成都夏季气溶胶消光特性研究

本文利用成都2017年6~8月的米散射微脉冲激光雷达观测数据,对成都夏季气溶胶消光系数、边界层高度以及气溶胶光学厚度进行了反演,并结合太阳光度计观测资料、地面颗粒物浓度以及大气能见度数据研究了气溶胶消光系数日变化与月变化规律,气溶胶消光系数的垂直分布特征及影响因素。结果表明:气溶胶消光系数的日变化受人类活动以及边界层日变化影响显著,表现出凌晨与傍晚最大,早晨次之,午后最小的特征。消光高值出现在200m以下和300~700m的高度区间,夜间观察到的消光高值可能与颗粒物在夜间近地面浓度较高以及本地夜间降水频发有关。激光雷达反演的消光系数与光度计反演的气溶胶光学厚度在夏季各月的表现一致,夏季各月消光极值均出现在100~150m的近地面层。近地面消光系数与地面颗粒物浓度之间具有较好的正相关,并且粒子粒径更小时相关性更好。气溶胶光学厚度主要来自低层大气的贡献,0.1~0.2μm的细粒子气溶胶占比对于大气消光有主要影响,但气溶胶对大气的消光影响除了与粒子浓度有关,还与粒子的理化性质有关。      

2007年冬季大连市区气溶胶垂直剖面特征

选用2007年1月8—30日期间8个无云天的激光雷达资料进行分析。基于Fernald方法反演得到气溶胶消光系数廓线,结合无线电探空资料分析了边界层内气溶胶时空分布,并将反演的激光雷达最低观测高度处(180 m)的气溶胶消光系数与地面PM10、能见度资料进行对比分析。结果表明：冬季大连市区气溶胶主要分布在2 km以下区域,早晨和夜间在0.5 km以下区域经常存在一个气溶胶层;气溶胶消光系数廓线与探空资料较吻合;反演激光雷达最低观测高度处(180 m)的气溶胶消光系数与地面的PM10浓度呈正相关,与能见度呈负相关,相关性较好。     

基于激光雷达的宁波地区气溶胶垂直分布特征研究

利用2016年宁波逐时气象观测资料、大气成分监测资料及气溶胶激光雷达资料,对宁波地区霾日进行判定,并对不同天气状况下气溶胶垂直分布特征进行分析。结果表明:2016年宁波地区霾日共70天,轻微霾最多为54天。气象要素和颗粒物浓度在霾日和非霾日都有明显日变化特征,除风速以外,能见度、PM2.5和PM10在霾日和非霾日有非常显著的差异。霾日和非霾日均在高度为0.00.5km时,气溶胶消光系数最大,贡献率分别为53.3%和40.5%。不同季节气溶胶消光系数变化范围有明显差异,消光系数在霾日秋季的>冬季的>春季的;非霾日冬季的>秋季的>春季的>夏季的。秋冬季多冷空气活动,多污染物输送造成霾日消光系数明显高于非霾日的,秋季两者消光系数峰值差异达0.47km^-1。夜间到早晨由于扩散条件不利,容易有污染物的积累增长。春季轻微霾在02时前后消光系数最大,可达2.9km^-1;轻度霾08时在1.4km处的最大,可达2.8km^-1。秋季轻微霾在0.5km以下,02时、08时有消光系数峰值区,最大可达1.0~1.2km^-1。冬季多静稳天气,扩散条件较差,气溶胶消光系数日变化规律不明显,随着霾程度的加重,消光系数波动幅度增大,无霾或轻微霾时消光系数为0.0~1.0km^-1,轻度和中度霾时,消光系数峰值从1.2km^-1增大到2.2km^-1。     

北京奥运会期间气溶胶光学特性垂直分布特征

利用激光雷达观测资料,分析了奥运会期间气溶胶消光系数的垂直廓线,并结合后向轨迹方法对北京地区污染来源以及污染控制措施效果进行了初步分析。观测数据表明:1)2008年消光系数较之2007年在不同高度层的降幅并不相同,600m以下的年际降幅最为显著,1200～4000m高度范围次之。2)各类型消光系数垂直廓线出现频次的统计显示,2008年影响北京的主要廓线类型为边界层上部最高型,而非近地面最高型,说明2008年近地层消光系数有明显的降低。另外,利用后向轨迹法对近地层消光系数降低的原因进行了分析,结果表明,当近地层气团中污染物主要来自于北京周边地区时,400m以下气溶胶消光系数的年际降幅可达18.1%,这说明北京周边区域大气污染控制措施对改善北京近地面层气溶胶污染起到了重要作用。     

