張 喆,丁建麗*,王瑾杰,3

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 831401)

艾比湖流域春季大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)

張 喆1,2,丁建麗1,2*,王瑾杰1,2,3

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 831401)

利用MicrotopsII太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù),得到艾比湖流域春季氣溶膠光學(xué)厚度(AOD550)、Angstr?m波長(zhǎng)指數(shù)(α).結(jié)果顯示,艾比湖流域春季AOD主要集中在0.1～0.4之間;受鹽塵遷移過(guò)程中粉塵擴(kuò)散、沉降等影響,精河地區(qū)和烏蘇地區(qū)氣溶膠光學(xué)性質(zhì)存在一定差異.精河、烏蘇兩地AOD平均值分別為0.290和0.242,變異系數(shù)分別62.966%和47.444%,α平均值分別為0.609和0.894,變異系數(shù)為33.368%和56.946%,精河地區(qū)大氣氣溶膠主控粒子粒徑相對(duì)較大,而烏蘇地區(qū)氣溶膠粒子的粒徑變化幅度相對(duì)較大;AOD和α的關(guān)系復(fù)雜,當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向是沙塵氣溶膠的主要來(lái)源,溫度變化并不是導(dǎo)致艾比湖流域 AOD 變化的內(nèi)在原因;α＜0.5時(shí),烏蘇地區(qū)AOD隨RH的增大而減小,精河地區(qū)受鹽塵中可溶性離子的影響,表現(xiàn)出一定的吸濕性,α＞1.0時(shí),細(xì)粒子吸濕增長(zhǎng)造成AOD隨RH的增大而增大,當(dāng)0.5＜α＜1.0,氣溶膠表現(xiàn)出一定的吸濕性,但當(dāng)50%＜RH時(shí),可能存在降雨對(duì)氣溶膠大顆粒的沖刷從而導(dǎo)致AOD的降低;精河地區(qū)AOD高值的主要原因是大粒子的增加,小粒子氣溶膠引起高污染現(xiàn)象的可能較小;烏蘇地區(qū)氣溶膠組成成分復(fù)雜,AOD高值受細(xì)模態(tài)粒子和粗模態(tài)粒子共同影響.

太陽(yáng)光度計(jì)；氣溶膠光學(xué)厚度；Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)；艾比湖

氣溶膠受周圍環(huán)境、排放源及本身性質(zhì)的影響,在組成成分、時(shí)空分布上具有很強(qiáng)的異質(zhì)性.作為大氣主要污染物,針對(duì)其時(shí)空分布的了解和光學(xué)特性的準(zhǔn)確估算,對(duì)區(qū)域氣溶膠環(huán)境和氣候效應(yīng)研究顯得尤為重要[1-2].氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)和Angstr?m波長(zhǎng)指數(shù)(α)是表征氣溶膠光學(xué)特性的基本參數(shù),它們不僅可以計(jì)算氣溶膠含量,還可以確定氣溶膠尺度,在一定程度上反映了區(qū)域大氣的污染程度和污染類型[3-4],針對(duì)二者關(guān)系的深入討論,對(duì)了解區(qū)域氣溶膠環(huán)境和氣候效應(yīng)具有重要意義[5].

自20世紀(jì)50年代以來(lái),艾比湖急速退化,使得其干涸湖底成為一種新的風(fēng)蝕塵源,受到越來(lái)越多的關(guān)注.由于其特殊的化學(xué)組成,干涸湖底鹽堿粉塵在風(fēng)力作用下以顆粒物的形式懸浮于大氣時(shí),不僅會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)氣溶膠含量的增高,影響到該地區(qū)能見(jiàn)度,在被遠(yuǎn)距離輸送過(guò)程中,更會(huì)對(duì)廣大降塵區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡以及人體健康造成嚴(yán)重威脅[6].相關(guān)學(xué)者從地面發(fā)生條件[7-8]、湖底風(fēng)蝕強(qiáng)或降塵通量[9]、周邊地區(qū)土壤鹽分及景觀變化的影響[10-11]等方面討論了鹽塵暴的擴(kuò)散及危害,但鮮有針對(duì)鹽塵顆粒對(duì)大氣污染方面的研究.受地理?xiàng)l件和監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的限制,針對(duì)鹽塵氣溶膠輸送過(guò)程對(duì)下游地區(qū)氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的影響還缺乏認(rèn)識(shí).因此,對(duì)艾比湖流域鹽塵氣溶膠光學(xué)參數(shù)進(jìn)行深入研究,探討其污染過(guò)程中光學(xué)特性的變化特征,有利于了解艾比湖流域鹽塵災(zāi)害的社會(huì)、生態(tài)作用,為全面認(rèn)識(shí)鹽塵暴提供必要的數(shù)據(jù)和科學(xué)的參考.

