天空辐射计观测反演北京城区气溶胶光学特性

利用2018年10月—2019年9月天空辐射计观测数据反演北京城区气溶胶光学特性参数,重点分析污染过程中气溶胶光学特性与气象条件的相关性。结果表明:500 nm气溶胶光学厚度在2—7月较大,最高值出现在6月,为0.71。单次散射反照率最高值出现在8月,为0.96;最低值出现在5月,为0.89。440~870 nm ?ngstr?m波长指数最高值出现在夏季,为1.11;最低值出现在春季,为0.89。统计发现污染日数仅占总日数的17%,其中62%为轻度污染;污染和清洁天气条件下PM_2.5浓度分别为107.22 μg·m-3和47.16 μg·m-3,500 nm气溶胶光学厚度分别为0.85和0.49,单次散射反照率分别为0.96和0.92;冬季?ngstr?m波长指数在污染天气条件下（1.02）大于清洁天气（0.91）,春季相反。结合天空辐射计、激光雷达和气象数据分析2019年1月一次污染事件,可知低风速与高湿度等不利气象条件、气溶胶粒子的吸湿增长和二次转化、污染物局地排放及区域输送共同导致污染事件发生。     

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.     

2006年春季沙尘天气下背景地区大气气溶胶光学特性的观测研究

利用2006年3～5月北京上甸子本底站气溶胶细粒子(PM2.5)质量浓度、吸收和散射系数的连续观测资料,对2006年春季上甸子本底站清洁、污染输送及典型沙尘天气下气溶胶的消光特性进行了分析.结果显示:①本底站在春季清洁情况下PM2.5质量浓度、吸收和散射系数的日均值水平分别为:10 μg/m3、7 Mm-1和20Mm-1左右,单散射反照率分布在0.71～0.78之间;此次观测到的污染输送过程中PM2.5质量浓度、吸收和散射系数平均值分别为:145 μg/m3、44.5 Mm-1、374.3 Mm-1,单散射反照率分布在0.84～0.94之间;沙尘影响期间,PM2.5质量浓度、吸收和散射系数以及单散射反照率的测量结果分布在248.2～424.1 μg/m3、10.8～44.7Mm-1、225.4～392.5 Mm-1和0.89～0.96之间.②观测得出,沙尘影响集中的时段细粒子质量浓度、气溶胶散射系数和气溶胶吸收系数都成倍地上升,其中质量浓度和散射系数上升的幅度要高于吸收系数.③3种天气条件的对比结果显示.受沙尘天气影响PM2.5质量浓度明显上升,且逐时波动幅度大;吸收系数远高于清洁天气下的观测结果,但比污染输送过程的测量结果偏低;散射系数同样高于清洁天气下的观测结果,与污染输送情况下的测量结果接近.沙尘天气导致颗粒物浓度明显上升,其对气溶胶粒子散射作用的贡献要大于吸收作用.     

南京气溶胶光学特性地基观测研究

利用2013年南京地区CE318太阳光度计地基观测反演资料,分析了气溶胶光学特性的变化特征,并根据图解法对该地区气溶胶类型分布特征进行研究。结果表明:南京地区气溶胶光学厚度(AOD)月平均的最大值出现在1月(0.97±0.49),最小值出现在7月(0.53±0.37),全年均值为0.71±0.42。除了3月受沙尘事件影响外,ngstr9m波长指数(α)在全年其余月份值均高于0.8,最大值出现在8月和12月(1.24±0.17);AOD季节平均值在冬季(0.85±0.47)和春季(0.72±0.45)略高于夏季(0.63±0.40)和秋季(0.62±0.36)。α季节平均值特征表现为冬季(1.18±0.16)夏季(1.15±0.32)秋季(1.05±0.33)春季(0.86±0.21);AOD的日变化呈现早晚高,白天比较稳定的特征,冬季呈现出单峰变化特征,峰值出现在13∶00(1.05±0.64);工业型和城市型复合污染导致细粒子污染占比较高,全年AOD和α频率分布呈现明显的单峰分布特征,峰值中心分别位于0.53和1.2,对应最大频率分别为21%和16%;根据α和δα函数图解法得到南京地区AOD高值区(0.7)主要集中在细模态粒子增长部分(1.0α1.4,δα0,η~70%),粒径范围在0.10~0.15μm之间。     

2006年春季西北地区黑碳气溶胶的观测研究

利用西北地区兰州、敦煌和塔中3个观测站2006年3-5月黑碳气溶胶（black carbon aerosol;BC）的观测资料及相关台站PM10和气溶胶光学厚度（aerosol optical depth;AOD）的观测数据,分析该地区2006年春季BC分布特征。结果表明：兰州地区BC质量浓度均值最高,达2．22μg／m^3,敦煌地区为1．89μg／m^3,塔中地区为2．07μg／m^3,低于北京、上海和珠三角等地区,高于瓦里关本底站观测值。BC的日变化具有明显的峰值峰谷特征,一般在12：00—14：00质量浓度低,08：00前后和20：00前后质量浓度较高,这主要取决于其源的日变化及其在近地层中的湍流交换以及大气稳定度的日变化等。表明西北地区BC与PM10的相关性非常小,相关性最好的塔中地区总体小时观测值的相关性仅为0．24,BC主要来自当地的人类活动,PM10的主要成份是沙尘气溶胶;由于沙尘气溶胶对辐射也具有一定的吸收特性,当出现沙尘天气时,BC的测量值受其影响将增加50％以上：大量的沙尘中也携带了少量BC．但其所占比例有限。     

