北京沙尘天气期间气溶胶光学特性分析

赵松林 邓梅 赵辉 廖柏林 王雪琦 李瑶 苏仲铭

摘要 利用全球地基气溶胶观测网（AERONET）资料，分析了北京地区2001—2013年沙尘天气期间气溶胶的光学特性。结果表明，北京沙尘天气期间受沙尘粒子的影响，气溶胶光学厚度值（AOD）较大，且随波长增大而减小，在波长440 nm处平均值约为1.2;气溶胶Angstrom波长指数97.62%都聚集在0.7以下，说明北京沙尘天气期间粒子较大;沙尘天气期间单次散射反照率随波长增加而增加，平均值约为0.93;复折射指数实部在波长675 nm处最大，平均约为1.55，虚部在440 nm处最大，平均值达到0.006;总的不对称因子平均值约为0.72;北京地区沙尘天气期间气溶胶粒子谱型呈双峰分布，且以粗模态粒子为主，其峰值随光学厚度的增大而增大，粗模态粒子的峰值半径平均约为2.6 μm。这些参数对于深入研究沙尘气溶胶的辐射效应和气候效应都是必不可少的。

关键词 沙尘气溶胶;光学厚度;Angstrom波长指数;单次散射反照率;复折射指数

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2020）02-080-04

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.02.031

Optical Properties of Aerosol during the Dust Weather in Beijing

ZHAO Song-lin  et al（Loudi Meteorological Bureau，Loudi，Hunan 417000）

Abstract The global network of ground aerosol observation （AERONET） data was used to analyze the optical properties of aerosol during the dust weather in Beijing from 2001 to 2013. The results showed that account of the dust particles impaction during the dust weather in Beijing，the aerosol optical thickness （AOD） was large，which decreased with the wavelength increasing，and the average value was about 1.2 at the wavelength of 440 nm. 97.62% of aerosol Angstrom exponent gathered below 0.7，indicating that the particles were large during the dust weather in Beijing. The single scattering albedo during the dust weather increased with the wavelength increasing，and the average value was about 0.93. The real part of the complex refractive index at the wavelength of 675 nm was the most，and the average was about 1.55，and the largest imaginary part was at the wavelength of 440 nm，reaching 0.006. The total asymmetry factor average was about 0.72. The aerosol volume size distribution was a bimodal distribution type during the dust weather in Beijing，mainly concentrated in coarse particles，and the main peak value increased with the aerosol optical thickness increasing，the average radius of the peak was about 2.6 μm. All these parameters were essential for further study of the radiation effects and climatic effects of dust aerosol.

Key words   Dust aerosol;Optical thickness;Angstrom exponent;The single scattering albedo;The complex refractive index

沙塵天气作为一种灾害性天气现象，属于大气气溶胶的一种极端现象。沙尘暴的频繁发生向大气中输入大量沙尘粒子，并在气流的携带下进行远距离输送[1]，对生态系统和大气环境产生重大影响。沙尘作为气溶胶的主要成分之一，不但可以反射太阳辐射，还可作为云的凝结核影响云滴数浓度和有效半径，从而改变云的光学厚度和生命期;沙尘粒子的吸收特性也会影响大气辐射的加热结构[2]，沙尘气溶胶不仅会改变区域的大气辐射特性，另外，还对区域的水循环、季风系统和局地的气候环境造成很大影响[3]。北京地区处于蒙古国和内蒙等地区沙尘暴发生地的下风向位置，远距离输送的外来沙尘造成北京地区沙尘天气频繁发生，引起了科学家们的高度关注。

