黃悅 陳斌 董莉 張芝娟

1 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州 730000

2 太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030000

1 引言

氣溶膠是影響地球輻射收支平衡的主要因子之一，氣溶膠通過吸收和散射作用直接改變地表輻射平衡（Twomey, 1977），即“陽(yáng)傘效應(yīng)”；另外，氣溶膠也可以作為云凝結(jié)核參與云微物理過程，間接影響天氣過程，稱為“間接效應(yīng)”（Albrecht,1989）。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，氣溶膠部分抵消了混合溫室氣體的輻射強(qiáng)迫，是氣候變化中最不確定的部分（張華和黃建平, 2014）。沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分，其主要成分為礦物氣溶膠（車慧正等, 2005），與顆粒物濃度及空氣質(zhì)量密切相關(guān)（王式功等, 2011; 石廣玉等,2018）。蘇婧（2010）定量計(jì)算研究中國(guó)西北地區(qū)沙塵氣溶膠輻射強(qiáng)迫作用，發(fā)現(xiàn)在地表沙塵氣溶膠的輻射強(qiáng)迫出現(xiàn)很大的負(fù)值。張丁玲等（2012）的研究表明，沙塵氣溶膠對(duì)青藏高原上空的云輻射強(qiáng)迫產(chǎn)生影響。

自1993年甘肅金昌發(fā)生特強(qiáng)沙塵暴后，國(guó)內(nèi)關(guān)于沙塵天氣的研究逐漸增多（錢正安等, 2002）。錢正安等（1997）對(duì)比分析了中國(guó)、美國(guó)和蘇丹的強(qiáng)沙塵天氣特征，得到中國(guó)西北強(qiáng)沙塵天氣的爆發(fā)是水汽條件差，以及地面冷鋒共同作用的結(jié)果。西伯利亞上空干冷極地大陸性氣團(tuán)是否造成東西向風(fēng)經(jīng)過沙源區(qū)是導(dǎo)致中國(guó)春季沙塵暴是否多發(fā)的主要原因（柳中明等, 2004），影響中國(guó)北方特強(qiáng)沙塵暴的環(huán)流系統(tǒng)主要包括純強(qiáng)干冷峰型、蒙古氣旋與干冷鋒混合型、蒙古冷高壓南部倒槽型和干颮線與冷鋒混合型四種（劉景濤等, 2004）。除天氣系統(tǒng)的影響之外，沙塵暴活動(dòng)的頻發(fā)與人類活動(dòng)也密切相關(guān)（王濤等, 2001）。全球變暖的影響下，土地不合理利用導(dǎo)致沙塵天氣頻發(fā)（葉篤正等, 2000; 錢正安等, 2004, 2006）。19世紀(jì)中期到20世紀(jì)初，中蒙地區(qū)的沙塵暴活動(dòng)呈現(xiàn)波動(dòng)變化的特征，并且中蒙中、東及西區(qū)三區(qū)系的變化完全不同，除此之外，沙塵粒子還具有重要的氣候和環(huán)境效應(yīng)（石廣玉和趙思雄, 2003）。

隨著激光雷達(dá)技術(shù)的日漸成熟，利用激光雷達(dá)（包括地基和星載激光雷達(dá)）對(duì)沙塵氣溶膠的研究也逐漸增多。利用星載激光雷達(dá)資料，可以反演得到大氣中云和氣溶膠的信息（Liu et al., 2008, 2014;Chen et al., 2010, 2014; Zhou et al., 2013; Huang et al., 2010, 2015）。有研究表明，大氣中氣溶膠的光學(xué)參數(shù)以及顆粒物濃度是邊界層高度的函數(shù)（Nicolás et al., 2019）。此外，在水平尺度上，星載激光雷達(dá)還能夠較好地反應(yīng)沙塵氣溶膠傳輸過程；在垂直方向上，能夠反應(yīng)沙塵氣溶膠的輻射特性隨高度變化的特征（陳勇航等, 2008, 2009）。如中國(guó)西北沙塵氣溶膠在青藏高原的抬升作用下，借助西風(fēng)急流傳輸至太平洋區(qū)域（Huang et al., 2008），夏季傳輸至中國(guó)東部的沙塵氣溶膠中，13.4%通過高空跨越至北美地區(qū)（王文彩, 2013），從而對(duì)全球天氣和氣候產(chǎn)生影響。而利用日本葵花靜止氣象衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這種高海拔、遠(yuǎn)距離的沙塵傳輸，植樹造林對(duì)空氣質(zhì)量改善的效果不大（Guo et al.,2019）。另外，基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象要素和后向軌跡模型，可以有效判別大氣中的氣溶膠類型（陳曉磊和金蓮姬, 2018）?；谛l(wèi)星數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，第一次計(jì)算得到沙塵氣溶膠中的人為排放占25%，沙塵氣溶膠的排放受氣候變化影響，同時(shí)又會(huì)影響氣候變化（Ginoux et al., 2001,2012）。

