艾比湖流域春季大气气溶胶光学性质

张 喆,丁建丽*,王瑾杰,3

(1.新疆大学资源与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆交通职业技术学院,新疆 乌鲁木齐 831401)

艾比湖流域春季大气气溶胶光学性质

张 喆1,2,丁建丽1,2*,王瑾杰1,2,3

(1.新疆大学资源与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆交通职业技术学院,新疆 乌鲁木齐 831401)

利用MicrotopsII太阳光度计观测数据,得到艾比湖流域春季气溶胶光学厚度(AOD550)、Angström波长指数(α).结果显示,艾比湖流域春季AOD主要集中在0.1～0.4之间;受盐尘迁移过程中粉尘扩散、沉降等影响,精河地区和乌苏地区气溶胶光学性质存在一定差异.精河、乌苏两地AOD平均值分别为0.290和0.242,变异系数分别62.966%和47.444%,α平均值分别为0.609和0.894,变异系数为33.368%和56.946%,精河地区大气气溶胶主控粒子粒径相对较大,而乌苏地区气溶胶粒子的粒径变化幅度相对较大;AOD和α的关系复杂,当地主导风向是沙尘气溶胶的主要来源,温度变化并不是导致艾比湖流域 AOD 变化的内在原因;α＜0.5时,乌苏地区AOD随RH的增大而减小,精河地区受盐尘中可溶性离子的影响,表现出一定的吸湿性,α＞1.0时,细粒子吸湿增长造成AOD随RH的增大而增大,当0.5＜α＜1.0,气溶胶表现出一定的吸湿性,但当50%＜RH时,可能存在降雨对气溶胶大颗粒的冲刷从而导致AOD的降低;精河地区AOD高值的主要原因是大粒子的增加,小粒子气溶胶引起高污染现象的可能较小;乌苏地区气溶胶组成成分复杂,AOD高值受细模态粒子和粗模态粒子共同影响.

太阳光度计；气溶胶光学厚度；Angstrom波长指数；艾比湖

气溶胶受周围环境、排放源及本身性质的影响,在组成成分、时空分布上具有很强的异质性.作为大气主要污染物,针对其时空分布的了解和光学特性的准确估算,对区域气溶胶环境和气候效应研究显得尤为重要[1-2].气溶胶光学厚度(AOD)和Angström波长指数(α)是表征气溶胶光学特性的基本参数,它们不仅可以计算气溶胶含量,还可以确定气溶胶尺度,在一定程度上反映了区域大气的污染程度和污染类型[3-4],针对二者关系的深入讨论,对了解区域气溶胶环境和气候效应具有重要意义[5].

自20世纪50年代以来,艾比湖急速退化,使得其干涸湖底成为一种新的风蚀尘源,受到越来越多的关注.由于其特殊的化学组成,干涸湖底盐碱粉尘在风力作用下以颗粒物的形式悬浮于大气时,不仅会导致该地区气溶胶含量的增高,影响到该地区能见度,在被远距离输送过程中,更会对广大降尘区域生态环境平衡以及人体健康造成严重威胁[6].相关学者从地面发生条件[7-8]、湖底风蚀强或降尘通量[9]、周边地区土壤盐分及景观变化的影响[10-11]等方面讨论了盐尘暴的扩散及危害,但鲜有针对盐尘颗粒对大气污染方面的研究.受地理条件和监测站点的限制,针对盐尘气溶胶输送过程对下游地区气溶胶光学性质的影响还缺乏认识.因此,对艾比湖流域盐尘气溶胶光学参数进行深入研究,探讨其污染过程中光学特性的变化特征,有利于了解艾比湖流域盐尘灾害的社会、生态作用,为全面认识盐尘暴提供必要的数据和科学的参考.