利用MODIS卫星和激光雷达遥感资料研究香港地区的一次大气气溶胶污染

利用MODIS可见光通道气溶胶光学厚度的卫星遥感和523 nm波长微脉冲激光雷达 (MPL LIDAR) 对气溶胶消光系数垂直分布的观测，分析了珠江三角洲地区2003年6月一次气溶胶污染过程中气溶胶光学厚度的分布特征、气溶胶消光系数廓线的演变，认为这次污染过程是弱高压控制下的区域性污染，而香港地区污染物浓度的上升与区域性输送有直接关系，结果表明卫星和激光雷达的光学遥感方法提供了研究大气污染的可行手段。     

合肥市郊低层大气的激光雷达探测研究

利用L300米散射激光雷达对合肥市郊大气边界层进行长期系统观测.分析讨论了大气边界层气溶胶消光系数与温度、湿度的关系, 大气边界层气溶胶消光系数垂直分布和时间变化的主要特征, 给出了激光雷达探测的大气边界层高度的统计特征及其与无线电气象探空仪探测大气边界层高度的比较结果.     

激光遥测大气气溶胶的尺度谱分布

在采用Deirmendjian气溶胶谱分布模式条件下,利用多波长激光雷达所探测的气溶胶消光系数,通过与Mie散射理论计算的气溶胶消光系数拟合的方法,可获得气溶胶的尺度谱分布。     

北京一次污染过程气溶胶光学特性及辐射效应

利用地面激光雷达、太阳光度计观测反演气溶胶光学特性参数,结合PM_2.5观测数据,分析了2018年1月25—28日北京一次完整污染过程中气溶胶光学特性变化。基于观测数据,利用短波辐射传输模式计算了不同程度污染日,晴空背景下气溶胶对辐射加热率的改变程度。结果表明:清洁日（25日）,PM_2.5日平均质量浓度为19.00 μg·m-3,440 nm气溶胶光学厚度为0.13,单次散射反照率为0.87,整层气溶胶消光系数低于0.10 km-1,短波辐射均为增温效应;污染期间（26—27日）,PM_2.5日平均质量浓度为83.21 μg·m-3,气溶胶光学厚度为2.48,气溶胶散射能力增强,单次散射反照率达到0.94,气溶胶主要消光层厚度提升至3.00 km高度,消光系数平均值为0.43 km-1,气溶胶在垂直方向的变化导致气溶胶中上层（1.50~3.00 km高度）加热作用强烈,短波辐射加热率平均值达到13.89 K·d-1,而低层（1.50 km高度以内）加热作用较弱,加热率平均值仅为0.99 K·d-1。气溶胶散射能力增强导致加热作用减弱,污染日加热率对于气溶胶散射能力变化更敏感。     

基于微脉冲激光雷达观测资料的半干旱区沙尘天气消光效应分析

利用兰州大学半干旱区气候与环境观测站（SOCAL）的微脉冲激光雷达（MPL）2008年4月30日至5月2日观测资料,对晴朗天气、浮沉天气及扬沙天气过程中气溶胶垂直分布的连续变化、物理机制进行了对比分析与探讨。结果表明MPL很好地反映出不同天气过程中大气气溶胶廓线的日变化特征：受人类活动影响,天气晴朗时,早晨9时开始在0—2km范围出现气溶胶聚集区,持续至15时,气溶胶平均消光系数〈0．20km-1;受沙尘输送影响,浮尘天气时,气溶胶聚集区高度范围为1—2km,高层气溶胶富集区高度范围为5—7km,气溶胶平均消光系数0．38km-1;扬沙天气时,气溶胶聚集区高度范围为0—1km,浓度远大于浮尘天气,但高层气溶胶浓度较小且分布较均匀,气溶胶平均消光系数〉0．50km-1。     

青海格尔木大气气溶胶地基激光雷达观测研究

本文利用中国科学院大气物理研究所自行研制的MARMOT(Middle Atmosphere Remote Mobile Observatory in Tibet)激光雷达系统,于2013年8月~2015年5月在青海省格尔木市(36.25°N,94.54°E)开展了准连续夜间气溶胶垂直分布的观测实验,初步获得了青藏高原北部地区上空气溶胶的消光系数反演结果。本文挑选晴朗无云观测时段进行典型个例分析,发现冬季测站上空空气污染程度比夏季和秋季严重。分析发现气溶胶的垂直消光廓线分布与背景天气系统和人类活动都有密切的关系,说明了人类活动对环境气溶胶浓度有非常大的影响。将激光雷达反演的气溶胶消光系数结果与CALIPSO卫星数据进行了对比,两者具有良好的一致性,验证了激光雷达所获数据的可靠性。     

广州市大气能见度影响因子的贡献研究

通过对广州市2004年10月1日~11月5日污染性气体NO2、气溶胶散射系数和吸收系数以及粒子化学成分组成等观测资料的分析,得到了影响广州市大气能见度因子的贡献比例:大气气溶胶散射bsa为75.26%、大气气溶胶吸收baa为12.89%、水汽bsw为5.78%、气体吸收bag为3.68%、大气分子散射bsg为2.38%;给出了不同粒径段气溶胶对散射的贡献比例;然后采用逐步多元线性回归得到了大气干气溶胶散射系数与PM2.5、PM10及化学成分的经验关系式;并给出了广州市区气溶胶的质量散射系数。     