除星載激光雷達(dá)外，利用地基激光雷達(dá)資料對(duì)于氣溶膠的研究也有很多。Shimizu et al.（2004）等利用地基激光雷達(dá)在中國(guó)和日本的連續(xù)觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)的沙塵氣溶膠多高達(dá)4 km，并且部分傳輸至日本福岡站點(diǎn)。東亞地區(qū)的自然沙塵氣溶膠來源靠近城市和工業(yè)區(qū)，也是世界上人為氣溶膠濃度最高的地區(qū)（Sugimoto et al., 2014）。祝存兄（2015）利用中國(guó)氣象局南京綜合觀測(cè)基地的微脈沖激光雷達(dá)反演得到的消光系數(shù)和退偏比數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)到南京地區(qū)一次沙塵天氣的爆發(fā)和消散動(dòng)態(tài)。鄧梅（2015）對(duì)北京地區(qū)沙塵天氣下的退偏比等氣溶膠光學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，得到沙塵天氣下，北京地區(qū)的氣溶膠Angstrom指數(shù)平均值較小。高興艾（2018）利用SACOL站點(diǎn)的雙偏振激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)氣溶膠的退偏比等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沙塵天氣期間吸收性氣溶膠質(zhì)量濃度顯著增加，峰值出現(xiàn)在08:00和20:00左右（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）。沙塵氣溶膠在地中海西南部的傳輸過程中，氣溶膠的散射特性以及PM10濃度變化，受撒哈拉沙漠的沙塵氣溶膠傳輸影響，在暖季，地中海地區(qū)氣溶膠濃度較大（Nishizawa et al., 2017）。除固定的地基雷達(dá)外，柴文軒等（2019）利用車載激光雷達(dá)對(duì)京津冀地區(qū)的沙塵氣溶膠進(jìn)行走航觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沙塵天氣過程中各顆粒物的實(shí)時(shí)觀測(cè)。范仕東（2018）利用船載激光雷達(dá)（搭載有一臺(tái)雙波長(zhǎng)彈性散射偏振激光雷達(dá)）對(duì)上海至武漢長(zhǎng)江流域上的大氣顆粒物的分布進(jìn)行研究，為多層次理解氣溶膠污染提供了幫助。

現(xiàn)有的對(duì)于沙塵氣溶膠的研究，多集中于單一的星載或地基激光雷達(dá)對(duì)沙塵天氣過程中沙塵氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，本文同時(shí)利用了星載和地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。首先，利用星載激光雷達(dá)CALIOP數(shù)據(jù)，分析了此次沙塵天氣過程中氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的垂直分布特征，以及沙塵氣溶膠的時(shí)空分布和三維結(jié)構(gòu)特征；并結(jié)合亞洲沙塵和氣溶膠激光雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)AD-NET的數(shù)據(jù)對(duì)傳輸至日韓等太平洋地區(qū)的沙塵進(jìn)行分析和定量表述，同時(shí)比較和分析了星載激光雷達(dá)CALIOP和地基激光雷達(dá)的表觀散射比；另外，利用歐洲中心提供的氣象要素?cái)?shù)據(jù)分析了沙塵天氣成因，利用國(guó)家環(huán)保局提供的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析了此次沙塵天氣過程對(duì)空氣質(zhì)量的影響。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