国内外针对大气气溶胶的研究主要是依靠AERONET、CARSNET、CSHNET等联合观测网络提供数据支持,主要针对AOD、α等光学特性参数的统计特征分析, 相关学者对沙尘、生物燃烧、城市-工业气溶胶光学特性研究做了大量工作[12-17].本文以尘暴高发的春季为典型研究时间段,利用手持太阳光度计所获取的气溶胶光学参数,结合相对湿度、风速、风向、温度等气象观测资料,分析了艾比湖流域盐尘污染过程中气溶胶光学特性与气象要素的相关关系和变化特征,以期为北疆地区大气污染防治及盐尘暴研究提供基础数据和科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

艾比湖作为新疆第一大咸水湖,地处阿拉山口大风主通道下极端干旱的荒漠区(图1),属典型的温带大陆性气候,降水稀少,蒸发强烈,常年多风,生态系统极为脆弱.受大风天气的影响,途径艾比湖干涸湖底的阿拉山口西北风携带大量盐碱沙尘至艾比湖下游地区,致使沿途地区大气气溶胶颗粒物浓度百分比迅速上升,粉尘中的盐碱颗粒以气溶胶形式悬浮于大气,作为云凝结核的重要组成部分,通过改变云的理化特性,直接影响区域降水和全区域的气候变化,对天山北坡农牧业发达的绿洲内的生态安全造成严重威胁[18-19].

图1 研究区概况示意Fig.1 Map of the studied area

1.2 数据与方法

本文使用的MicrotopsII太阳光度计是一款手持式多波段太阳光度计,选取波段分别为440, 675,870,936,1020nm[20].在精河县和乌苏市两地设立太阳光度计观测点.为避免矿石燃烧导致的人为气溶胶的影响,观测时间定在供暖结束后的4月6日～5月15日,观测时段为10:00～21:00,采样间隔1h.由于太阳光度计观测时要求太阳表面无云遮挡,故观测数据并不连续.观测气溶胶数据的同时,记录同时段气象数据,资料包括逐小时的温度、相对湿度、风速和风向等,实时数据由中国天气网发布.

Angström波长指数[6]的计算方法如式(1)所示:

式中:τ(λ)为AOD;λ1、λ2为波长(nm);α为Angström波长指数,反映的是气溶胶组成中大小粒子的比例,α＜1表示气溶胶主要以粗模态形式存在,α＞1则代表气溶胶以细模态形式存在;城市-工业气溶胶一般为1.1≤α≤2.4[21-22],沙尘气溶胶一般为 -1≤α≤0.5[23].利用没有水汽影响的 440和870nm波段数据进行计算,可得到任何波段的AOD.本文分析部分统一使用550nm波段的AOD结果.

在太阳光度计观测点周边地区设置大气降尘采样点,每个采样点设置3个集尘装置,以干沉降的方法收集降尘样品.在每个大气降尘采样点附近的上风向地区,采集0～10cm的表层土壤样品.利用Mastersize 2000激光粒度分析仪分析降尘样品粒径分布,测量范围在0.002～2000μm;利用离子色谱仪分析降尘和土壤样品中的水溶性离子的组成和含量;土样制备均采用5:1水土比进行抽滤浸提,参考《土壤农业化学分析方法》[24]测定样品的含盐量.

利用Gobbi提出的气溶胶分类图解法[25]可以得到细模态气溶胶对总 AOD 的贡献和细模态粒子的尺度,同时还可以分离出AOD 的增加是由于细模态粒子的吸湿性增长引起还是由于粗模态粒子增加引起的.利用太阳光度计测得的440、675和870nm3 个波段的 AOD,计算得到α(440、675)、α(440、870)和α(675、870),进而得到δα=α(440、675)—α(675、870),将其描绘在气溶胶分类图上,从而得到细模态气溶胶对总AOD 675的贡献η和细模态粒子的尺度Rf.气溶胶细粒子亲水特性会同时导致气溶胶的粒径和细模态气溶胶AOD比例(η)的增加,而云干扰仅仅会导致细模态气溶胶AOD比例(η)的增加,气溶胶细粒子的粒径保值不变.