河西走廊农业区春季气溶胶光学特性

为研究干旱农业区农耕季节气溶胶的基本光学特性,2014年4月利用地面气溶胶移动集成系统在甘肃武威黄羊镇农场开展气溶胶综合观测试验。结果表明,河西走廊黄羊镇农场PM2.5和PM1.0的散射系数以及PM2.5的吸收系数分别为98.2±38.3、74.6±29和8.8±6.3 Mm-1,均小于中东部地区观测值。气溶胶单次散射反照率为0.90±0.03,PM2.5和PM1.0的Angstrom指数分别为1.31±0.29和2.10±0.24。散射系数和吸收系数的日变化具有明显的双峰特征,单次散射反照率在散射系数出现峰值的时间段出现谷值。黄羊镇农场受人为气溶胶影响较大,西、西南和东南方向来的气溶胶散射系数和吸收系数值较大,西北方向传输过来的气溶胶主要是农业生产活动产生的。     

北京地区大气气溶胶光学特性监测研究

该文依据气溶胶光学厚度测量原理,利用CE318太阳光度计,于2000年7月～2001年7月期间对北京地区大气气溶胶光学厚度进行观测试验,计算得到约50天的气溶胶光学厚度和Junge参数等大气光学特性数据,给出了北京地区气溶胶光学特性分布特征.计算统计得到北京城区晴空条件下的Junge参数为3 15、2001年3月份沙尘天气状况下急剧下降为2.28,而北京郊区顺义县的测量结果介于二者之间为2.65.分析表明,由试验获得的气溶胶光学特性数据对于分析和监测北京地区大气污染、改善北京地区空气质量具有一定的意义.     

北京地区春末-秋初气溶胶理化特性的观测研究

分析了1997年5～9月和1998年4～9月北京整层大气气溶胶光学厚度、近地面气溶胶粒子数浓度的日变化、季节变化及其与气象要素的关系,还分析了 1997年5月16日、7月21日和8月2日收集的北京单个气溶胶粒子样品的形态、大小和化学元素组成.结果显示,北京地区春末-秋初整层大气气溶胶光学厚度在0.1～1.6之间变化;气溶胶数浓度(D>0.3μm)为几～几百个/cm3;整层大气气溶胶光学厚度的日变化型式与近地面气溶胶数浓度呈现相反的走向;气溶胶光学厚度和数浓度的日、季节变化显示了整层大气和近地面大气气溶胶与该地区气象、气候条件的关系.气溶胶数浓度与大气相对湿度呈正相关,与风向的关系是偏东风数浓度大,西、西南风数浓度小.电子显微镜分析的结果表明:颗粒物的形态以不规则形、丸形、液态滴形和方形为主;颗粒物化学元素组成有Si、K、S、Al、Mg、Ca、Fe等元素;人类活动排放的Zn、P、Ti、pb、Ba等元素也探测到;北京近地面粒子的一个显著特点是富含Ca和K元素,它们可能分别来自建筑粉尘和有机物的燃烧;给出了一个典型的碳黑粒子和一个粒子经过凝结过程的"卫星"滴环绕的矿物粒子的照片和元素谱图.     

气溶胶辐射特性的观测研究

利用一个简化的辐射平衡模式,讨论了气溶胶直接辐射强迫和气溶胶辐射特性以及与地面反射率之间的关系。模式分析表明,增加气溶胶层以后,地气系统对太阳辐射的反射率可能增大,也可能减少,取决于气溶胶的单散射反射率~ω0、不对称度因子g与地面反射率αg之间的配置,但与气溶胶光学厚度δ没有直接的关系。气溶胶光学厚度值仅和反射率变化的幅度成正比。从辐射平衡模式的结果可知,为了定量地研究气溶胶直接辐射强迫作用,需要有系统的有关气溶胶辐射特性的观测资料。从地面和空间对中国地区气溶胶的辐射特性开展了观测研究,包括从地面用太阳光度计测量气溶胶的光学厚度、用浊度计测量气溶胶的散射系数、黑碳仪测量气溶胶的吸收系数,并且利用MODIS资料反演气溶胶的光学厚度。地面太阳光度计观测的气溶胶光学厚度用于检验卫星遥感的气溶胶光学厚度值,对中国东部地区,遥感的结果是可以接受的,主要是由于这一地区存在较低的地表反射率;但对中国北方植被条件不很好的地区,在遥感反演时对地面反射率的估计可能偏低,如做适当的修改还有可能提高遥感反演的精度。从地面直接测量气溶胶的散射系数和吸收系数算出的气溶胶单散射反射率在0.8左右,需要有更多的观测,以便进一步查清这一问题。     