2.1.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

1998年，美國(guó)宇航局與法國(guó)國(guó)家空間研究中心合作開始實(shí)施“云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)和紅外探測(cè)者衛(wèi)星觀測(cè)”（Cloud-Aerosols Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations，簡(jiǎn)稱CALIPSO）計(jì)劃，CALIPSO衛(wèi)星搭載的正交偏振云—?dú)馊苣z偏振雷達(dá)CALIOP是世界上首個(gè)應(yīng)用型的星載云和氣溶膠激光雷達(dá)，具有三個(gè)接收通道（1064 nm波長(zhǎng)、532 nm波長(zhǎng)垂直及平行通道）。CALIOP采用Nd:YAG激光器，能夠同時(shí)發(fā)射532 nm波長(zhǎng)和1064 nm波長(zhǎng)的激光脈沖，其脈沖能量均約為110 mJ，重復(fù)頻率為20.16 Hz（Winker et al., 2004, 2007）。

本文使用的是CALIOP Level 1提供的532 nm波長(zhǎng)總衰減后向散射系數(shù)、532 nm波長(zhǎng)平行通道的衰減后向散射系數(shù)和1064 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)，Level 2的垂直特征層分布產(chǎn)品和5 km分辨率的氣溶膠廓線產(chǎn)品。其中Level 1數(shù)據(jù)在海平面至8 km的高度上，水平分辨率均為333 m，532 nm波長(zhǎng)和1064 nm波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的垂直分辨率分別為30 m和60 m。

2.1.2 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)

2013年起，國(guó)家環(huán)保部在實(shí)施《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）后，在其官方網(wǎng)站公布了90余城市的包括PM2.5、PM10在內(nèi)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

本文采用了O3、NO2、PM2.5、PM10、SO2、AQI、CO等七個(gè)指標(biāo)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.1.3 中國(guó)地面氣象站逐小時(shí)觀測(cè)資料

中國(guó)國(guó)家級(jí)地面站小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)包括包括氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、水汽壓、風(fēng)、降水量等要素，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過質(zhì)量控制。

本文使用的是國(guó)家氣象信息中心提供的小時(shí)天氣現(xiàn)象觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1.4 ERA-Interim數(shù)據(jù)

基于2006年發(fā)布的集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)IFS（Integrated Forecasting System），發(fā)展了生成ERA-Interim數(shù)據(jù)的資料同化系統(tǒng)。ERA-Interim數(shù)據(jù)提供了1979年至2019年8月31日的全球大氣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分為再分析數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，其中前者時(shí)間間隔為6小時(shí)，后者為3小時(shí)。

本文采用的數(shù)據(jù)為海平面、850 hPa和500 hPa高度的全球再分析大氣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°。

2.1.5 AD-Net數(shù)據(jù)

激光雷達(dá)網(wǎng)（AD-Net）是世界氣象組織WMO（World Meteorological Organization）全球大氣觀測(cè)計(jì)劃（Global Atmosphere Watch Implementation Plan，簡(jiǎn)稱GAWIP）的亞洲觀測(cè)部分（Sugimoto et al., 2008）。其主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)亞洲沙塵氣溶膠和其他類型氣溶膠的連續(xù)觀測(cè)，用于研究氣溶膠對(duì)東亞環(huán)境的影響。觀測(cè)網(wǎng)的激光雷達(dá)主要采用Nd：YAG激光器，其脈沖能量為20 mJ，重復(fù)頻率為10 Hz。

本文采用了AD-NET提供的532 nm波長(zhǎng)和1064 nm波長(zhǎng)后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)和氣溶膠消光數(shù)據(jù)，用于分析地基站點(diǎn)沙塵氣溶膠的垂直分布特征以及與星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證。

2.2 HYSPLIT軌跡模型

HYSPLIT模型是由美國(guó)國(guó)家大氣海洋管理局開發(fā)的用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。模型主要通過輸入氣象要素場(chǎng)以獲取污染物在全球的輸送和擴(kuò)散方式。

本文使用HYSPLIT輸入的初始場(chǎng)為美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的全球資料同化系統(tǒng)的小時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 CALIOP激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

CALIOP Level 1B數(shù)據(jù)中提供了532 nm波長(zhǎng)總衰減后向散射系數(shù)β532total、532 nm波長(zhǎng)垂直衰減后向散射系數(shù)β532⊥、1064 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)β1064，β532total、β532⊥、β1064的單位均為km-1sr-1，通過公式：