2 结果与分析

2.1 盐尘的迁移

表1为精河、乌苏两地表层土壤、降尘土样含盐量和可溶性盐含量统计.对精河地区而言,表层土壤含盐量最大值为45.4g/kg,最小为8.3g/kg,平均值为31.1g/kg,远远小于降尘含盐量的143.15g/kg,同时降尘中的Cl-、SO32-、K+、Ca2+也远高于本地表层土壤中的含量,说明精河地区降尘中含有的大量可溶性盐离子主要来自其上游地区艾比湖干涸湖底盐碱粉尘;乌苏地区表层土壤含盐量最大值为71.2g/kg,最小为42.5g/kg,平均值为57.4g/kg,与降尘含盐量的66.24g/kg差异不大,说明艾比湖盐尘在迁移过程中大部分盐碱颗粒沉降在距离艾比湖干涸湖底较近的地区,乌苏地区除受艾比湖盐尘影响相对较轻,同时还可能受其周边地区农田、盐碱地或疏松风积物二次起尘的影响.

表1 精河、乌苏表层土壤和大气降尘土样含盐量和可溶性盐含量统计(g/kg)Table 1 Salts content and water soluble ion concentrations in atmospheric dust fall and in Ebinur region (g/kg)

精河地区大气降尘中Cl含量显著高于SO32-,说明该地区降尘中的盐类主要以氯化物为主.在距离干涸湖底尘源区较远的乌苏地区,降尘中的Cl-含量明显减少,与此同时SO32-高于Cl-,说明对该地区而言,降尘中的盐类则是以硫酸盐为主.说明粉尘迁移过程中氯化物盐尘主要危害距离尘源较近的区域,而硫酸盐盐尘则具备高于氯化物的迁移能力,影响范围较广.

精河地区大气降尘中粒径小于2μm的黏粒占总比例的13.52%,2～63μm的粉砂粒级占72.09%,大于63μm的沙粒级所占比例14.39%;乌苏地区大气降尘中2μm以下的黏粒占总比例的7.71%,2～63μm的粉砂粒级占82.36%,大于63μm的沙粒约占10.07%(图2).与精河地区相比,乌苏地区大气降尘的粒径分布略粗,这可能是由于春耕导致乌苏周边地区农田土壤干燥疏松易于起尘,局地尘源的介入导致乌苏降尘粒径略粗.

图2 精河、乌苏大气降尘粒径分布Fig.2 Particle size distributions of the atmospheric dust fall in Jinghe and Wusu

2.2 AOD和α特征分析

受盐尘迁移过程中粉尘扩散、沉降等影响,精河和乌苏地区气溶胶光学性质存在一定差异.精河、乌苏两地AOD集中分布在0.1～0.3范围内,分布频率呈明显的单峰型特征(图3).精河地区AOD主要集中在0.3以下,占总样本 67%左右,在0.5～0.6的部分存在一个小高峰,大于0.6的部分占10.5%;乌苏地区AOD频率分布形状较宽,高频值主要集中在0.1～0.4之间,占78%左右,大于0.6的部分只占7.5%;AOD 在极端清洁值区间0～0.1的出现频率很低,仅占总样本的2.325%和0.833%;0.3～1区间内,AOD频率递减,乌苏地区递减趋势相对较缓.观测期间精河地区AOD平均值为0.290,略高于乌苏地区的0.242;两地AOD变异系数分别62.966%和47.444%(表2),这是因为受春季沙尘天气影响,观测期间AOD出现高值,造成极大值与平均值差值过大,因此其标准偏差和变异系数相对较大;

α的频率分布呈现一定差异.精河地区α最高频区间为0.6～0.7,次高区间为0.4～0.5,分别占总样本的15.789%和10.526%;小于0.5的 α值占总样本的28.947%,大于1.1的α值占总样本的14.912%;乌苏地区α出现频率主要区间在0.8～0.9之间,占总样本的17.073%,其中小于0.5的α值占总样本10.976%,大于1.1的α占总样本的29.268%(图3);精河和乌苏地区α平均值分别为0.609和0.894,说明精河地区大气气溶胶主控粒子粒径大于乌苏地区;乌苏地区α的标准偏差相对精河地区较大,表明乌苏地区空气溶胶粒子的粒径变化幅度较大.

