不同季节南京市上空气溶胶的光学特性及垂直分布

张坚++郑有飞++姜杰

摘要：为了了解不同季节南京市上空气溶胶的光学特性，利用偏振微脉冲激光雷达对南京市上空大气散射特性进行了为期1年的连续观测，结合MODIS卫星数据分析了大气气溶胶光学特性的日变化和季节变化，并利用HYSPLIT模式分析了变化的原因。结果表明，①南京市上空气团在春、秋、冬季主要来源于中国西北以及北方地区，大气气溶胶消光后向散射比分别为48.4、45.3和39.6 sr，退偏振比分别为0.18、0.19和0.20；而夏季主要来源于中国东南部工业污染城市以及南京周边地区，消光后向散射比为63.2 sr，退偏振比为0.11；②大气气溶胶的垂直分布有明显的季节变化趋势，低层（<1 km）大气气溶胶光学厚度从大到小依次为冬季、夏季、秋季、春季，高层（>1 km）大气气溶胶光学厚度从大到小依次为夏季、春季、秋季、冬季；③大气气溶胶光学厚度有明显的日变化特征，主要分为2种类型，在夏季和冬季为早晚高中午低；在春季和秋季则逐渐升高。

关键词：大气气溶胶；消光后向散射比；消光系数；光学厚度；后向轨迹；南京

中图分类号：X513；P412.25 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）02-0324-06

Aerosol Optical Properties and Vertical Distribution in Different Seasons over Nanjing City

ZHANG Jian，ZHENG You-fei，JIANG Jie

（School of Atmospheric Physics/Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Disaster， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044，China）

Abstract： Continuous observation of atmospheric diffusion properties in Nanjing was made by MPL for a year. The seasonal changes of optical properties of aerosol over Nanjing city were analyzed. Its reasons were studied combing with data of HYSPLIT. The results showed the air mass was mainly from northwestern and northern China at spring， autumn and winter， with the extinction-to-backscatter ratio of 48.4 sr， 45.3 sr， 39.6 sr， respectively. Depolarization ratio was 0.18， 0.19， 0.20 mainly from the southeastern China and the surrounding areas of Nanjing city at summer， with the extinction-to-backscatter ratio of 63 sr and depolarization ratio of 0.11. The vertical distribution of aerosol has significant seasonal variation. The orders of the optical depth from big to small were winter，summer，autumn and spring in low layer below 1 km. The order was summer，spring，autumn and winter in high layer above 1 km. The optical depth of aerosol has significant diurnal variation. AOD was higher in the morning and evening at summer and winter， and lower in the noon， increased gradually at spring and autumn.

Key words： atmospheric aerosol； extinction-to-backscatter ratio； extinction coefficient； optical depth； backward trajectory； Nanjing

大气气溶胶是由大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的。它可以通过直接和间接辐射效应影响地气系统的辐射收支平衡来影响全球气候，进而对农业生产以及生态环境产生重要影响，特别是大气气溶胶对农业生产影响的研究已经成为一个比较热门的研究领域，例如大气气溶胶可以降低到达地面的太阳辐射，进而显著降低作物的光合作用，导致作物产量损失，又可以通过改变气候因子如温度、降水等来影响作物的产量[1]。

为了准确评估和预测全球以及局地气候变化，大气气溶胶辐射效应需要准确计算，但是目前为止它还有很大的不确定性[2]。大气气溶胶的光学厚度以及垂直分布对大气气溶胶直接辐射效应和间接辐射效应都有非常重要的影响[3，4]。目前国内外对大气气溶胶光学厚度的研究相对较多，其中应用最广泛的是由美国国家宇航局（NASA）发起，由全球许多国家参与的气溶胶观测网络（AERONET）以及Terra和Aqua卫星搭载的中分辨率成像光谱仪（MODIS）。大气气溶胶的垂直分布对大气顶层辐射强迫的评估有显著的影响[5]，但是国内对于它的研究并不多见且未形成系统的观测网络。利用弹性后向散射激光雷达可以同时反演气溶胶的光学厚度以及垂直分布廓线，且具有较高的时空分辨率，是目前最为准确的方法，已经被很多学者证实[6]。

南京市作为长江三角洲地区重要的工业化城市，受到工业排放、交通运输、农作物燃烧等局地污染物影响非常严重，同时南京市属亚热带季风气候，冬季和夏季间的风向转换十分明显，在不同的季节会受到沙尘、海盐以及南部污染气团远距离输送的影响，气溶胶光学特性具有较大的可变性。因此，详细了解南京市上空大气气溶胶的光学特性对于该地区气候效应以及农业生产的研究非常重要。