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。     

A Review of Aerosol Optical Properties and Radiative Effects

Atmospheric aerosols influence the earth's radiative balance directly through scattering and absorbing solar radiation, and indirectly through affecting cloud properties. An understanding of aerosol optical properties is fundamental to studies of aerosol effects on climate. Although many such studies have been undertaken, large uncertainties in describing aerosol optical characteristics remain, especially regarding the absorption properties of different aerosols. Aerosol radiative effects are considered as either positive or negative perturbations to the radiation balance, and they include direct, indirect (albedo effect and cloud lifetime effect), and semi-direct effects. The total direct effect of anthropogenic aerosols is negative (cooling), although some components may contribute a positive effect (warming). Both the albedo effect and cloud lifetime effect cool the atmosphere by increasing cloud optical depth and cloud cover, respectively. Absorbing aerosols, such as carbonaceous aerosols and dust, exert a positive forcing at the top of atmosphere and a negative forcing at the surface, and they can directly warm the atmosphere. Internally mixed black carbon aerosols produce a stronger warming effect than externally mixed black carbon particles do. The semi-direct effect of absorbing aerosols could amplify this warming effect. Based on observational (ground-and satellite-based) and simulation studies, this paper reviews current progress in research regarding the optical properties and radiative effects of aerosols and also discusses several important issues to be addressed in future studies.     

火山气溶胶对北京地区臭氧总量变化趋势的影响

分析了1979～1995年北京地区臭氧总量的变化趋势、1980～1994年整层气溶胶光学厚度和1981～1985、1990～1994年平流层气溶胶光学厚度。分析依据的数据资料来自Dobson仪器所观测的臭氧总量资料和太阳辐射表提供的气溶胶光学厚度资料。结果表明,1979～1995年期间北京地区臭氧总量年变化率为-0.269%,1982～1985、1991～1994年间臭氧总量年变化率分别高达-0.954%和-1.439%。这说明厄尔奇琼火山和皮纳图博火山爆发对臭氧总量减少可能起到重要作用。     

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。     

2004年北京地区秋季大气气溶胶粒子分布特征

2004年秋季在北京地区利用机载大气气溶胶粒子探头进行了大气气溶胶观测,获得了0～7 km气溶胶细粒子数浓度和尺度谱分布的垂直、水平变化特征.结果表明:北京地区上空气溶胶粒子数浓度在1 km左右高度以下的混合层内有均匀的分布,明显递减层的高度范围约在1～2 km之间,2 km以上随高度递减很小,高层气溶胶数浓度变化不大...     

2006年北京春季气溶胶吸收系数的分离研究

对2006年春季北京城区大气气溶胶中沙尘和黑碳气溶胶吸收系数的波长指数及其对总吸收系数的贡献进行了估算。结果表明：2006年春季北京城市地区测点,黑碳气溶胶吸收系数随波长的变化呈指数递减,假设某些天的气溶胶吸收无沙尘的贡献,估算的波长幂指数a＝-0.92。另外,计算了北京3次浮尘天气下沙尘气溶胶对吸收系数（520 nm波段）的贡献,计算表明,在浮尘天气影响期间,沙尘气溶胶对吸收系数的贡献平均为32.8%,黑碳气溶胶仍是浮尘影响期间城市气溶胶吸收消光的主要物质。     

CALIOP对一次秸秆焚烧后气溶胶光学特性的探测分析

采用星载激光雷达(Cloud - Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization,CALIOP)资料研究了2008年6月2日华东秸秆焚烧排放气溶胶的光学特性,并与2006～2008年统计结果进行了对比.结果表明:1)CALIOP能够有效探测到气溶胶层,探测结果符合生物质燃烧气溶胶的...     

北京地区对流层中上部云和气溶胶的激光雷达探测

介绍了近年来研制的一台多波长激光雷达及其探测对流层高云和气溶胶的实验,并依据探测结果重点分析了北京2000年1月至4月对流层上部云和气溶胶在532 nm波长的消光系数分布特征.结果表明:从6 km至11 km的气溶胶光学厚度值在0.0152至0.0284之间变化,均值为0.0192.从6 km至11 km的云光学厚度值在0.014至0.23之间变化.观测到的单层高云的厚度最大为6 km.4月6日,近年来最强的一次沙尘暴袭击北京.4月7日北京地区无可见云,激光雷达探测结果表明,从4 km至10 km高度范围内,存在一层厚度约为6 km的气溶胶粒子层,消光系数峰值处于8 km附近,比晴天无云时的消光系数值约大一个数量级.估计这是一层沙尘气溶胶,系由远距离输送至北京形成的.