長江三角洲地區(qū)大氣氣溶膠柱單次散射反照率特性研究

張小林 許夢婕

0 引言

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的固態(tài)、液態(tài)粒子和氣體載體組成的多相體系,這些氣溶膠粒子大部分以亞微米尺度大小存在[1-2],它們對地球氣候、大氣環(huán)境和人類健康有著深遠影響[3-5]．氣溶膠粒子可以散射和吸收短波和長波輻射,進而直接改變地球-大氣系統(tǒng)的輻射能量平衡[6]．單次散射反照率是氣溶膠光學特性的最重要的參量之一,定義為氣溶膠吸收與氣溶膠消光(散射和吸收之和)之比,表示氣溶膠散射和吸收兩個過程的綜合效應,可以看作氣溶膠凈輻射效應的指示參量[7]．

氣溶膠輻射強迫對單次散射反照率十分敏感,當單次散射反照率變化時,氣溶膠輻射強迫甚至可以在正的或者負的直接輻射強迫之間轉(zhuǎn)換[8]．由于輻射強迫對氣溶膠單次散射反照率變化的高度敏感性,因此有必要獲得氣溶膠單次散射反照率的相應數(shù)值大小,以便較為準確地在地球氣候模式或者大氣光化學模式中應用．長三角地區(qū)是中國經(jīng)濟最為發(fā)達的地區(qū)之一,目前該地區(qū)氣溶膠單次散射反照率的研究更多集中在地面幾個典型測量點的特性,而對該地區(qū)整層氣溶膠單次散射反照率時空特性研究仍顯不足．

本文利用OMI衛(wèi)星資料對長三角地區(qū)整層大氣氣溶膠單次散射反照率(柱單次散射反照率)特性進行分析,以獲得其長時間序列的時空分布特征,為其在氣候模式中的使用提供依據(jù)．

1 方法

OMI是由美國國家航空航天局(NASA)于2014年發(fā)射的Aura地球觀測系統(tǒng)衛(wèi)星上攜帶的4個傳感器之一,由荷蘭、芬蘭和NASA聯(lián)合制造,其數(shù)據(jù)具有較高的可靠性,被認為是研究整層大氣氣溶膠特性的重要工具[9]．本文所使用的氣溶膠柱單次散射反照率數(shù)據(jù)來源于OMI二級OMAERO產(chǎn)品,數(shù)據(jù)處理時去除了云的干擾,所選擇的波長為483.5 nm,研究時間段為2006年1月—2017年12月,研究地區(qū)為114°～123°E,25°～38°N,主要為長三角地區(qū)．需要注意的是,OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)會由于云的存在而失真,但去除云的干擾則會造成數(shù)據(jù)缺失;此外,反演算法的不同對數(shù)據(jù)產(chǎn)品也有一定的影響[10-12]．借助于OMIOMAERO二級產(chǎn)品的單次散射反照率日均數(shù)據(jù),研究整層大氣(地面到衛(wèi)星,近似整層大氣)氣溶膠柱單次散射反照率在長三角地區(qū)的時空分布特征,重點研究其年際、月、季節(jié)變化特征,為其在氣候模式中使用提供數(shù)據(jù)參考．

2 結(jié)果與討論

2.1 柱單次散射反照率的時空變化

2006—2017年平均的大氣氣溶膠柱單次散射反照率在長江三角洲地區(qū)空間分布如圖1所示．總體而言,長江三角洲地區(qū)的大氣氣溶膠柱單次散射反照率越靠近海洋越大,而越靠近內(nèi)陸越小;在海洋上其值大多超過0.9,而在內(nèi)陸則基本小于0.9．這主要與海洋上空海鹽等散射型氣溶膠較多，而內(nèi)陸上空則相對較少有關(guān)．

圖1 長江三角洲地區(qū)2006—2017年氣溶膠柱單次散射反照率的平均空間分布

圖2為長三角地區(qū)大氣氣溶膠柱單次散射反照率日平均值在2006—2017年的時間變化情況．總體上,大氣氣溶膠柱單次散射反照有明顯的年際周期變化,在一年中夏季最高,而冬季最低．日均氣溶膠柱單次散射反照率在0.881～0.971范圍內(nèi)變化,多年的平均值為0.939±0.024．氣溶膠柱單次散射反照率的變化相對較小,這主要是由于本文研究的是整層大氣氣溶膠單次散射反照率,受地面氣溶膠源排放的影響相對較?。瓻ck等[13]利用AERONET數(shù)據(jù)對南非地區(qū)的大氣氣溶膠柱單次散射反照率進行了研究,研究結(jié)果與本文大體相當,僅在有生物質(zhì)燃燒時大氣氣溶膠柱單次散射反照率相較會稍低．Andrews 等[14]也利用地基的AERONET數(shù)據(jù)對美國地區(qū)的大氣氣溶膠柱單次散射反照率進行了研究,其結(jié)果也基本相似．全球不同地區(qū)的柱大氣氣溶膠單次散射反照率總體變化類似,可能是因為氣溶膠單次散射反照率受氣溶膠排放源影響較大,柱單次散射反照率則是整層大氣的平均效果,而中高層大氣受氣溶膠排放源影響則較?。?/p>