1 资料来源

南京市位于中国东南部长江三角洲地带，是一个工业污染比较严重的城市。为了观测南京地区以及长江三角洲地区的大气气溶胶参数，中国气象局在南京信息工程大学建立了南京综合观测试验基地来对南京地区大气参数进行综合性观测。本研究中所使用的偏振微脉冲激光雷达安装在南京信息工程大学的中校区试验基地中，位于长江以北，距离南京市中心鼓楼区约16 km。

采用质点轨迹、扩散以及沉降综合模拟系统HYSPLIT（Hybrid single-particle 3 结果与分析

3.1 不同季节气团的来源

由于南京市属于季风气候，因此不同季节南京市上空的大气气溶胶类型有很大的不同，通过大量的三维轨迹来分类分析气流特征，三维轨迹模拟时间从2010年11月至2011年10月，选取每天00：00、6：00、12：00以及18：00后向追踪72 h，为了研究边界层以内大气气溶胶特性，轨迹起始高度设定为500 m。使用的统计方法为聚类分析方法[9]以及条件输送概率场方法[10]，其中聚类分析方法把多条后向轨迹进行分类处理，用来定量地分析气团的来源，条件输送概率场方法可以直观地看出后向气团的空间分布。

图1给出了500 m高度（为离地高度，下同）上气团的后向轨迹，分析表明除夏季外，其余季节的大部分气团均来源于中国北部以及西北部地区。在春季，61%（2、4、5类型）的气团来源于中国西北方向，途经外蒙古和内蒙古之间的戈壁沙漠到达南京市，传输过程中气团携带大量的沙尘，另外13%（1类型）的气团来源于日本海以及朝鲜半岛，26%（3类型）的气团来源于中国南部，这些轨迹都发生在5月下旬，是春季向夏季转变的日期；在夏季35%的气团来源于中国东南部，包括22%（3类型）的气团来自南海，13%（4类型）的气团来自太平洋，这些气团携带了大量来源于东南部工业污染城市的气溶胶，46%的气团为局地气团，主要来源于南京市周围的区域，16%的气团来源于日本海，只有3%的气团来自沙尘源区；秋季和冬季几乎所有气团都来自北方的内蒙古和外蒙古地区，但秋季有75%（1、2类型）的气团是经过渤海和黄海区域从北部到达南京，25%的气团来源于中国西北内陆。而冬季大部分气团都来源于中国西北内陆。综上所述，在春、秋、冬季南京市上空气团主要来源于中国西北以及北方地区，途经沙尘源区戈壁沙漠，夏季主要来源于中国东南部以及南京周边地区。

3.2 大气气溶胶光学特性的季节变化

表1给出了观测期间激光雷达消光后向散射比、退偏振比、主要气团来源以及大气边界层高度，其中退偏振比是激光雷达接收到的垂直脉冲信号与总脉冲信号的比值，用来区分沙尘与非沙尘气溶胶，有研究表明当退偏振比大于0.15时，大气气溶胶为沙尘型气溶胶[11]；边界层高度可以利用激光雷达后向散射信号变化的最大值所对应的高度来得到，其对大气气溶胶垂直分布有很大的影响。从气团来源可以看出，夏季气团来源于中国东南部城市，该地区工业发达且人口密集，大气气溶胶类型为城市和工业污染型，大气气溶胶消光后向散射比达到63.2 sr，产生高值的原因是由大气气溶胶的类型决定的，另外夏季相对湿度较高，大气气溶胶粒子的吸湿增长使得细粒子浓度增加，也会使得消光后向散射比有一定增长。夏季的退偏振比为0.11，可以看出大气气溶胶不规则程度较低。春、秋、冬季的气团主要来源于中国北方以及西北地区，大气气溶胶退偏振比较高，分别为0.18，0.19和 0.20，属于沙尘型气溶胶，消光后向散射比分别为48.4、45.3、39.6 sr。

图2给出了2010年11月至2011年10月大气气溶胶消光廓线的季节变化（实线）特征以及相应的标准差（阴影），同时也给出了大气气溶胶消光廓线的年平均值（点线）。由图2可知，大气气溶胶主要分布在3 km以下的高度范围内，最大的年平均消光系数大约为0.4 km-1，出现在近地面区域，并从地面往上逐渐减少，表明该地区有较大的近地面污染，季节平均的大气气溶胶消光廓线与年平均的大气气溶胶消光廓线相似，即最大的大气气溶胶消光系数出现在近地面，且消光系数随高度的增加而减小；春季由于大气边界层较高使得在1 km以上高度消光系数大于年平均值，而1 km以下高度则小于年平均值；在夏季，强烈的对流运动以及较大的光学厚度使得在各个高度上消光系数均大于年平均值；秋季消光廓线类似于年平均值，而冬季1 km以下高度消光系数大于年平均值，1 km以上高度小于年平均值。