降水现象对大气消光系数和能见度的影响

大气中各种粒子对大气消光系数和能见度有不同程度影响,除气溶胶粒子外,降水粒子对能见度影响也不可忽视。为了解降水粒子对能见度的影响,确定能见度变化与降水现象之间的关系,该文在分析降水粒子的大小、速度、形状、谱分布、光学特性等特征的基础上,忽略气溶胶粒子的影响,建立基于实测谱分布的降水与能见度的理论模型,讨论不同类型降雨、降雪对大气消光系数和能见度的影响。同时选取Parsivel降水粒子谱仪在南京地区的降雨和降雪观测记录,利用实测数据来对比验证本文所建立的降水-能见度理论模型。结果表明:能见度随着降水强度的增大呈指数降低;受降水粒子特性和天气条件等多种因素影响,能见度与降水强度之间的关系并不是唯一对应的;降雨和降雪对能见度的影响各不相同,相比而言,降雨对能见度的影响比较容易确定,而降雪对能见度的影响比较复杂,主要因为雪花或冰晶的类型复杂多变,对大气消光系数有不同程度的影响。结合理论分析和实测数据对比验证,降水现象对能见度的影响得到了证实。     

乌鲁木齐不同分级气溶胶理化特征及其对大气消光的影响

2010年初采暖季,应用FA-3型气溶胶粒度分布采样器在乌鲁木齐市天山区对粒径在10μm以下的气溶胶分九级进行采样,并应用ICS3000离子色谱仪对其进行离子成分测定,结合同期AE-31型黑碳仪和Aurora-1000型积分浊度计测量所得的吸收系数和散射系数数据进行分析。研究结果表明,乌鲁木齐冬季气溶胶质量浓度0级(9.0-10μm)至2级(4.7-5.8μm)逐渐减小,2级至5级(1.1-2.1μm)逐渐增至最大值,5级到8级(亚微米级)又逐渐减小。离子总浓度的分布与气溶胶质量浓度类似,6级(0.65-1.1μm) 吸附可溶性离子能力最强,出现总离子浓度的峰值。各离子除Ca2 和Mg2 分布于粗模态外,SO42-,Na ,NH4 ,NO3-,Cl-和K 均在5-6级达到峰值。细粒子质量浓度远大于粗粒子,且吸附可溶性离子的能力也远大于粗粒子。消光系数与PM10,PM2.5,PM1.0和PM2.5-10的回归分析表明,用PM2.5质量浓度来模拟消光更有意义。采用多元线性逐步回归的方法分析不同粒径段上化学成分与气溶胶散射系数的关系,只有1.1-2.1μm和0.65-1.1μm这两个分级的硫酸盐和铵盐进入回归公式,可见这两分级的硫酸盐和铵盐对消光系数的贡献最大。     

近10年中国16个台站大气气溶胶光学厚度的变化特征分析

应用宽带消光法从1993～2002年中国16个辐射观测站小时累积太阳直接辐射资料,反演了逐时气溶胶光学厚度值,并统计日、月、年的平均值,用作气溶胶光学厚度变化特征分析.结果表明,16个辐射站总的年平均气溶胶光学厚度在0.32～0.36之间变化,沈阳和郑州两站的气溶胶光学厚度有明显增加的趋势,而哈尔滨、兰州、广州、北京等站气溶胶光学厚度则有明显减弱的趋势.就季节变化而言,一般气溶胶光学厚度最大值出现在春季.月平均气溶胶光学厚度与月平均能见度有较好的负相关关系.     

A Novel Four-Wavelength Transmissometer for Distinguishing Haze and Fog

Haze and fog exhibit different microphysical and optical properties according to Mie scattering theory. Haze particles are smaller than fog droplets. Light of a shorter wavelength is reduced more than that of a longer wavelength during haze events. In fog, the differences between the extinction coefficients at different wavelengths are not as apparent. On the basis of the different light extinction characteristics of haze and fog, a novel four-wavelength transmissometer based on charge-coupled device （CCD） imaging was designed to distinguish haze from fog with central wavelengths at 415, 516, 650, and 850 nm. The four-wavelength transmissometer was tested in an insitu experiment during the winter of 2009. Fog was determined when the differences of the extinction coefficients at the four wavelengths were not notable, whereas haze was determined when the light at shorter wavelengths was significantly more reduced than that at longer wavelengths. A threshold which describes the relative size of the extinction coefficients at the four wavelengths was defined to distinguish between fog and haze. The four-wavelength transmissometer provided results consistent with the commercial fog monitor during several measurements made in fog and haze events, especially under conditions of low visibility and high relative humidity.     

