度范围内,气溶胶粒子平均数浓度为1443.1个/cm~3,粒子平均直径为0.194μm。3000—6900 m高度范围,气溶胶粒子平均数浓度为95.3个/cm3,粒子平均直径为0.192μm。气溶胶数浓度随着高度增加而迅速减少,受逆温层与云区分布的影响,数浓度曲线呈现一定程度的波动。由于探测当天高空风的影响,粒子数浓度明显比其他霾天气条件下的研究结果要低。云中,气溶胶数浓度与粒子平均直径数呈负相关性。云层对气溶胶的垂直分布影响较大。气溶胶粒子谱覆盖了0.10~1.05μm的尺度范围,粒子主要集中在0.1~0.3μm的范围内。600 m、1200 m、1800 m和3000 m的气溶胶粒子谱呈双峰分布,粒子谱谱型较为相似,4500 m和6900 m粒子谱呈单峰分布。气溶胶粒子尺度谱峰值随高度增加而减少,谱变窄。气溶胶粒子浓度水平变化幅度远小于垂直方向上的变化幅度,受天气条件及下垫面、云区等局地影响因子的影响较大。     

利用静止气象卫星红外通道遥感监测中国沙尘暴

气象卫星的红外窗区通道 (8~12 μm) 对于通常大气气溶胶几乎没有响应, 但对于较大颗粒且浓度较强的沙尘气溶胶, 尤其是沙尘暴有明显的信号反应。空气中的沙尘在红外分裂窗通道表现出两个特征:一是对地表发射到空间的红外信号产生衰减, 造成卫星探测到的地气系统亮温降低, 这就是所谓的红外差值沙尘指数IDDI; 二是沙尘粒子在红外分裂窗两个通道的比辐射率不同, 11 μm比12 μm的比辐射率低, 从而造成这两个通道的亮温差是负值。基于这两个特征和沙尘多通道光谱聚类法, 针对静止气象卫星观测数据进行了沙尘暴卫星遥感监测业务算法开发, 输出沙尘暴监测产品和红外差值沙尘指数产品, 这一算法不仅用于已经退役的GMS-5卫星, 而且应用于正在运行的静止气象卫星FY-2C, 它还为沙尘暴的定量或半定量遥感提供参考借鉴。     

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%)。