宿興濤，鄭軍，李學(xué)剛

（1.北京應(yīng)用氣象研究所，北京 100029；2.中國人民解放軍32039 部隊，北京 102300）

氣溶膠的垂直分布是其輻射強迫和氣候效應(yīng)的重要影響因子之一。Minnis 和Cox[1]的觀測分析以及Carlson 和Benjamin[2]的模擬研究均表明，抬高的撒哈拉沙塵層能明顯改變大氣加熱率。Liao 和Seinfeld[3]分析認為，晴空與有云條件下，大氣頂強迫對沙塵層高度非常敏感。Meloni 等[4]也發(fā)現(xiàn)，氣溶膠大氣頂短波輻射強迫強烈依賴于氣溶膠垂直廓線。Huang 等[5]指出，以往氣溶膠觀測只能在全球有限站點利用被動式輻射計進行，地面觀測的氣溶膠光學(xué)特性在轉(zhuǎn)換為柱特性時，采用了氣溶膠垂直廓線分布的假設(shè)。由于氣溶膠層高度可變，地面氣溶膠特性與氣溶膠柱特性常常存在很大的區(qū)別。因此，計算氣溶膠柱特性時，不同時間如果采用相同的氣溶膠垂直廓線，將導(dǎo)致結(jié)果存在非常大的誤差（可達2 倍）[6]。

宿興濤[7-8]曾對沙塵氣溶膠垂直分布的研究現(xiàn)狀進行過綜述，其他氣溶膠垂直分布研究方法基本相同。通過對以往研究工作分析發(fā)現(xiàn)，盡管對東亞地區(qū)氣溶膠垂直分布觀測研究較早，但絕大多數(shù)限于時間較短的天氣過程，極少數(shù)研究能達到月尺度[5]，并且這些觀測次數(shù)、時間尺度、空間尺度有限，無法對大范圍區(qū)域進行連續(xù)觀測。由于不同的天氣條件氣溶膠可以抬升的高度存在很大差異，即使同一地區(qū)在不同季節(jié)不同時刻，氣溶膠的垂直分布也會存在很大的不同。另外，不同氣溶膠模型關(guān)于源匯方案等存在差別，采用數(shù)值模式對沙塵垂直分布的認識也存在很大差異。CALIPSO（The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）衛(wèi)星的發(fā)射提供了一個很好的機會，有利于對大范圍區(qū)域氣溶膠的垂直廓線特征進行連續(xù)觀測，不少學(xué)者利用其開展了不少研究工作[9-14]，但研究范圍和時間尺度均比較小。文中利用CALIPSO 星載激光雷達觀測資料，研究更長時間、更大范圍氣溶膠的垂直廓線特征，以期從氣候角度加深對該地區(qū)氣溶膠垂直分布的認識，并為氣候模式比對提供參考。

1 資料介紹

CALIPSO 衛(wèi)星發(fā)射于2006 年4 月，攜帶主要設(shè)備之一為正交偏振云-氣溶膠雷達 CALIOP（The Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization）。它可以在任何地形、高反照率表面、有云和晴空條件下，對氣溶膠的垂直分布進行觀測。CALIOP 接收的回波信號分為三個通道，一個測量1064 nm 的后向散射強度，另外兩個通道測量532 nm 后向散射信號的正交極化部分。反演計算時，將兩個通道分別獲取的后向散射強度疊加作為532 nm 總的后向散射強度。CALIPSO 各種參數(shù)反演算法參考文獻[15]。

CALIPSO 雷達三級氣溶膠廓線月產(chǎn)品（Lidar Level 3 Aerosol Profile Monthly Products）1.00 版（下文簡稱CALIPSO L3 V1.00）是在CALIPSO 雷達二級氣溶膠廓線產(chǎn)品基礎(chǔ)上制作出來的，發(fā)布于2011 年12 月，記錄了在統(tǒng)一空間格點上氣溶膠光學(xué)特性的月平均廓線。CALIPSO L3 V1.00 主要針對對流層設(shè)計，產(chǎn)品垂直范圍在12 km 以下。該產(chǎn)品主要參數(shù)為532 nm 氣溶膠的消光系數(shù)垂直廓線及其垂直積分-氣溶膠光學(xué)厚度。另外，還包括氣溶膠類型（海洋氣溶膠、沙漠沙塵氣溶膠、污染大陸氣溶膠、清潔大陸氣溶膠、生物質(zhì)燃燒氣溶膠等）及空間分布信息。需要指出的是，氣溶膠平均廓線產(chǎn)品分為兩種：一是針對所有種類氣溶膠（下文稱總氣溶膠），二是僅針對沙塵氣溶膠。根據(jù)天空條件和時間范圍，CALIPSO L3 V1.00 分為四種類型產(chǎn)品（見表1），產(chǎn)品空間分辨率見表2。文中采用All sky 條件白天的產(chǎn)品。資料研究時間尺度為2006 年7 月—2012 年6 月，共6 年。