國(guó)內(nèi)外針對(duì)大氣氣溶膠的研究主要是依靠AERONET、CARSNET、CSHNET等聯(lián)合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)支持,主要針對(duì)AOD、α等光學(xué)特性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征分析, 相關(guān)學(xué)者對(duì)沙塵、生物燃燒、城市-工業(yè)氣溶膠光學(xué)特性研究做了大量工作[12-17].本文以塵暴高發(fā)的春季為典型研究時(shí)間段,利用手持太陽(yáng)光度計(jì)所獲取的氣溶膠光學(xué)參數(shù),結(jié)合相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等氣象觀測(cè)資料,分析了艾比湖流域鹽塵污染過(guò)程中氣溶膠光學(xué)特性與氣象要素的相關(guān)關(guān)系和變化特征,以期為北疆地區(qū)大氣污染防治及鹽塵暴研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖作為新疆第一大咸水湖,地處阿拉山口大風(fēng)主通道下極端干旱的荒漠區(qū)(圖1),屬典型的溫帶大陸性氣候,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,常年多風(fēng),生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱.受大風(fēng)天氣的影響,途徑艾比湖干涸湖底的阿拉山口西北風(fēng)攜帶大量鹽堿沙塵至艾比湖下游地區(qū),致使沿途地區(qū)大氣氣溶膠顆粒物濃度百分比迅速上升,粉塵中的鹽堿顆粒以氣溶膠形式懸浮于大氣,作為云凝結(jié)核的重要組成部分,通過(guò)改變?cè)频睦砘匦?直接影響區(qū)域降水和全區(qū)域的氣候變化,對(duì)天山北坡農(nóng)牧業(yè)發(fā)達(dá)的綠洲內(nèi)的生態(tài)安全造成嚴(yán)重威脅[18-19].

圖1 研究區(qū)概況示意Fig.1 Map of the studied area

1.2 數(shù)據(jù)與方法

本文使用的MicrotopsII太陽(yáng)光度計(jì)是一款手持式多波段太陽(yáng)光度計(jì),選取波段分別為440, 675,870,936,1020nm[20].在精河縣和烏蘇市兩地設(shè)立太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)點(diǎn).為避免礦石燃燒導(dǎo)致的人為氣溶膠的影響,觀測(cè)時(shí)間定在供暖結(jié)束后的4月6日～5月15日,觀測(cè)時(shí)段為10:00～21:00,采樣間隔1h.由于太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)時(shí)要求太陽(yáng)表面無(wú)云遮擋,故觀測(cè)數(shù)據(jù)并不連續(xù).觀測(cè)氣溶膠數(shù)據(jù)的同時(shí),記錄同時(shí)段氣象數(shù)據(jù),資料包括逐小時(shí)的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由中國(guó)天氣網(wǎng)發(fā)布.

Angstr?m波長(zhǎng)指數(shù)[6]的計(jì)算方法如式(1)所示:

式中:τ(λ)為AOD;λ1、λ2為波長(zhǎng)(nm);α為Angstr?m波長(zhǎng)指數(shù),反映的是氣溶膠組成中大小粒子的比例,α＜1表示氣溶膠主要以粗模態(tài)形式存在,α＞1則代表氣溶膠以細(xì)模態(tài)形式存在;城市-工業(yè)氣溶膠一般為1.1≤α≤2.4[21-22],沙塵氣溶膠一般為 -1≤α≤0.5[23].利用沒(méi)有水汽影響的 440和870nm波段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,可得到任何波段的AOD.本文分析部分統(tǒng)一使用550nm波段的AOD結(jié)果.