图3 AOD和α的概率分布Fig.3 Frequency distribution of AOD and Angstromwavelength exponent

表2 精河、乌苏两地春季气溶胶光学特性数理统计Table 2 Descriptive statistics of AOD and Angstrom wavelength exponent in spring

2.3 AOD与 α的关系

图4为AOD-α的散点图,从图4可以看出,精河地区随着AOD增加,α可能出现的最大值在逐渐减小,说明大粒子的增加是引起AOD高值的主要因素;当α＞0.5时,AOD 主要集中在0.2左右,占总数的83.83%,说明小粒子气溶胶引起高污染现象的可能性较小.

图4 精河、乌苏两地AOD和α的关系Fig.4 Relationship between Angströmparameters and AO Ds in Jinghe and Wusu

乌苏地区α分布在0～0.2,0.2～0.4,0.4～0.6, 0.6～0.8,0.8～1,1～1.2,1.2～1.4,1.4～1.6区间时,对应的AOD均值分别为0.292,0.261,0.246,0.248, 0.352,0.359,0.339和0.682,相关性较差;乌苏地区α小于0.5和大于1的值分别占总数的22.102%和31.536%,说明该地区细粒子的比重较大;AOD＜0.5时,α分布范围在0～1.3之间变化,说明气溶胶组成成分复杂,存在不同组分的气溶胶粒子.

气象要素对α和AOD以及α和AOD之间的关系存在一定程度的影响.精河和乌苏地区风速与AOD呈正相关,与α呈负相关,相关系数在0.02～0.21之间.图5为不同风速(V)控制下AOD-α关系,对精河地区而言,当V＜1m/s时,AOD主要集中在0.1～0.3范围内,此时α＞0.5;当1m/s＜V＜4m/s和V＞4m/s时,随着AOD的增加,α呈现减小趋势,说明随着AOD的增加,粒子尺度增大,表明观测点周围存在强的沙尘源,风速是影响局地气溶胶变化的主要因素.乌苏地区当V＜1m/s和1m/s＜V＜4m/s时,AOD在0.1～0.7范围内,α在0～1.3范围内均有分布,相关关系不明显;当V＞4m/s,大风对小颗粒存在一定的清除作用,且受上游沙尘天气影响,大风携带艾比湖流域盐碱粉尘,使得乌苏地区α也降到0.4以下,此时AOD也降到0.3以下,α与AOD呈负相关,说明对乌苏地区而言,风速同样是影响局地气溶胶变化的主要因素.

不仅是风速,风向对局地气溶胶变化同样重要.通过对风向频率进行了统计发现(图6),精河地区SSW为观测期间盛行风向,乌苏地区主要受E风向影响.精河地区主导风向作用下,AOD平均值为0.315,α平均值0.840,非主导风向作用下AOD平均值0.246,α平均值0.987;乌苏地区主导风向作用下,AOD平均值0.225,α平均值0.557,非主导风向作用下,AOD平均值0.261,α平均值0.9.图7为两地主导和非主导风向作用下α随AOD的变化图.对精河地区而言,当风向为主导风向SSW时,α随AOD的增大而减小,两者呈现明显的负相关,并且α和AOD的变化范围都很大,表明精河地区高污染或低污染状况下,大气状况都受到SSW风向的影响;乌苏地区当风向为E时,α主要集中在1以下,说明E风向为乌苏地区带来大量沙尘.精河和乌苏在非主导风向作用下,α值均大于0.5,AOD集中在0.2左右,说明主导风向是沙尘气溶胶的主要来源,非主导风向对局地大气气溶胶浓度和颗粒有一定稀释作用.

