2014年北京地区一次严重雾霾过程的气溶胶光学特性研究

韩晨超

(呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010020)

北京是我国的政治、经济、文化和交通中心，城市化进程快，同时污染也很严重。2014年10月上旬北京市雾日超过了1976年以来同期雾日最多的历史记录，且10月北京地区雾霾天气频繁出现，其中污染天数占50%，空气质量为优仅占26.7%。2014年10月7日—11日北京地区发生了一次严重的雾霾污染天气过程，能见度连续30多个小时仅为1 km以内。笔者结合太阳光度计以及卫星遥感多种观测手段和遥感数据，以北京此次雾霾事件为例分析了雾霾期间气溶胶的光学特性，并与北京APEC期间气溶胶光学特性进行对比，为北京地区雾霾的研究和监测提供科学依据。

1 大气柱气溶胶光学厚度和波长指数

气溶胶光学厚度(AOD)和Angstrom波长指数是表征大气光学特性的最基本参量，可以用来推算大气气溶胶的含量，确定气溶胶尺度和谱分布，并在一定程度上能够反映区域大气的污染程度和污染类型[1,2]。

图1为北京站10月(a)和11月(b)1日—15日太阳光度计测量的500 nm波段气溶胶光学厚度和440 nm～870 nm Angstrom波长指数分布图。由图1(a)气溶胶光学厚度数据可以看出，10月2日、5日和6日AOD值较低，均小于1。从10月6日起数值呈逐步上升的趋势，于10月9日达到峰值4.51后开始逐渐下降，并于13日降到最低接近0.0。从图1(b)中可以看出,11月AOD值均比较低，范围在0～2.8之间。11月1日、7日、11日和15日AOD较高，范围在1.5～2.8之间。其余日期AOD数值均低于1。10月AOD最高值高于11月1.6倍，严重雾霾期间与APEC期间AOD差异较大。Angstrom指数α是表征气溶胶粒子尺度谱特征的参数，其值越小说明粒子越大[3]。α的范围一般为0～2之间。从北京10月1日—15日Angstrom波长指数数据可以看出，北京10月1日—15日大气Angstrom波长指数在0.1～1.8之间。10月1日—7日α比较稳定，数值在1.5左右，7日—11日数值在0.75～1.5之间，呈逐渐下降趋势，10月12日下降到0.1，10月13日α又开始上升达到1。严重雾霾期间北京地区气溶胶α值较高，均高于1.2，细粒子占主导，11日雾霾过程接近尾声，粒子粒径变大，α为0.75。与付培健，宋广宁的研究结果相符[4]，α>1.2，气溶胶粒子以细粒子为主。当0.75<α<1.2时，粗、细粒子所占比例相对复杂；当α<0.75时，气溶胶粒子以粗粒子为主。图1(b)显示11月1日—15日α在0～1.6之间，11月上半月α分布较均匀，但是每一天的变化幅度很大，α的变化幅度最大值达到1.4，可能与人为因素有关。对比严重雾霾和APEC期间的α，10月上半月气溶胶粒子细粒子所占比例较大，而11月上半月气溶胶粒子较大，以粗粒子为主。

(a)

2 卫星遥感

地面太阳光度计观测可以得到较为准确的气溶胶信息，但是空间上有一定的局限性，利用卫星遥感可以弥补这个不足，并获得大范围的遥感气溶胶光学特性。

2.1 MODIS遥感结果

气溶胶光学厚度为大气消光系数在垂直高度上的积分，该值在很大程度上可以反映大气污染情况[5]。AOD值大说明污染严重，AOD值小说明污染程度低，空气质量好。图2为MODIS探测的112°E～120°E，35°E～43°N地区气溶胶光学厚度，图2(a)为2014年10月7日—11日严重雾霾期间该地区的AOD，图2(b)为2014年10月该地区的AOD，图2(c)为2014年11月3日—12日APEC期间该地区的AOD。从图2中可以看出，北京地区10月7日—11日气溶胶光学厚度均在0.18以上，西北部AOD相对较低为0.18～0.26，AOD由西北向东南逐渐增大，东南大部分地区AOD高于0.9，AOD数值大污染严重。10月7日—11日石家庄市和天津市AOD均超过了0.9，整个京津冀地区污染严重。河北省114°E～119°E，36°N～40.6°N区域内90%的地区AOD超过0.9，可以看出，严重雾霾期间河北省南部污染严重，为北京南部的严重污染做出了贡献。2014年10月北京地区AOD均值范围在0.1～0.82之间，由西北向东南递增，AOD值在0.1～0.42的区域占北京市的60%左右，较高值出现在北京市的东南部，东南角数值最高为0.82，与严重雾霾期间相比AOD小了很多。石家庄和天津AOD均值分别为0.5～0.58和0.82～0.9，河北省南部依然污染严重，部分地区AOD超过0.9，但与严重雾霾期间相比范围减小了很多。APEC期间，

图2 北京地区严重雾霾、2014年10月平均、APEC期间气溶胶光学厚度分布特征

(a)