在太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)點(diǎn)周邊地區(qū)設(shè)置大氣降塵采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)集塵裝置,以干沉降的方法收集降塵樣品.在每個(gè)大氣降塵采樣點(diǎn)附近的上風(fēng)向地區(qū),采集0～10cm的表層土壤樣品.利用Mastersize 2000激光粒度分析儀分析降塵樣品粒徑分布,測(cè)量范圍在0.002～2000μm;利用離子色譜儀分析降塵和土壤樣品中的水溶性離子的組成和含量;土樣制備均采用5:1水土比進(jìn)行抽濾浸提,參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[24]測(cè)定樣品的含鹽量.

利用Gobbi提出的氣溶膠分類圖解法[25]可以得到細(xì)模態(tài)氣溶膠對(duì)總 AOD 的貢獻(xiàn)和細(xì)模態(tài)粒子的尺度,同時(shí)還可以分離出AOD 的增加是由于細(xì)模態(tài)粒子的吸濕性增長(zhǎng)引起還是由于粗模態(tài)粒子增加引起的.利用太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)得的440、675和870nm3 個(gè)波段的 AOD,計(jì)算得到α(440、675)、α(440、870)和α(675、870),進(jìn)而得到δα=α(440、675)—α(675、870),將其描繪在氣溶膠分類圖上,從而得到細(xì)模態(tài)氣溶膠對(duì)總AOD 675的貢獻(xiàn)η和細(xì)模態(tài)粒子的尺度Rf.氣溶膠細(xì)粒子親水特性會(huì)同時(shí)導(dǎo)致氣溶膠的粒徑和細(xì)模態(tài)氣溶膠AOD比例(η)的增加,而云干擾僅僅會(huì)導(dǎo)致細(xì)模態(tài)氣溶膠AOD比例(η)的增加,氣溶膠細(xì)粒子的粒徑保值不變.

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽塵的遷移

表1為精河、烏蘇兩地表層土壤、降塵土樣含鹽量和可溶性鹽含量統(tǒng)計(jì).對(duì)精河地區(qū)而言,表層土壤含鹽量最大值為45.4g/kg,最小為8.3g/kg,平均值為31.1g/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于降塵含鹽量的143.15g/kg,同時(shí)降塵中的Cl-、SO32-、K+、Ca2+也遠(yuǎn)高于本地表層土壤中的含量,說(shuō)明精河地區(qū)降塵中含有的大量可溶性鹽離子主要來(lái)自其上游地區(qū)艾比湖干涸湖底鹽堿粉塵;烏蘇地區(qū)表層土壤含鹽量最大值為71.2g/kg,最小為42.5g/kg,平均值為57.4g/kg,與降塵含鹽量的66.24g/kg差異不大,說(shuō)明艾比湖鹽塵在遷移過(guò)程中大部分鹽堿顆粒沉降在距離艾比湖干涸湖底較近的地區(qū),烏蘇地區(qū)除受艾比湖鹽塵影響相對(duì)較輕,同時(shí)還可能受其周邊地區(qū)農(nóng)田、鹽堿地或疏松風(fēng)積物二次起塵的影響.

表1 精河、烏蘇表層土壤和大氣降塵土樣含鹽量和可溶性鹽含量統(tǒng)計(jì)(g/kg)Table 1 Salts content and water soluble ion concentrations in atmospheric dust fall and in Ebinur region (g/kg)

精河地區(qū)大氣降塵中Cl含量顯著高于SO32-,說(shuō)明該地區(qū)降塵中的鹽類主要以氯化物為主.在距離干涸湖底塵源區(qū)較遠(yuǎn)的烏蘇地區(qū),降塵中的Cl-含量明顯減少,與此同時(shí)SO32-高于Cl-,說(shuō)明對(duì)該地區(qū)而言,降塵中的鹽類則是以硫酸鹽為主.說(shuō)明粉塵遷移過(guò)程中氯化物鹽塵主要危害距離塵源較近的區(qū)域,而硫酸鹽鹽塵則具備高于氯化物的遷移能力,影響范圍較廣.