可以計(jì)算得到532 nm波長(zhǎng)平行通道的衰減后向散射系數(shù)β532//以及表征氣溶膠粒子光學(xué)特性的體積退偏比和色比。上述式中，VDR（532 Volume Depolarization Ratio）表示532 nm波長(zhǎng)退偏比，CR（Color Ratio）表示色比，一般來說，將衰減后向散射系數(shù)位于0.0008～0.0045 km-1sr-1的顆粒判斷為氣溶膠（Omar et al., 2009; Mielonen et al.,2009）；體積退偏比用于表征粒子的非球形程度，體積退偏比較大的粒子通常認(rèn)為是沙塵、海鹽氣溶膠以及冰云，因此，通常將位于內(nèi)陸地區(qū)，存在的高度較低且退偏比較大的氣溶膠判斷為沙塵；色比則用于表示粒子大小，其值越大，粒子越大

對(duì)CALIOP數(shù)據(jù)進(jìn)行水平方向3 km、垂直方向1 km的平滑處理以減小星載激光雷達(dá)的信號(hào)噪聲。通過處理后的532 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)、體積退偏比和色比，可以對(duì)此次沙塵天氣中氣溶膠的光學(xué)特性以及垂直分布進(jìn)行分析。如圖1，給出了2019年5月10日、5月12～16日532 nm波長(zhǎng)總衰減后向散射系數(shù)、體積退偏比和色比的分布圖。5月10日，在新疆哈密、甘肅敦煌和青海省中部地區(qū)，有明顯的高濃度沙塵氣溶膠粒子存在，主要存在于地表至6 km的較低高度上，衰減后向散射系數(shù)平均值為0.0024 km-1sr-1，體積退偏比平均值為0.22，色比平均值為1.30；12日，沙塵氣溶膠進(jìn)一步向東傳輸，在內(nèi)蒙古西部和甘肅省北部地區(qū)，探測(cè)到少量沙塵氣溶膠，在傳輸過程中，退偏比和色比值分別減小31.59%和2.35%。13日至16日為第二次東向傳輸過程，13日，在新疆、甘肅北部和青海東部地區(qū)地面到7 km的高度上探測(cè)到更深厚的沙塵氣溶膠粒子，532 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)、體積退偏比和色比平均值分別為0.0023 km-1sr-1、0.25、1.31；14日，內(nèi)蒙古中部探測(cè)到的沙塵氣溶膠粒子的體積退偏比減少5.65%，色比減小5.58%；15日，在地面至4 km高度的東北地區(qū)探測(cè)到的沙塵氣溶膠粒子的退偏比和色比值與13日相比分別增加了20.18%和5.51%；16日在日本中部地區(qū)，顯示出較高濃度的沙塵氣溶膠粒子，退偏比在0.1～0.3之間，平均值為0.14；色比在0.6～2.0之間，平均值為1.29?？梢钥吹剑@些沙塵氣溶膠粒子有明顯的向東傳輸。

圖1 2019年5月10日（第一行）、5月12日至16日（第二至六行），星載激光雷達(dá)CALIOP的532 nm波長(zhǎng)總衰減后向散射系數(shù)（左列）、體積退偏比（中間列）和色比（右列）的垂直剖面圖。黑色實(shí)線代表地表高度，圖中矩形框圈出的區(qū)域：新疆哈密（第一行）；敦煌和青海中部（第二行）；內(nèi)蒙古西部和甘肅省北部（第三行）；新疆、青海東部和甘肅北部（第四行）；內(nèi)蒙古中部（第五行）；太平洋地區(qū)（第六行）Fig. 1 Vertical distributions of the 532 nm total attenuation backscatter coefficient (left column), volume depolarization ratio (middle column), and color ratio (right column) from CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) on May 10th (first line) and May 12th to 16th in 2019(second line to sixth line). Black line shows the surface elevation, and the areas in the black rectangles: Hami, Xinjiang Province (top line); Dunhuang and the central Qinghai Province (second line); western Inner Mongolia and northern Gansu Province (third line); Xinjiang Province, northern Gansu Province and eastern Qinghai Province (fourth line); central Inner Mongolia (fifth line); the Pacific Ocean (bottom line)