图3给出了不同高度层的AOD的分布情况，从图3可以看出，1 km以下高度AOD冬季最大，夏季次之，春季最小，这是因为冬季地表温度过低，污染物主要集中在地表，导致近地面污染严重，因此AOD最高，而夏季是由于相对湿度过高，大气气溶胶吸湿作用而导致AOD较高。在1～2 km的高度范围内，由于冬季混合层无法抬升到较高的高度导致AOD最低，夏季由于相对湿度较高以及边界层对大气气溶胶的抬升使得夏季AOD最高。在2 km以上高度，AOD变化趋势类似于1～2 km高度AOD的变化趋势，两者的差异在于2 km以上高度的AOD冬季几乎为0，可以看出冬季的大气气溶胶粒子很少能抬升到2 km以上的高度。

3.3 大气气溶胶光学特性的日变化

图4给出了2011年4月18日不同时刻以及19日02：00的大气气溶胶消光系数的垂直廓线，发现以下特点：低层（<1 km）消光系数变化趋势为早晚大中午小，高层（1～2 km）消光系数变化趋势为早晚小中午大，这是由于随着太阳辐射的增强，湍流运动把低层的气溶胶抬升到高层的原因；在08：00、21：00、02：00边界层类型为稳定边界层，大气气溶胶消光系数随高度上升呈减小趋势，12：00、16：00边界层类型为不稳定边界层型，在边界层以内大气气溶胶均匀混合；02：00出现了典型的多气溶胶层结构，这是由于大气气溶胶在夜间干沉降的过程中，上部大气气溶胶层与整体分离产生的驻留层，该层为中性结构，这层大气气溶胶随时间下降缓慢，有时甚至继续抬升，可以解释污染物的移除过程[12]。

由于不同季节大气气溶胶的类型不同，大气气溶胶光学厚度的日变化趋势也有很大的不同。图5给出了4个季节8：00～18：00的AOD的变化趋势。其中春季变化比较平缓，且AOD逐渐升高，这是由于春季气团主要来源于中国北方地区，含有大量的沙尘，夜间一部分沉降于地表，白天由于湍流以及人类活动导致地表沙尘抬升到空中，导致光学厚度逐渐升高，此结果与北京市以及兰州市的观测结果很相似[13，14]。

在夏季，AOD中午低早晚高的变化趋势非常明显，夏季由于气溶胶主要来源于中国东南部地区，吸湿性较高[15，16]，而早晚湿度相对较高，导致AOD早晚高，这与南海以及黄海的观测结果一致[17，18]；秋季与春季有相同的变化趋势，都是由于边界层的抬升导致AOD逐渐变大；冬季变化趋势与夏季相似，但产生这种变化趋势的原因则是因为冬季早晚温差大，容易产生逆温现象，使得污染物集中在低层，导致雾霾现象的频繁出现，而随着边界层的抬高，污染物向周边地区扩散，从而使得中午的AOD减小。

4 结论

利用2010年11月至2011年10月为期1年的激光雷达观测资料结合后向轨迹数据，分析了南京市上空不同季节大气气溶胶的来源和光学特性，以及大气气溶胶光学特性的日变化，得到以下主要结论。

1）南京市上空气团来源有明显的季节变化，在春、秋、冬季南京市上空气团主要来源于中国西北以及北方地区，并途经中国重要的沙尘源内蒙古戈壁沙漠，大气气溶胶消光后向散射比分别为48.4、45.3、39.6 sr，退偏振比较高，分别为0.18、0.19、 0.20；夏季南京市上空气团主要来源于中国东南部污染城市以及南京周边地区，大气气溶胶粒子的吸湿增长使得细粒子浓度增加，消光后向散射比达到63.2 sr，退偏振比为0.11。

2）大气气溶胶主要分布在3 km高度以下，且从下往上逐渐减小，其垂直分布具有明显的季节变化，在1 km高度以下，AOD冬季最大，夏季次之，春季最小；在1 km高度以上，AOD夏季最大，冬季最小，春季大于秋季。

3）大气气溶胶垂直分布以及光学厚度都有明显的日变化，在稳定边界层中气溶胶随高度的上升呈逐渐减小的趋势，而边界层不稳定时，边界层内气溶胶均匀混合；大气气溶胶光学厚度的日变化分为2种类型，在夏、冬两季早晚高中午低；在春、秋两季则逐渐升高。夏季大气气溶胶光学厚度日变化的原因是大气气溶胶主要来源于东南部污染严重区域，大气气溶胶吸湿性较强，早晚湿度高使得大气气溶胶光学厚度较高；冬季是由于早晚多发的雾霾天气造成早晚大气气溶胶光学厚度较高；在春、秋两季南京市上空气团主要来源于中国西北以及北方地区，含有大量沙尘，夜间会沉降到地表附近，随着太阳辐射的增强，边界层变得不稳定，沙尘抬升至空中而导致光学厚度逐渐升高。

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