圖2 長江三角洲地區(qū)平均氣溶膠柱單次散射反照率2006—2017年的時間變化

圖3為2006—2017年期間長三角地區(qū)大氣氣溶膠日均柱單次散射反照率的統(tǒng)計分布．氣溶膠柱單次散射反照率最大分布概率出現(xiàn)在0.965～0.970區(qū)間,其值約為25%，而位于0.915～0.920和0.920～0.925區(qū)間的氣溶膠柱單次散射反照率分布概率分別有近15%．整層大氣氣溶膠柱單次散射反照率的數(shù)值整體較大,絕大多數(shù)超過0.900,表明就整層大氣而言氣溶膠類型以散射型粒子為主．

圖3 長江三角洲地區(qū)日均氣溶膠柱單次散射反照率2006—2017年的統(tǒng)計分布

2.2 柱單次散射反照率的年、月和季節(jié)變化

圖4為長三角地區(qū)大氣氣溶膠柱單次散射反照率年平均值的變化情況．長三角地區(qū)大氣氣溶膠柱單次散射反照率的年平均值集中于0.938～0.940之間,年際變化很小,變化值小于1%．這可能與大氣柱單次散射反照率受地面氣溶膠排放源的影響相對較小有關(guān),特別是衛(wèi)星高度以下的中高高度．

圖4 長江三角洲地區(qū)年平均氣溶膠柱單次散射反照率

圖5為長三角地區(qū)2006—2017年大氣氣溶膠柱單次散射反照率月平均值的變化情況．可以看出,氣溶膠月均柱單次散射反照率在6、8、9月有最大值,其值為0.968;在2月有最小值,其值為0.915;其他月份的數(shù)值則介于兩者之間,且隨著月份增加而連續(xù)變化．

圖6為長三角地區(qū)2006—2017年大氣氣溶膠柱單次散射反照率季節(jié)平均值的變化情況．長三角地區(qū)大氣氣溶膠柱單次散射反照率在春夏秋冬4個季節(jié)的平均值分別為0.929±0.002、0.968±0.001、0.941±0.003和0.919±0.001．總體而言,氣溶膠柱單次散射反照率在夏季最大,而在冬季最小,這與月平均值的情形一致．大氣氣溶膠柱單次散射反照率的季節(jié)性變化,主要受氣溶膠源與匯的季節(jié)性變化以及氣象因素的變化影響．冬季供暖加熱等所帶來的黑碳等吸收性氣溶膠排放增加，同時冬季更穩(wěn)定的天氣條件(較低的大氣邊界層和較小的風速)不利于黑碳污染物等的擴散清除[15],導致氣溶膠吸收成分比例增加,進而使得冬季的氣溶膠單次散射反照率較低．夏季具有較強的大氣對流能力,同時長三角地區(qū)正值雨季,且臺風過境次數(shù)增多,有利于黑碳污染物等的干濕清除,這可能是導致夏季吸收成分相對較低而氣溶膠單次散射反照率較高的原因之一．

圖5 長江三角洲地區(qū)月平均氣溶膠柱單次散射反照率

圖6 長江三角洲地區(qū)季節(jié)平均氣溶膠柱單次散射反照率

3 結(jié)論

本文利用OMI 衛(wèi)星資料2006—2017年的氣溶膠柱單次散射反照率日均數(shù)據(jù),研究了整層大氣氣溶膠單次散射反照率在長三角地區(qū)的時空分布特征,并研究其年際、月、季節(jié)變化特征．

長江三角洲地區(qū)的大氣氣溶膠柱單次散射反照率越靠近海洋越大,而越靠近內(nèi)陸越?。站鶜馊苣z柱單次散射反照率在0.881～0.971范圍內(nèi)變化,多年的平均值為0.939±0.024,最大分布概率出現(xiàn)在0.965～0.970區(qū)間,其值約為25%．長三角地區(qū)大氣氣溶膠柱單次散射反照率的年平均值集中于0.938～0.940之間,年際變化很小,變化值小于1%;月均柱單次散射反照率在6、8、9月有最大值,其值為0.968,而在2月有最小值,其值為0.915;春夏秋冬的季節(jié)平均值分別為0.929±0.002、0.968±0.001、0.941±0.003和0.919±0.001,在夏季最大,而在冬季最?。疚难芯拷Y(jié)果可為氣溶膠單次散射反照率在氣候模式中的使用等提供數(shù)據(jù)參考．