图5 不同风速下AOD和α的关系Fig.5 Relationship between Angströmparameters and AO Ds at different wind speed

图6 不同风向下AOD和α的关系Fig.6 Relationship between Angströmparameters and AO Ds in different wind direction

将AOD分为3个等级,以验证不同污染状况下α与温度(T)的响应关系(图7).精河和乌苏温度范围在10～25℃.当AOD＜0.2时,精河地区α范围在0.6～1.4之间,乌苏地区α范围为0～1.2之间;当0.2＜AOD＜0.5,两地α范围均有所扩大,α范围在0～1.6之间;AOD＞0.5时,两地α值大都小于1,但都与T相关性不明显.说明AOD变化主要与当地气溶胶离子组成有关,温度变化并不是导致AOD变化的内在原因.

精河和乌苏地区相对湿度与AOD和α均呈正相关变化趋势,相关系数在0.18～0.37之间.图8为不同α级别下AOD随相对湿度(RH)的变化.可以看出,α＜0.5时,即大气中以地面扬尘和沙尘气溶胶为主时,乌苏地区AOD随RH的增大而减小,气溶胶粒子主要表现出非亲水性;精河地区AOD受RH的影响较为复杂,这可能与当地气溶胶化学组成有关,此时精河地区虽然主要受沙尘气溶胶影响,但盐碱粉尘中含有大量可溶性盐离子,使得气溶胶颗粒表现出一定的亲水性;当0.5＜α＜1.0,两地区AOD随着RH的增大而增大,气溶胶表现出一定的吸湿性,但当50%＜RH时,AOD随RH增加降低,可能是由于降雨对气溶胶颗粒的冲刷,从而导致大颗粒粒子的减少和AOD的降低;α＞1.0时,细粒子吸湿增长造成AOD随RH的增大呈增长趋势.

图7 不同光学厚度下α和温度的关系Fig.7 Relationship between Angströmparameters and temperature with different AOD

图8 不同α下AOD与相对湿度的关系Fig.8 Relationship between AO Ds and relative humidity with different Angströmparameter

2.4 气溶胶分类图解

图9是以折射率m=1.4-0.001i为参考,采用双模态、对数正态分布的α和δα函数对气溶胶类型进行分类的示意图.

由图9可见,精河地区0.15＜AOD＜0.3时,气溶胶主要集中在细模态粒子增长区域(1.0＜α＜1.5,δα＜0),与之相对应的η介于70%～90%,粒径大小范围约在0.14～0.21μm之间,说明气溶胶以细模式粒子为主时,AOD出现高值的概率很小;AOD高值(AOD＞0.7)主要分布在以粗粒子(α＜0.5)为主的区域,此时,δα在0附近变化,细粒子对AOD的贡献η小于30%,粒径大小范围约在0.14～0.5μm之间,说明春季精河县受沙尘影响严重, AOD高值受粗粒子为主的沙尘气溶胶的影响,气溶胶特性与沙尘气溶胶粒子增加有关,与精河地区相比,乌苏地区AOD高值主要分布在两个区域,表现为细模态粒子(AOD＞0.7,δα＜-0.3, η＞70%)和粗模态粒子(AOD＞0.7,δα＜0.3,η＜30%)共同影响,说明乌苏受沙尘气溶胶粗粒子影响的同时,也受工业燃烧和城市污染产生的细粒子影响,乌苏地区AOD增长与沙尘气溶胶及细模态气溶胶的吸湿增长有关.

图9 AOD675nm、α和δα的关系Fig.9 The relationship among AOD675nm、α and δα

3 结论

3.1 艾比湖盐尘主要以沉降在距离艾比湖干涸湖底较近的精河地区为主,乌苏地区除受艾比湖盐尘影响外,同时还受其周边地区局地尘源介入的影响;氯化物盐尘影响范围较近,硫酸盐盐尘迁移较远.

3.2 艾比湖流域春季AOD分布频率呈明显的单峰型特征,高频值主要集中在0.1～0.4之间;精河地区α最高频区间为0.6～0.7,占总样本的15.789%,α平均值分别为0.609,变异系数为33.368%;乌苏地区α出现频率主要区间在0.8～0.9之间,占总样本的17.073%,α平均值分别为0.894,变异系数为56.946%,说明精河地区大气气溶胶主控粒子粒径大于乌苏地区;而乌苏地区空气溶胶粒子的粒径变化幅度相对较大.