在10～12日有第一次小范圍東向傳輸，在內(nèi)蒙古中部和甘肅省地區(qū)探測(cè)到沙塵氣溶膠，沙塵氣溶膠在傳輸過程中體積減小；13～16日的東向傳輸過程中，14日，在內(nèi)蒙古中部探測(cè)到沙塵氣溶膠，15日，沙塵氣溶膠在經(jīng)過沙源蒙古中部戈壁后，在東北地區(qū)探測(cè)到的沙塵氣溶膠粒子變大，與14日相比，色比值增加5.51%。16日，在太平洋地區(qū)的日本中部，探測(cè)到明顯沙塵氣溶膠。

圖2給出了圖1對(duì)應(yīng)地區(qū)的垂直剖面。5月10日，在新疆北部區(qū)域2～6 km的高度上以純沙塵氣溶膠為主，在青海省中部地表至6 km的高度上存在顯著沙塵氣溶膠，同時(shí)均伴隨有少量的污染沙塵氣溶膠；而12日，蒙古西側(cè)、甘肅省北部至青海中東部地區(qū)，探測(cè)到大范圍純沙塵氣溶膠，其高度仍然分布在地表至6 km范圍內(nèi)；在13日至16日，氣溶膠進(jìn)一步向東傳輸。在13日，內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)自地表至6 km有顯著沙塵氣溶膠存在，同時(shí)，在內(nèi)蒙古錫林郭勒至山西區(qū)域，地表至4 km高度有明顯沙塵氣溶膠存在，其高度較低；14日，探測(cè)到的沙塵氣溶膠顯著減少，在吉林延邊區(qū)域低層探測(cè)到多種類型氣溶膠的混合物，在高層，則以純沙塵氣溶膠為主，低層則以污染沙塵氣溶膠為主；15日，甘肅北部酒泉至青海東部地區(qū)，地表至8 km高度上均存在大量純沙塵氣溶膠，同時(shí)在東北吉林地區(qū)近地面也探測(cè)到顯著沙塵氣溶膠；16日，在西風(fēng)急流的帶動(dòng)下，日本北海道西側(cè)海洋，日本海至岡山區(qū)域2～6 km的高度上有顯著沙塵氣溶膠，而在地表至2 km的高度，主要以清潔海洋型氣溶膠為主，清潔大陸型和其他類型的混合物次之。與圖2得到的結(jié)論一致。

圖2 2019年5月（a）10日、（b-f）12日至16日，CALIOP雷達(dá)氣溶膠類型的垂直剖面（圖例中圖例中1=未確定，2=清潔海洋型，3=沙塵，4=污染大陸型/煙塵，5=清潔大陸型，6=污染沙塵，7=抬升煙塵，8=海洋性沙塵，黑色實(shí)線代表地表高度）Fig. 2 Vertical distribution of aerosol type from CALIOP on (a) May 10th and (b-f) May 12th to 16th in 2019 (1=not determined, 2=clean marine,3=dust, 4=polluted continental/smoke, 5=clean continental, 6=polluted dust, 7=elevated smoke, 8=dusty marine, black lines shows the surface elevation)

3.2 地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析與對(duì)比

AD-NET地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)垂直分辨率為6 m，時(shí)間分辨率為15 min，探測(cè)高度為地面至18 km。主要數(shù)據(jù)包括1064 nm波長(zhǎng)和532 nm波長(zhǎng)處的衰減后向散射系數(shù)和532 nm波長(zhǎng)的體積退偏比，衍生數(shù)據(jù)還包括球形粒子以及沙塵氣溶膠的消光系數(shù)。

為比較AD-NET數(shù)據(jù)和CALIOP數(shù)據(jù)對(duì)于特征層識(shí)別的準(zhǔn)確性，通過篩選，在沙塵天氣前后，得到一條距離AD-NET地基激光雷達(dá)站點(diǎn)僅33 km的一條軌跡（圖3），過境時(shí)間為5月10日04:17（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同），該地基激光雷達(dá)站點(diǎn)為日本長(zhǎng)崎站點(diǎn)。同時(shí)，選取了距離長(zhǎng)崎站點(diǎn)較近的韓國(guó)濟(jì)州島站點(diǎn)，站點(diǎn)距離為358 km，以比較兩個(gè)站點(diǎn)沙塵氣溶膠對(duì)總的氣溶膠貢獻(xiàn)的差異。