精河地區(qū)大氣降塵中粒徑小于2μm的黏粒占總比例的13.52%,2～63μm的粉砂粒級(jí)占72.09%,大于63μm的沙粒級(jí)所占比例14.39%;烏蘇地區(qū)大氣降塵中2μm以下的黏粒占總比例的7.71%,2～63μm的粉砂粒級(jí)占82.36%,大于63μm的沙粒約占10.07%(圖2).與精河地區(qū)相比,烏蘇地區(qū)大氣降塵的粒徑分布略粗,這可能是由于春耕導(dǎo)致烏蘇周邊地區(qū)農(nóng)田土壤干燥疏松易于起塵,局地塵源的介入導(dǎo)致烏蘇降塵粒徑略粗.

圖2 精河、烏蘇大氣降塵粒徑分布Fig.2 Particle size distributions of the atmospheric dust fall in Jinghe and Wusu

2.2 AOD和α特征分析

受鹽塵遷移過(guò)程中粉塵擴(kuò)散、沉降等影響,精河和烏蘇地區(qū)氣溶膠光學(xué)性質(zhì)存在一定差異.精河、烏蘇兩地AOD集中分布在0.1～0.3范圍內(nèi),分布頻率呈明顯的單峰型特征(圖3).精河地區(qū)AOD主要集中在0.3以下,占總樣本 67%左右,在0.5～0.6的部分存在一個(gè)小高峰,大于0.6的部分占10.5%;烏蘇地區(qū)AOD頻率分布形狀較寬,高頻值主要集中在0.1～0.4之間,占78%左右,大于0.6的部分只占7.5%;AOD 在極端清潔值區(qū)間0～0.1的出現(xiàn)頻率很低,僅占總樣本的2.325%和0.833%;0.3～1區(qū)間內(nèi),AOD頻率遞減,烏蘇地區(qū)遞減趨勢(shì)相對(duì)較緩.觀測(cè)期間精河地區(qū)AOD平均值為0.290,略高于烏蘇地區(qū)的0.242;兩地AOD變異系數(shù)分別62.966%和47.444%(表2),這是因?yàn)槭艽杭旧硥m天氣影響,觀測(cè)期間AOD出現(xiàn)高值,造成極大值與平均值差值過(guò)大,因此其標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)相對(duì)較大;

α的頻率分布呈現(xiàn)一定差異.精河地區(qū)α最高頻區(qū)間為0.6～0.7,次高區(qū)間為0.4～0.5,分別占總樣本的15.789%和10.526%;小于0.5的 α值占總樣本的28.947%,大于1.1的α值占總樣本的14.912%;烏蘇地區(qū)α出現(xiàn)頻率主要區(qū)間在0.8～0.9之間,占總樣本的17.073%,其中小于0.5的α值占總樣本10.976%,大于1.1的α占總樣本的29.268%(圖3);精河和烏蘇地區(qū)α平均值分別為0.609和0.894,說(shuō)明精河地區(qū)大氣氣溶膠主控粒子粒徑大于烏蘇地區(qū);烏蘇地區(qū)α的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)精河地區(qū)較大,表明烏蘇地區(qū)空氣溶膠粒子的粒徑變化幅度較大.

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

表2 精河、烏蘇兩地春季氣溶膠光學(xué)特性數(shù)理統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of AOD and Angstrom wavelength exponent in spring

2.3 AOD與 α的關(guān)系

圖4為AOD-α的散點(diǎn)圖,從圖4可以看出,精河地區(qū)隨著AOD增加,α可能出現(xiàn)的最大值在逐漸減小,說(shuō)明大粒子的增加是引起AOD高值的主要因素;當(dāng)α＞0.5時(shí),AOD 主要集中在0.2左右,占總數(shù)的83.83%,說(shuō)明小粒子氣溶膠引起高污染現(xiàn)象的可能性較小.