北京地区AOD普遍低于0.42，<0.1的地区占到了65%左右，北京地区南部的AOD大部分在0.26～0.42之间，AOD总体较低，空气质量较好。石家庄AOD为0.26～0.34，天津AOD为0.34～0.42，河北省大部分地区AOD<0.42，东南小部分地区AOD在0.42～0.82之间，APEC期间整个河北省空气质量有所改善。北京严重雾霾期间与APEC期间AOD数值差异显著，APEC期间AOD最大值与严重雾霾期间AOD最小值基本相等，严重雾霾期间北京地区AOD最大值是APEC期间的2.1倍。北京10月AOD较高，雾霾较严重。严重雾霾期间AOD的高值对10月AOD值有很大贡献。可以看出图2(a)、(b)、(c)的AOD数值按顺序依次下降，高值区范围依次缩小，污染程度依次降低，其中严重雾霾期间污染最严重，APEC期间空气质量最好，与APEC期间一些控制污染源的措施有一定关系。

2.2 CALIPSO激光雷达遥感结果

北京地区位于115.7°～117.4°E， 39.4°～41.6°N，中心位于39°54′20″N， 116°25′29″E，图3(a)为2014年北京地区10月7日—11日CALIPSO卫星探测得到的532 nm波段总削弱后向散射系数垂直剖面图，图3(b)为北京地区2014年10月7日—11日垂直特征分布图。7日北京地区6 km～10 km有明显的红、灰色区域，后向散射系数为0.02 km-1sr-1～0.1 km-1sr-1，1 km～3 km有大量黄-橙色区域，后向散射系数为0.02 km-1sr-1～0.04 km-1sr-1，结合图3(b)可以看出6 km～10 km为云，1 km～3 km为气溶胶，气溶胶厚度为2 km。8日北京地区0～4 km黄-橙色区域的后向散射系数为0.02 km-1sr-1～0.05 km-1sr-1，36.90°N，117.93°E处6 km～11 km有大量灰色区域和少量红色区域，后向散射系数为0.04 km-1sr-1～0.1 km-1sr-1，结合图3(b)看出0～4 km处为气溶胶，气溶胶厚度为4 km，6 km～11 km处为云。9日北京地区10 km左右有小部分黄、橙色区域，后向散射系数为0.02 km-1sr-1～0.04 km-1sr-1,2 km～4 km有明显的大片黄色区域和少量橙色区域，后向散射系数为0.015 km-1sr-1～0.045 km-1sr-1，图3(b)显示10 km处为云，2 km～4 km为气溶胶，气溶胶厚度2 km。10日由于云层很厚无法探测出气溶胶所以不予考虑。11日0～2 km黄-橙色区域后向散射系数为0.02 km-1sr-1～0.04 km-1sr-1,3 km以上无后向散射。对照图3(b)，0～2 km为气溶胶，气溶胶厚度为2 km，3 km以上无云，天气晴朗，新的天气形势预示着雾霾过程的结束。后向散射回波信号是气溶胶散射和分子散射之和。近地面(一般在5 km以下)气溶胶浓度远大于分子浓度，气溶胶散射回波信号也远大于分子散射的贡献[6]。

严重雾霾期间气溶胶与赵继芝[7]等的研究成果一致，通过后向散射垂直剖面图，可以清晰直观地分辨云、气溶胶等的空间分布情况。从图3中可以看出0～4 km主要为气溶胶的分布区，云的分布比较高，一般都高于6 km，可达到10 km以上。严重雾霾期间北京地区0～4 km气溶胶厚度很厚为2 km～4 km，即为边界层高度。总削弱后向散射系数在0.015 km-1sr-1～0.05 km-1sr-1之间，与Vaughan M A的研究结果一致，一般认为波长在532 nm的后向散射值在0.8×10-3～4.5×10-3km-1sr-1范围的颗粒为气溶胶。北京地区2014年10月7日—11日气溶胶浓度很高，雾霾严重。

3 结论

严重雾霾期间太阳光度计探测的气溶胶光学厚度较高，峰值为4.51。APEC期间AOD值比较低，范围在0～2.8，严重雾霾期间AOD最高值高于APEC期间1.6倍。北京10月1日—15日大气Angstrom波长指数在0.1～1.8之间，严重雾霾期间北京地区气溶胶α值较高，均高于1.2，细粒子占主导，11月1日—15日α在0～1.6之间，每一天的变化幅度很大，最大达到1.4。可能与人为因素有关。

卫星产品遥感的北京地区严重雾霾期间AOD均在0.18以上，最高值超过了0.9；气溶胶吸收光学厚度在0.011～0.11之间，高于0.044的区域占到了40%。2014年10月北京地区AOD均值范围在0.1～0.82之间，气溶胶吸收光学厚度在0.0～0.066之间。APEC期间，北京地区AOD普遍低于0.42，小于0.1的地区占到了65%左右，气溶胶吸收光学厚度有50%的区域小于0.011。

APEC期间AOD最大值与严重雾霾期间AOD最小值基本相等，严重雾霾期间北京地区AOD最大值是APEC期间的2.1倍，气溶胶吸收光学厚度最高值是APEC期间的2.5倍，是10月月均气溶胶吸收光学厚度的1.66倍。通过后向散射系数垂直剖面图和垂直特征分布图可以清晰地分辨云、气溶胶的空间分布情况。严重雾霾期间0～4 km主要为气溶胶的分布区，气溶胶厚度为2 km～4 km，总削弱后向散射系数在0.015 km-1sr-1～0.05 km-1sr-1之间，北京地区2014年10月7日—11日气溶胶浓度很高，散射系数大。