CALIOP數(shù)據(jù)在白天信噪比較低，因此對(duì)CALIOP觀測(cè)得到的532 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)進(jìn)行水平方向10點(diǎn)平滑，即3 km平均，和垂直方向上1 km的平滑處理。由于地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)本身為15 min的平均值，因此，僅對(duì)其在水平方向上三點(diǎn)平滑，即45 min平均，垂直方向上做1 km平滑處理。

為消除星載和地基激光雷達(dá)之間不同的大氣分子透射效應(yīng)帶來的差異，利用Kim et al.（2008）提出的表觀散射比Rapp（Apparent scattering ratio）進(jìn)行比較，公式表示為

式中，β(z)為高度z上大氣的后向散射系數(shù)，zref為瑞利散射高度，即Rapp(zref)＝1，αaer為氣溶膠和云粒子的消光系數(shù)。Rapp只與大氣氣溶膠和云粒子有關(guān)，可以消除星載和地基激光雷達(dá)之間不同的大氣分子透射效應(yīng)帶來的差異。

圖3 CALIPSO衛(wèi)星經(jīng)過日本地基雷達(dá)站點(diǎn)長(zhǎng)崎的軌跡（五角星標(biāo)記為長(zhǎng)崎站點(diǎn)，實(shí)心圓標(biāo)記為匹配到的最近的韓國(guó)站點(diǎn)）Fig. 3 Tracks of CALIPSO satellite passing over the Nagasaki groundbased lidar stations in Japan (the star represents the Nagasaki station,and the filled circle shows the nearest station in Korea to Nagasaki)

氣溶膠和云層約束的時(shí)空變異性使CALIOP產(chǎn)品的驗(yàn)證與地面站儀器的直接比較變得非常復(fù)雜。通過公式（3）計(jì)算得到只與氣溶膠和云粒子有關(guān)的表觀散射比Rapp，以在比較兩種數(shù)據(jù)時(shí)，消除星載和地基激光雷達(dá)之間不同的大氣分子透射效應(yīng)帶來的差異。

圖4顯示了CALIPSO衛(wèi)星與長(zhǎng)崎站點(diǎn)地基激光雷達(dá)的532 nm波長(zhǎng)退偏比值以及表觀散射比的對(duì)比。2019年5月10日，CALIPSO在地面的軌跡距離長(zhǎng)崎站點(diǎn)最近距離為33 km。CALIOP數(shù)據(jù)和地基激光雷達(dá)的衰減后向散射數(shù)據(jù)廓線均在6 km高度上均探測(cè)到云的存在，如圖4a、b，同時(shí)CALIOP探測(cè)到的云頂高度更高，AD-NET地基激光雷達(dá)探測(cè)到的云底高度更低。圖4c中的衰減后向散射系數(shù)廓線同樣顯示出這一信息。地基激光雷達(dá)在衛(wèi)星過境前8～9 km的高度上，探測(cè)到氣溶膠粒子或薄云，在計(jì)算得到的表觀散射比數(shù)據(jù)中，可以在8～9 km高度看到數(shù)據(jù)峰值。

圖4 2019年5月10日（a）CALIOP雷達(dá)和（b）日本長(zhǎng)崎地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的532 nm衰減后向散射系數(shù)的垂直分布，及CALIOP雷達(dá)和日本長(zhǎng)崎地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的（c）衰減后向散射系數(shù)和（d）表觀散射比的比較。（a）中的豎實(shí)線表示CALIPSO衛(wèi)星軌跡距離長(zhǎng)崎站點(diǎn)最近的位置，（b）中的豎實(shí)線表示CALIPSO衛(wèi)星過境時(shí)間，（c、d）中黑色和紅色實(shí)線分別表示地基和星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)Fig. 4 The vertical distribution of the attenuated backscatter coefficient from (a) the CALIOP and (b) the ground-based lidar at Nagasaki station, the comparison of the 532 nm (c) attenuated backscatter coefficient and (d) the apparent scattering ratio between CALIOP and the ground-based lidar at Nagasaki station on May 14, 2019. The solid black line in (a) shows the nearest position against the Nagasaki station. The solid line in (b) shows the closest time to the CALIPSO transit time. The black and red solid lines in (c) and (d) represent AD-NET (Asian Dust and aerosol lidar observation NETwork) and CALIOP, respectively