圖4 精河、烏蘇兩地AOD和α的關(guān)系Fig.4 Relationship between Angstr?mparameters and AO Ds in Jinghe and Wusu

烏蘇地區(qū)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區(qū)間時(shí),對(duì)應(yīng)的AOD均值分別為0.292,0.261,0.246,0.248, 0.352,0.359,0.339和0.682,相關(guān)性較差;烏蘇地區(qū)α小于0.5和大于1的值分別占總數(shù)的22.102%和31.536%,說(shuō)明該地區(qū)細(xì)粒子的比重較大;AOD＜0.5時(shí),α分布范圍在0～1.3之間變化,說(shuō)明氣溶膠組成成分復(fù)雜,存在不同組分的氣溶膠粒子.

氣象要素對(duì)α和AOD以及α和AOD之間的關(guān)系存在一定程度的影響.精河和烏蘇地區(qū)風(fēng)速與AOD呈正相關(guān),與α呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)在0.02～0.21之間.圖5為不同風(fēng)速(V)控制下AOD-α關(guān)系,對(duì)精河地區(qū)而言,當(dāng)V＜1m/s時(shí),AOD主要集中在0.1～0.3范圍內(nèi),此時(shí)α＞0.5;當(dāng)1m/s＜V＜4m/s和V＞4m/s時(shí),隨著AOD的增加,α呈現(xiàn)減小趨勢(shì),說(shuō)明隨著AOD的增加,粒子尺度增大,表明觀測(cè)點(diǎn)周圍存在強(qiáng)的沙塵源,風(fēng)速是影響局地氣溶膠變化的主要因素.烏蘇地區(qū)當(dāng)V＜1m/s和1m/s＜V＜4m/s時(shí),AOD在0.1～0.7范圍內(nèi),α在0～1.3范圍內(nèi)均有分布,相關(guān)關(guān)系不明顯;當(dāng)V＞4m/s,大風(fēng)對(duì)小顆粒存在一定的清除作用,且受上游沙塵天氣影響,大風(fēng)攜帶艾比湖流域鹽堿粉塵,使得烏蘇地區(qū)α也降到0.4以下,此時(shí)AOD也降到0.3以下,α與AOD呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明對(duì)烏蘇地區(qū)而言,風(fēng)速同樣是影響局地氣溶膠變化的主要因素.

不僅是風(fēng)速,風(fēng)向?qū)值貧馊苣z變化同樣重要.通過(guò)對(duì)風(fēng)向頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(圖6),精河地區(qū)SSW為觀測(cè)期間盛行風(fēng)向,烏蘇地區(qū)主要受E風(fēng)向影響.精河地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向作用下,AOD平均值為0.315,α平均值0.840,非主導(dǎo)風(fēng)向作用下AOD平均值0.246,α平均值0.987;烏蘇地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向作用下,AOD平均值0.225,α平均值0.557,非主導(dǎo)風(fēng)向作用下,AOD平均值0.261,α平均值0.9.圖7為兩地主導(dǎo)和非主導(dǎo)風(fēng)向作用下α隨AOD的變化圖.對(duì)精河地區(qū)而言,當(dāng)風(fēng)向?yàn)橹鲗?dǎo)風(fēng)向SSW時(shí),α隨AOD的增大而減小,兩者呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān),并且α和AOD的變化范圍都很大,表明精河地區(qū)高污染或低污染狀況下,大氣狀況都受到SSW風(fēng)向的影響;烏蘇地區(qū)當(dāng)風(fēng)向?yàn)镋時(shí),α主要集中在1以下,說(shuō)明E風(fēng)向?yàn)闉跆K地區(qū)帶來(lái)大量沙塵.精河和烏蘇在非主導(dǎo)風(fēng)向作用下,α值均大于0.5,AOD集中在0.2左右,說(shuō)明主導(dǎo)風(fēng)向是沙塵氣溶膠的主要來(lái)源,非主導(dǎo)風(fēng)向?qū)值卮髿鈿馊苣z濃度和顆粒有一定稀釋作用.