表1 CALIPSO L3 V1.00 產(chǎn)品類型

表2 CALIPSO L3 V1.00 產(chǎn)品空間范圍和分辨率

2 結(jié)果分析

2.1 氣溶膠光學(xué)厚度分布

CALIPSO 衛(wèi)星反演得到的532 nm 波長全球總氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）與沙塵氣溶膠光學(xué)厚度（Dust Aerosol Optical Depth，DAOD）分布分別如圖1 和圖2 所示。由圖1 可見，全球總氣溶膠主要分布在西非及臨近的大西洋海域、中非南部、西亞、南亞、塔克拉瑪干沙漠以及東亞大陸東部沿海地區(qū)。結(jié)合圖2 分析可知，除中非南部和東亞大陸東部沿海地區(qū)外，這些地區(qū)同時也是沙塵氣溶膠的主要分布區(qū)。圖3 給出了全球532 nm 波長DAOD/ AOD 比值分布。由圖3 可見，撒哈拉沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠占總氣溶膠的比值達0.9 以上，西亞絕 大部分地區(qū)比值也都在0.7 以上，我國西北絕大部分地區(qū)比值都在0.5 以上，塔克拉瑪干沙漠在0.8 以上。

圖1 532 nm 波長氣溶膠光學(xué)厚度

圖2 532 nm 波長沙塵氣溶膠光學(xué)厚度

在這些地區(qū)，氣溶膠的主要組成為沙塵氣溶膠。我國東部地區(qū)比值較低，大部分地區(qū)在0.2 以下，說明該地區(qū)沙塵氣溶膠的比重較小，其他種類氣溶膠含 量較高，如硫酸鹽氣溶膠、碳氣溶膠等[9]。文中重點研究東亞地區(qū)氣溶膠的垂直分布特征。在后文研究中，圖1 選擇A、B 作為總氣溶膠代表性格點，分別代表華北和華南地區(qū)；圖2 選擇C 為沙塵氣溶膠代表性格點，代表塔克拉瑪干沙漠地區(qū)。

圖3 532 nm 波長沙塵氣溶膠光學(xué)厚度與 總氣溶膠光學(xué)厚度的比值

2.2 總氣溶膠垂直分布

采用消光系數(shù)廓線來分析總氣溶膠垂直分布。根據(jù)上文分析，東亞大陸東部沿海地區(qū)的總氣溶膠分布最為顯著。根據(jù)圖1，選擇115°E—120°E 經(jīng)度帶分析532 nm 消光系數(shù)廓線，如圖4 所示。由圖4 可見，該地區(qū)總氣溶膠垂直廓線具有以下特征。

圖4 沿115°E—120°E 總氣溶膠消光系數(shù)廓線

1）一般而言，近地面附近消光系數(shù)最大，隨著高度的上升而逐漸減小，表明總氣溶膠濃度隨高度的增加而減小。這是從氣候平均角度得到的結(jié)論，與個別時期氣溶膠分層情況顯然不同。

2）顯著的月際變化。3—6 月份，AOD 在一年中處于低值，但由于該時期對流活動較強，而降水較少，氣溶膠容易向上傳輸，到達的高度較高，白天消光系數(shù)0.01 km-1值一般能達到5 km 左右。7—8 月份降水顯著，對氣溶膠的沖刷作用明顯。9—11 月份對流活動減弱，這些因素均抑制了氣溶膠的向上傳輸。

3）顯著的地區(qū)差異。以消光系數(shù)0.01 km-1為例，如11 月—次年2 月，華南地區(qū)0.01 km-1值在我國東部達到的高度最高，而其他月份一般在長江以北至華北地區(qū)達到的高度最高。

圖5 格點A 氣溶膠的消光系數(shù)廓線

圖6 格點B 氣溶膠的消光系數(shù)廓線

選擇A、B 兩個格點進一步分析總氣溶膠垂直特征，分別如圖5 和圖6 所示。兩個地區(qū)氣溶膠所含種類、比例均存在較大不同?？梢钥闯觯鄶?shù)月份，在可信區(qū)域內(nèi)，消光系數(shù)隨高度的增加而迅速減小，但也存在差別。華北地區(qū)，10 月—次年3 月份氣溶膠主要位于3 km 高度以下，4—9 月主要位于4～5 km 以下。另外，3—6 月，2 km 高度以下，氣溶膠消光系數(shù)變化并不大，表明該時期氣溶膠濃度在近地面到2 km 高度分布比較均勻。7—8 月，大約在近地面到2 km 高度，氣溶膠消光系數(shù)數(shù)值在一年中最顯著，但最大值沒有出現(xiàn)在近地面，而是在1 km 左右高度。華南地區(qū)，3 月，白天消光系數(shù)最大值出現(xiàn)在3 km左右高度，而夜間出現(xiàn)高度在2.5 km 左右。除3—4月外，該地區(qū)氣溶膠所處的高度主要在4 km 以下。