Stratospheric Aerosol Extinction Profile Retrieval from SCIAMACHY Limb Measurements

Stratospheric aerosol extinction profiles are retrieved from Scanning Imaging Absorption Spectrome- ter for Atmospheric Cartography （SCIAMACHY） limb scatter measurements. In the process of retrieval, the SCIATRAN radiative transfer model is used to simulate the limb scattering radiation received by the SCIAMACHY instrument, and an optimal estimation algorithm is used to calculate the aerosol extinction profiles. Sensitivity analy- ses are performed to investigate the impact of the surface albedo on the accuracy of the retrieved aerosol extinction profiles in the northern midlatitudes. It is found that the errors resulting from the bias of the assumed surface albedo in the retrieval are generally below 6%. The retrieved SCIAMACHY aerosol extinction profiles are compared with corresponding Stratospheric Aerosol and Gas Experi- ment （SAGE） II measurements, and the results indicate that for the zonal mean profiles, the SCIAMACHY retrievals show good agreement with SAGE II measurements, with the absolute differences being less than 2.3 × 10-5 km-1 from 14-25 km, and less than 5.9×10-6 km-1 from 25-35 km; and the relative differences being within 20% over the lati- tude range of 14-35 km.     

上海地区大气气溶胶光学特性的初步研究

上海是东亚重要的沿海城市之一,其上空大气气溶胶光学特性的研究对了解上海及我国东部沿海地区的环境和气候影响等方面都具有重要性,至今尚无这方面的实际观测分析。本工作利用2000年6月到2002年12月之间测得的上海地区太阳直接辐照度数据,分析之后得出大气气溶胶光学厚度值,并统计分析了大气气溶胶光学厚度的季节变化及其与地面能见度的关系,最后给出了气溶胶消光谱。通过上述工作,发现上海地区大气气溶胶光学厚度具有夏季最大,春季次之,冬季最小的相对稳定的特点。此外,地面能见度及其倒数作为一个相对容易获得的参数,与大气气溶胶的光学厚度具有较好的相关性,可以考虑将其倒数作为一个约束气溶胶光学厚度分布的物理参数,这对今后的观测和研究都具有一定的实际意义。     

An Empirical Method for Estimating Background Stratospheric Aerosol Extinction Profiles over China

The current paper introduces an empirical method for estimating the vertical distribution of background stratospheric aerosol extinction profiles covering the latitude bands of 50±5°N,40±5°N,30±5°N,and 20±5°N and the longitude range of 75 135°E based on Stratospheric Aerosol and Gas Experiment (SAGE) II aerosol extinction measurements at wavelengths of 1020 nm,525 nm,452 nm,and 386 nm for the volcanically calm years between 1998 2004.With this method,the vertical distribution of stratospheric aerosol extinction coefficients can be estimated according to latitude and wavelength.Comparisons of the empirically calculated aerosol extinction profiles and the SAGE II aerosol measurements show that the empirically calculated aerosol extinction coefficients are consistent with SAGE II values,with relative differences within 10% from 2 km above the tropopause to 33 km,and within 22% from 33 km to 35 km.The empirically calculated aerosol stratospheric optical depths (vertically integrated aerosol extinction coefficient) at the four wavelengths are also consistent with the corresponding SAGE II optical depth measurements,with differences within 2.2% in the altitude range from 2 km above the tropopause to 35 km.     

An Empirical Model for Estimating the Zonal Mean Aerosol Extinction Profiles from SAGE II Measurements

This paper presents an empirical model for estimating the zonal mean aerosol extinction profiles in the stratosphere over 10°-wide latitude bands between 60°S and 60°N, on the basis of Stratospheric Aerosol and Gas Experiment（SAGE） II aerosol extinction measurements at 1.02, 0.525, and 0.452 μm during the volcanically quiescent period between 1998–2004. First, an empirical model is developed for calculating the stratospheric aerosol extinction profiles at 1.02 μm. Then, starting from the 1.02 μm extinction profile and an exponential spectral dependence, an empirical algorithm is developed that allows the aerosol extinction profiles at other wavelengths to be calculated. Comparisons of the model-calculated aerosol extinction profiles at the wavelengths of 1.02, 0.525, and 0.452 μm and the SAGE II measurements show that the model-calculated aerosol extinction coefficients conform well with the SAGE II values, with the relative differences generally being within 15% from 2 km above the tropopause to 40 km. The model-calculated stratospheric aerosol optical depths at the three wavelengths are also in good agreement with the corresponding optical depths derived from the SAGE II measurements, with the relative differences being within 0.9% for all latitude bands. This paper provides a useful tool in simulating zonal mean aerosol extinction profiles, which can be used as representative background stratospheric aerosols in view of atmospheric modeling and remote sensing retrievals.