气溶胶光学厚度（AOD）、单次散射反照率（SSA）、复折射指数（RI）、不对称因子（ASY）以及体积谱分布等是估算其辐射强迫的关键参数。目前，在沙尘气溶胶气候环境影响评估方面仍存在很大的不确定性[4]，主要原因在于对沙尘源区、沙尘传输过程以及气候系统反馈机制的认识不足，另外，缺乏沙尘气溶胶物理、化学以及光学特性系统资料。近年来，有大量学者对亚洲地区沙尘的源地、传输路径以及光学特性等进行了大量研究，并取得了一定成果。Mori等[5]研究分析了亚洲沙尘远距离输送过程中气溶胶面积谱和化学组分;Liu 等[6]用CALIPSO雷达观测数据分析撒哈拉沙漠长距离输送过程中沙尘气溶胶的光学特性;延昊等[7]采用遥感数据分析了东亚沙尘的源地、传输路径和时空分布的特征;徐超等[8]采用AERONET数据对比分析了恒河流域和蒙古国沙尘气溶胶的光学物理特性。在沙尘气溶胶光学特性方面的研究较多地针对接近沙尘源区的干旱和半干旱地区[9]，而对于北京等沙尘输送的下游地区气溶胶光学及微物理特性长期研究较少[10]。所以，加强北京地区沙尘天气情况下沙尘气溶胶光学特性的观测研究分析，以期为深入研究北京地区大气气溶胶的特点、区域环境以及气候效应提供依据。

不对称因子表示气溶胶粒子前向散射能力的大小，对于瑞利散射认为其ASY值为0;对于完全前向散射ASY值为1;当ASY值为-1时认为粒子完全后向散射。由图3可以看出，北京地区沙尘天气期间不对称因子在440～675 nm波段随波长的增大而减小，在440 nm波长处不对称因子平均值为0.74;在675～1 020 nm时随波长变化不明显，平均约为0.70。

气溶胶粒子复折射指数包括实部和虚部，实部反映气溶胶粒子的散射能力，而虚部反映粒子的吸收能力，是反映气溶胶粒子光散射和吸收能力的基本参数，其大小与粒子的尺度、组成以及形状半径等有密切关系。高的实部值表示散射型的气溶胶，虚部值较大时表示吸收型的气溶胶[19]。由图3可知，复折射指数的实部在波长440～675 nm随波长的增大而增大，在675～1 020 nm变化不明显，在4个波段的平均值约为1.55，在675 nm处最大，约为1.56;复折射指数的虚部在440 nm处最大，约为0.006，在4个波段的平均值约为0.004。矿物沙尘粒子的复折射指数实部范围为1.53±0.05，虚部一般小于0.006[20]。

2.4 北京地区沙尘天气天数的月平均变化和年际变化

由图4a可以看出，观测的总天数和统计的沙尘天数变化一致，呈单峰型分布，若不考虑仪器等外在因素条件的影响，则观测的天数主要受天气条件的影响，季风期的季风系统带来的大量水汽造成的阴雨天气不利于观测，一般在季风前期的观测天数相对较多。图4a显示北京地区沙尘天气主要集中在春季和冬季，主要是因为期间干旱少雨，有利于产生大风或强风等不穩定天气条件和沙尘源分布等。图4b为2001—2013年北京地区沙尘天气逐年的变化趋势，拟合线的置信度为95%。从图4b可以明显地看出，在北京地区2001—2013年的沙尘天气天数呈现减小的趋势，由于采取了一系列有效的沙尘治理手段，逐渐减小了沙尘天气的影响。

3 结论

（1）北京地区沙尘天气情况下受沙尘粒子的影响，气溶胶光学厚度较大，440 nm处平均值约为1.2;且气溶胶光学厚度随波长的增加而减小，说明沙尘粒子对波段的选择性。气溶胶Angstrom波长指数97.62%都聚集在0.7以下，AOD>0.6时，90.48%的ɑ波长指数都小于0.6，说明北京沙尘天气期间粒子较大。

（2）沙尘天气期间气溶胶体积谱分布呈双峰型，以粗模态粒子为主，且主模态峰值随光学厚度增大而增大，峰值半径平均约为2.5 μm，沙尘天气期间粗模态的体积浓度是细模态的体积浓度的6.5～19倍。

（3）沙尘天气期间单次散射反照率随波长增加而增加，平均值约为0.93;不对称因子在波段675～1 020 nm的平均值约为0.70;气溶胶复折射指数的实部和虚部在4个波段的平均值分别约为1.55和0.004，说明沙尘天气期间以粗粒子散射为主。

（4）北京地区沙尘天气主要集中在春季和冬季，且在2001—2013年的沙尘天气天数呈现减小的趋势。

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责任编辑：郑丹丹