圖5 不同風(fēng)速下AOD和α的關(guān)系Fig.5 Relationship between Angstr?mparameters and AO Ds at different wind speed

圖6 不同風(fēng)向下AOD和α的關(guān)系Fig.6 Relationship between Angstr?mparameters and AO Ds in different wind direction

將AOD分為3個(gè)等級(jí),以驗(yàn)證不同污染狀況下α與溫度(T)的響應(yīng)關(guān)系(圖7).精河和烏蘇溫度范圍在10～25℃.當(dāng)AOD＜0.2時(shí),精河地區(qū)α范圍在0.6～1.4之間,烏蘇地區(qū)α范圍為0～1.2之間;當(dāng)0.2＜AOD＜0.5,兩地α范圍均有所擴(kuò)大,α范圍在0～1.6之間;AOD＞0.5時(shí),兩地α值大都小于1,但都與T相關(guān)性不明顯.說(shuō)明AOD變化主要與當(dāng)?shù)貧馊苣z離子組成有關(guān),溫度變化并不是導(dǎo)致AOD變化的內(nèi)在原因.

精河和烏蘇地區(qū)相對(duì)濕度與AOD和α均呈正相關(guān)變化趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)在0.18～0.37之間.圖8為不同α級(jí)別下AOD隨相對(duì)濕度(RH)的變化.可以看出,α＜0.5時(shí),即大氣中以地面揚(yáng)塵和沙塵氣溶膠為主時(shí),烏蘇地區(qū)AOD隨RH的增大而減小,氣溶膠粒子主要表現(xiàn)出非親水性;精河地區(qū)AOD受RH的影響較為復(fù)雜,這可能與當(dāng)?shù)貧馊苣z化學(xué)組成有關(guān),此時(shí)精河地區(qū)雖然主要受沙塵氣溶膠影響,但鹽堿粉塵中含有大量可溶性鹽離子,使得氣溶膠顆粒表現(xiàn)出一定的親水性;當(dāng)0.5＜α＜1.0,兩地區(qū)AOD隨著RH的增大而增大,氣溶膠表現(xiàn)出一定的吸濕性,但當(dāng)50%＜RH時(shí),AOD隨RH增加降低,可能是由于降雨對(duì)氣溶膠顆粒的沖刷,從而導(dǎo)致大顆粒粒子的減少和AOD的降低;α＞1.0時(shí),細(xì)粒子吸濕增長(zhǎng)造成AOD隨RH的增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì).

圖7 不同光學(xué)厚度下α和溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between Angstr?mparameters and temperature with different AOD

圖8 不同α下AOD與相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.8 Relationship between AO Ds and relative humidity with different Angstr?mparameter

2.4 氣溶膠分類圖解

圖9是以折射率m=1.4-0.001i為參考,采用雙模態(tài)、對(duì)數(shù)正態(tài)分布的α和δα函數(shù)對(duì)氣溶膠類型進(jìn)行分類的示意圖.

由圖9可見(jiàn),精河地區(qū)0.15＜AOD＜0.3時(shí),氣溶膠主要集中在細(xì)模態(tài)粒子增長(zhǎng)區(qū)域(1.0＜α＜1.5,δα＜0),與之相對(duì)應(yīng)的η介于70%～90%,粒徑大小范圍約在0.14～0.21μm之間,說(shuō)明氣溶膠以細(xì)模式粒子為主時(shí),AOD出現(xiàn)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)為主的區(qū)域,此時(shí),δα在0附近變化,細(xì)粒子對(duì)AOD的貢獻(xiàn)η小于30%,粒徑大小范圍約在0.14～0.5μm之間,說(shuō)明春季精河縣受沙塵影響嚴(yán)重, AOD高值受粗粒子為主的沙塵氣溶膠的影響,氣溶膠特性與沙塵氣溶膠粒子增加有關(guān),與精河地區(qū)相比,烏蘇地區(qū)AOD高值主要分布在兩個(gè)區(qū)域,表現(xiàn)為細(xì)模態(tài)粒子(AOD＞0.7,δα＜-0.3, η＞70%)和粗模態(tài)粒子(AOD＞0.7,δα＜0.3,η＜30%)共同影響,說(shuō)明烏蘇受沙塵氣溶膠粗粒子影響的同時(shí),也受工業(yè)燃燒和城市污染產(chǎn)生的細(xì)粒子影響,烏蘇地區(qū)AOD增長(zhǎng)與沙塵氣溶膠及細(xì)模態(tài)氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)有關(guān).