總之，CALIOP和地基激光雷達(dá)在探測(cè)到特征層，如氣溶膠、云時(shí)，會(huì)顯示出較為一致的結(jié)果，同時(shí)，兩種數(shù)據(jù)在比較只與氣溶膠粒子和云有關(guān)的表觀散射比時(shí)，都很好的探測(cè)到了特征層，地基激光雷達(dá)探測(cè)到的特征層底部高度更低，星載激光雷達(dá)探測(cè)到的特征層頂部高度更高。

圖5為2019年5月13日至5月19日在濟(jì)州島站點(diǎn)和日本長(zhǎng)崎站點(diǎn)的氣溶膠光學(xué)參數(shù)時(shí)間變化序列，包括532 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)、1064 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)、體積退偏比、沙塵消光系數(shù)和球形粒子消光系數(shù)。左列表示日本長(zhǎng)崎站點(diǎn)，右列為行濟(jì)州島站點(diǎn)，兩個(gè)站點(diǎn)相距358 km，站點(diǎn)海拔高度接近。圖5左列也可以明顯看出，5月15日和5月16日，在日本長(zhǎng)崎站點(diǎn)，探測(cè)到較大的衰減后向散射系數(shù)和體積退偏比，而其二級(jí)產(chǎn)品沙塵和球形粒子消光系數(shù)，也顯示出較大值，即探測(cè)到了沙塵氣溶膠的存在。濟(jì)州島站點(diǎn)除5月16日為部分?jǐn)?shù)據(jù)缺測(cè)外，可以看到，5月13日和15日期間，濟(jì)州島站點(diǎn)532 nm波長(zhǎng)和1064 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)較大，并且高度也較高，位于5～9 km。16日之后，大值區(qū)域的高度逐漸降低。圖5c2也顯示，在13日和14日濟(jì)州島站點(diǎn)的6～9 km高度，532 nm波長(zhǎng)體積退偏比較大，對(duì)應(yīng)球形粒子的消光系數(shù)也較大，同時(shí)反演得到的圖5d2中的沙塵消光系數(shù)，在13日3～5 km高度，也明顯高于前后日期的消光系數(shù)。

圖5 2019年5月13～19日地基激光雷達(dá)站點(diǎn)長(zhǎng)崎（左列）和濟(jì)州島（右列）的（a1、a2）532 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)、（b1、b2）1064 nm波長(zhǎng)衰減后向散射系數(shù)、（c1、c2）532 nm波長(zhǎng)體積退偏比、（d1、d2）沙塵粒子消光系數(shù)和（e1、e2）球形粒子消光系數(shù)的垂直分布。日本長(zhǎng)崎站點(diǎn)海拔高度為0.206 km，韓國(guó)濟(jì)州島站點(diǎn)海拔高度為0.035 kmFig. 5 Vertical distributions of (a1, a2) the attenuated backscatter coefficient at 532 nm, (b1, b2) the attenuation coefficient at 1064 nm, (c1, c2) the volume depolarization ratio at 532 nm, (d1, d2) the dust extinction coefficient, and (e1, e2) the sphere extinction coefficient at the Nagasaki station in Japan (left column) and Jeju station in Korea (right column). The altitudes of Nagasaki station and Jeju station are 0.206 km and 0.035 km, respectively

圖6的5月15日的由風(fēng)向風(fēng)速計(jì)算得到的96 h氣團(tuán)的后向軌跡顯示，在5～6 km的高度，影響日本長(zhǎng)崎站點(diǎn)和韓國(guó)濟(jì)州島站點(diǎn)的氣團(tuán)主要經(jīng)過新疆、甘肅以及內(nèi)蒙古等沙塵源地，與圖5中得到的，這兩個(gè)站點(diǎn)在5 km及以上的高度上均探測(cè)到沙塵氣溶膠的存在相一致。而影響這兩個(gè)站點(diǎn)1 km一下的氣團(tuán)主要源于其周邊的太平洋海域，同時(shí)圖5e1、e2顯示，在0～1 km球形粒子消光系數(shù)較大，即在長(zhǎng)崎和濟(jì)州島站點(diǎn)較低層為海洋性氣溶膠。