對A 和B 兩點總氣溶膠分布進行了擬合分析。華北地區(qū)大致在0.76 km 高度以上，華南地區(qū)在1.6 km 高度以上，氣溶膠消光系數(shù)隨高度的增加呈指數(shù)減小，公式分別為EA=0.666e-0.076h、EB=0.3e-0.091h。其中EA、EB分別為A、B 格點消光系數(shù)，km-1；h為垂直高度，km。兩函數(shù)與原始數(shù)據(jù)具有非常高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.99、0.94，并通過了0.001顯著性檢驗。

2.3 沙塵氣溶膠垂直分布

結(jié)合圖2，選擇37°N—39°N 緯度帶分析東亞-北太平洋地區(qū)沙塵氣溶膠532 nm 消光系數(shù)的垂直分布特征，如圖7 所示。由圖7 可見，該地區(qū)沙塵氣溶膠的垂直廓線與我國東部沿海地區(qū)總氣溶膠的垂直廓線具有相似之處，主要特征如下：

1）從氣候平均來看，一般近地面附近消光系數(shù)最大，隨著高度上升而逐漸減小。

2）有顯著的月際變化，但具體月際變化特征與總氣溶膠不同。1—5 月份，沙塵活動顯著強于其他月份，同時由于該時期北太平洋地區(qū)降水較少，沙塵氣溶膠在向該地區(qū)傳輸過程中，濃度降低的速度并不快，同等高度上，東亞-北太平洋地區(qū)沙塵氣溶膠的濃度梯度不大。其他月份，同等高度上，東亞大陸的沙塵氣溶膠濃度一般顯著高于北太平洋地區(qū)。

圖7 沿37°N—39°N 緯帶沙塵氣溶膠消光系數(shù)廓線

3）不同地區(qū)氣溶膠到達的高度不同。以消光系數(shù)0.01 km-1為例，東亞大陸所處高度一般在5～8 km之間，而北太平洋地區(qū)除1—5 月在2～4 km 左右外，其他月份一般僅2 km 左右。

通過C 格點進一步研究塔克拉瑪干沙漠地區(qū)沙塵氣溶膠垂直特征，如圖8 所示?？梢姡谠摰貐^(qū)，11 月—次年2 月，沙塵活動較弱，沙塵氣溶膠向上一般僅能到3～4 km；3—4 月以及10 月，沙塵活動較強，沙塵氣溶膠向上一般能到5 km 左右；5—9 月，沙塵活動在一年中最強，沙塵氣溶膠向上可達到6 km左右。擬合分析發(fā)現(xiàn)，在可信區(qū)域內(nèi)，大約在2.3～5 km高度之間，消光系數(shù)隨高度的增加幾乎呈線性遞減，公式為EC=-0.0038h+0.1673。該線性函數(shù)與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)高達0.99，通過了0.001 顯著性檢驗。

圖8 格點C 氣溶膠的消光系數(shù)廓線

3 結(jié)論

度上東亞大陸沙塵氣溶膠濃度一般顯著高于北太平洋地區(qū)。

文中采用6 年（2006—2012）CALIPSO 星載激光雷達資料，研究了東亞地區(qū)總氣溶膠和沙塵氣溶膠垂直分布特征，并重點對華北、華南兩個總氣溶膠高值區(qū)以及塔克拉瑪干沙漠沙塵氣溶膠高值區(qū)進行了重點分析，主要得到以下結(jié)論：

1）西北沙塵源區(qū)與我國東部沿海地區(qū)是東亞AOD 最顯著的兩個地區(qū)。從DAOD/AOD 比值來看，我國西北絕大部分地區(qū)都在0.5 以上，塔克拉瑪干沙漠在0.8 以上，這些地區(qū)氣溶膠種類以沙塵為主。我國東部地區(qū)較低，大部分地區(qū)在0.2 以下。

2）從氣候平均來看，除少數(shù)地區(qū)個別月份外，東亞-北太平洋地區(qū)氣溶膠濃度最大值出現(xiàn)在近地面附近。

3）在我國東部沿海地區(qū)，一定高度以上，總氣溶膠消光系數(shù)隨高度的增加總體上呈指數(shù)減小，而氣溶膠所到達的高度具有顯著的月際變化和地區(qū)差異。

4）在我國西北沙塵源區(qū)，大致在近地面至對流層中層高度，沙塵氣溶膠消光系數(shù)隨高度增加幾乎呈線性遞減。

5）在中緯度地區(qū)，亞洲沙塵氣溶膠跨北太平洋傳輸在1—5 月份較強。同等高度上，東亞-北太平洋地區(qū)沙塵氣溶膠濃度差異不大，而其他月份，同等高