張小林 許夢(mèng)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(duì)地球氣候、大氣環(huán)境和人類健康有著深遠(yuǎn)影響[3-5]．氣溶膠粒子可以散射和吸收短波和長(zhǎng)波輻射,進(jìn)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(xué)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(gè)過程的綜合效應(yīng),可以看作氣溶膠凈輻射效應(yīng)的指示參量[7]．

氣溶膠輻射強(qiáng)迫對(duì)單次散射反照率十分敏感,當(dāng)單次散射反照率變化時(shí),氣溶膠輻射強(qiáng)迫甚至可以在正的或者負(fù)的直接輻射強(qiáng)迫之間轉(zhuǎn)換[8]．由于輻射強(qiáng)迫對(duì)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(yīng)數(shù)值大小,以便較為準(zhǔn)確地在地球氣候模式或者大氣光化學(xué)模式中應(yīng)用．長(zhǎng)三角地區(qū)是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)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(gè)典型測(cè)量點(diǎn)的特性,而對(duì)該地區(qū)整層氣溶膠單次散射反照率時(shí)空特性研究仍顯不足．

本文利用OMI衛(wèi)星資料對(duì)長(zhǎng)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(jìn)行分析,以獲得其長(zhǎng)時(shí)間序列的時(shí)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(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)于2014年發(fā)射的Aura地球觀測(cè)系統(tǒng)衛(wèi)星上攜帶的4個(gè)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(rèn)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(jí)OMAERO產(chǎn)品,數(shù)據(jù)處理時(shí)去除了云的干擾,所選擇的波長(zhǎng)為483.5 nm,研究時(shí)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(zhǎng)三角地區(qū)．需要注意的是,OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)會(huì)由于云的存在而失真,但去除云的干擾則會(huì)造成數(shù)據(jù)缺失;此外,反演算法的不同對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品也有一定的影響[10-12]．借助于OMIOMAERO二級(jí)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(zhǎng)三角地區(qū)的時(shí)空分布特征,重點(diǎn)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(shí)空變化

2006—2017年平均的大氣氣溶膠柱單次散射反照率在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)空間分布如圖1所示．總體而言,長(zhǎng)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(duì)較少有關(guān)．

圖1 長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(duì)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(duì)較?。瓻ck等[13]利用AERONET數(shù)據(jù)對(duì)南非地區(qū)的大氣氣溶膠柱單次散射反照率進(jìn)行了研究,研究結(jié)果與本文大體相當(dāng),僅在有生物質(zhì)燃燒時(shí)大氣氣溶膠柱單次散射反照率相較會(huì)稍低．Andrews 等[14]也利用地基的AERONET數(shù)據(jù)對(duì)美國(guó)地區(qū)的大氣氣溶膠柱單次散射反照率進(jìn)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?yàn)闅馊苣z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(zhǎng)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(shí)間變化

圖3為2006—2017年期間長(zhǎng)三角地區(qū)大氣氣溶膠日均柱單次散射反照率的統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)較小有關(guān),特別是衛(wèi)星高度以下的中高高度．

圖4 長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)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(shí)冬季更穩(wěn)定的天氣條件(較低的大氣邊界層和較小的風(fēng)速)不利于黑碳污染物等的擴(kuò)散清除[15],導(dǎo)致氣溶膠吸收成分比例增加,進(jìn)而使得冬季的氣溶膠單次散射反照率較低．夏季具有較強(qiáng)的大氣對(duì)流能力,同時(shí)長(zhǎng)三角地區(qū)正值雨季,且臺(tái)風(fēng)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(dǎo)致夏季吸收成分相對(duì)較低而氣溶膠單次散射反照率較高的原因之一．

圖5 長(zhǎng)江三角洲地區(qū)月平均氣溶膠柱單次散射反照率

圖6 長(zhǎng)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(zhǎng)三角地區(qū)的時(shí)空分布特征,并研究其年際、月、季節(jié)變化特征．

長(zhǎng)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(zhǎng)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．