圖9 AOD675nm、α和δα的關(guān)系Fig.9 The relationship among AOD675nm、α and δα

3 結(jié)論

3.1 艾比湖鹽塵主要以沉降在距離艾比湖干涸湖底較近的精河地區(qū)為主,烏蘇地區(qū)除受艾比湖鹽塵影響外,同時(shí)還受其周邊地區(qū)局地塵源介入的影響;氯化物鹽塵影響范圍較近,硫酸鹽鹽塵遷移較遠(yuǎn).

3.2 艾比湖流域春季AOD分布頻率呈明顯的單峰型特征,高頻值主要集中在0.1～0.4之間;精河地區(qū)α最高頻區(qū)間為0.6～0.7,占總樣本的15.789%,α平均值分別為0.609,變異系數(shù)為33.368%;烏蘇地區(qū)α出現(xiàn)頻率主要區(qū)間在0.8～0.9之間,占總樣本的17.073%,α平均值分別為0.894,變異系數(shù)為56.946%,說(shuō)明精河地區(qū)大氣氣溶膠主控粒子粒徑大于烏蘇地區(qū);而烏蘇地區(qū)空氣溶膠粒子的粒徑變化幅度相對(duì)較大.

3.3 受氣溶膠組成成分和氣象條件綜合影響,AOD和α的關(guān)系復(fù)雜.精河、烏蘇地區(qū)當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向是沙塵氣溶膠的主要來(lái)源,非主導(dǎo)風(fēng)向?qū)值卮髿鈿馊苣z濃度和顆粒有一定稀釋作用;溫度變化并不是導(dǎo)致艾比湖流域 AOD 變化的內(nèi)在原因;α ＜0.5時(shí),烏蘇地區(qū)氣溶膠表現(xiàn)出非親水性,精河地區(qū)氣溶膠受鹽塵中大量可溶性粒子影響呈現(xiàn)出一定的親水性;α＞1.0時(shí),細(xì)粒子吸濕增長(zhǎng)造成AOD隨RH的增大而增大,當(dāng)0.5＜ α ＜1.0,氣溶膠表現(xiàn)出一定的吸濕性,但當(dāng)50%＜RH時(shí),可能存在降雨對(duì)氣溶膠大顆粒的沖刷從而導(dǎo)致AOD的降低.

3.4 精河地區(qū)春季受沙塵影響嚴(yán)重,大粒子的增加是引起該地區(qū)AOD高值的主要因素,小粒子氣溶膠引起高污染現(xiàn)象的可能較小;烏蘇地區(qū)氣溶膠組成成分復(fù)雜,AOD高值表現(xiàn)為細(xì)模態(tài)粒子和粗模態(tài)粒子共同影響,說(shuō)明該地區(qū)AOD增長(zhǎng)與沙塵氣溶膠及細(xì)模態(tài)氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)有關(guān).

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Aerosol optical properties over Ebinur region in spring.

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 Angstr?mwavelength 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

張 喆(1988-),女,新疆石河子人,新疆大學(xué)博士研究生,主要從事干旱區(qū)環(huán)境及大氣遙感等研究.發(fā)表論文5篇.

2016-06-23

自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金(2016D03001,2014KL005);自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目(201591101);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1303381,41261090,41161063);教育部促進(jìn)與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項(xiàng)目;自治區(qū)專家顧問(wèn)團(tuán)決策研究與咨詢項(xiàng)目(201601044);新疆大學(xué)優(yōu)秀博士研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(XJUBSCX-2014012).

* 責(zé)任作者, 教授, watarid@xju.edu.cn