3.3 受气溶胶组成成分和气象条件综合影响,AOD和α的关系复杂.精河、乌苏地区当地主导风向是沙尘气溶胶的主要来源,非主导风向对局地大气气溶胶浓度和颗粒有一定稀释作用;温度变化并不是导致艾比湖流域 AOD 变化的内在原因;α ＜0.5时,乌苏地区气溶胶表现出非亲水性,精河地区气溶胶受盐尘中大量可溶性粒子影响呈现出一定的亲水性;α＞1.0时,细粒子吸湿增长造成AOD随RH的增大而增大,当0.5＜ α ＜1.0,气溶胶表现出一定的吸湿性,但当50%＜RH时,可能存在降雨对气溶胶大颗粒的冲刷从而导致AOD的降低.

3.4 精河地区春季受沙尘影响严重,大粒子的增加是引起该地区AOD高值的主要因素,小粒子气溶胶引起高污染现象的可能较小;乌苏地区气溶胶组成成分复杂,AOD高值表现为细模态粒子和粗模态粒子共同影响,说明该地区AOD增长与沙尘气溶胶及细模态气溶胶的吸湿增长有关.

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ZHANG Zhe1,2, DING Jian-li1,2*, WANG Jin-jie1,2,3
(1.College of Resources and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China；2.China Key Laboratory of Oasis Ecosystemof Education Ministry, Xinjiang University, Urumqi 830046, China；3.Xingjiang Vocational and Technical College of Communication, Urumqi 831401, China). China Environment Science, 2017,37(2)：467～475

Microtops II sun photometers were used to retrieve data on the aerosol optical depth (AOD550) and Angströmwavelength exponent (α) over Ebinur Lake region in spring. The results showed that high frequency value of AOD mainly concentrated in 0.1 ～ 0.4A ffected by diffusion and sedimentation of salt dust, there were some differences in the aerosol optical properties between Jinghe and Wusu region. The mean values of AOD in Jinghe and Wusu were 0.290 and 0.242 with coefficients of variation were 62.966%, 47.444%, the mean values of α were 0.609 and 0.894 with coefficients of variation were 33.368% and 56.946%, it showed that atmospheric aerosol particle size was relatively large in Jinghe and the particle size of aerosol particles changed significantly in Wusu region; It had a complex relationship between AOD and α; the local dominant wind was the leading factor of dust aerosols. Temperature not played a critical role in the local changes of AOD. When α ＜0.5, AOD and RH showed a negative correlation in Wusu, while Jinghe area showed a hygroscopic due to the impact of soluble ions in salt dust. When α＞ 1.0, the hygroscopic growth of fine particles lead to AOD and RH showed a positive correlation trend, When 0.5 ＜α ＜1.0, aerosol showed a certain hygroscopic, while when RH＞ 50%, it was not surprising that rainfall lead to reduced aerosol concentration. The results showed that the high AOD in Jinghe mainly caused by the dust aerosols and the high AOD in Wusu both clustering in the fine mode growth wing and the coarse mode.

sunphotometer；aerosol optical depth；Angstromwavelength exponent；Ebinur Lake region

X513

A

1000-6923(2017)02-0467-09

张 喆(1988-),女,新疆石河子人,新疆大学博士研究生,主要从事干旱区环境及大气遥感等研究.发表论文5篇.

2016-06-23

自治区重点实验室专项基金(2016D03001,2014KL005);自治区科技支疆项目(201591101);国家自然科学基金资助项目(U1303381,41261090,41161063);教育部促进与美大地区科研合作与高层次人才培养项目;自治区专家顾问团决策研究与咨询项目(201601044);新疆大学优秀博士研究生创新项目(XJUBSCX-2014012).

* 责任作者, 教授, watarid@xju.edu.cn