圖6 2019年5月15日1～6 km長(zhǎng)崎（右側(cè)的星標(biāo)）和2019年5月15日1～6 km濟(jì)州島（左側(cè)星標(biāo)）站點(diǎn)氣團(tuán)的后向軌跡分布Fig. 6 Distribution of the air mass’sback trajectories from 1 km to 6 km at the Nagasaki (the left star) and Jeju (the right star) stations on May 15, 2019

為定量描述此次沙塵天氣對(duì)太平洋地區(qū)的影響，利用地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的沙塵氣溶膠消光系數(shù)和總的氣溶膠消光系數(shù)，計(jì)算沙塵氣溶膠占總氣溶膠的比例。如圖7，在5月13～17日，從整體趨勢(shì)來看，日本長(zhǎng)崎站點(diǎn)和韓國(guó)濟(jì)州島站點(diǎn)沙塵氣溶膠所占比重的變化具有相同的趨勢(shì)，而5月17日對(duì)應(yīng)為此次沙塵天氣過程基本結(jié)束的日期。對(duì)比兩個(gè)站點(diǎn)，從整體趨勢(shì)和日平均比值來看，長(zhǎng)崎站點(diǎn)沙塵氣溶膠所占比重更大，其均值為42.16%，韓國(guó)濟(jì)州島站點(diǎn)為39.25%。受此次沙塵天氣過程影響，在5月16日、17日，長(zhǎng)崎站點(diǎn)沙塵比重顯著增大。

圖7 2019年5月地基激光雷達(dá)站點(diǎn)長(zhǎng)崎（矩形虛線）和濟(jì)州島（三角形實(shí)線）探測(cè)到的沙塵占總氣溶膠的比值，虛線代表對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的日平均占比Fig. 7 Percentages of dust detected by the ground-based lidar at the Nagasaki (square dotted line) and Jeju (triangle solid line) stations. The dashed lines show the daily mean dust percentages respectively at these two stations

3.3 沙塵天氣對(duì)空氣質(zhì)量的影響

此次沙塵天氣爆發(fā)原因，主要是受地面冷鋒和蒙古氣旋的共同影響。沙塵源區(qū)主要是蒙古國(guó)南部和南疆盆地。此次沙塵天氣對(duì)中國(guó)西北、華北和東北等地的空氣質(zhì)量影響很大，顆粒物濃度，尤其是PM10濃度顯著增加。5月9日，在新疆庫(kù)爾勒地區(qū)的PM10濃度達(dá)到420 μg m-3，10日，蘭州市氣象臺(tái)發(fā)布霜凍藍(lán)色預(yù)警；11日，內(nèi)蒙古中部、寧夏、甘肅省東北部、山西北部、河北省西北部等地均出現(xiàn)了7～8級(jí)陣風(fēng)，局地9～10級(jí)，并且新疆北部、甘肅中東部和內(nèi)蒙古中西部降溫均超過6°C，最高降溫16°C。

從PM10的濃度分布（圖8）也可以看出，5月10日，PM10濃度在甘肅省大部分地區(qū)以及新疆吐魯番、哈密等地區(qū)濃度達(dá)到400 μg m-3以上；11日，PM10濃度顯著增長(zhǎng)，在甘肅省臨夏市突破1000，達(dá)到1148 μg m-3，全國(guó)PM10大值出現(xiàn)在甘肅省、青海省和寧夏，且均超過600 μg m-3；12日，PM10濃度最大值仍然在甘肅省臨夏市，為673 μg m-3；次大值出現(xiàn)在青海省海東市和西寧市，分別為611 μg m-3和579 μg m-3；13日，PM10濃度在全國(guó)范圍內(nèi)有所下降，最大值仍在甘肅省境內(nèi)。酒泉市最大值332 μg m-3；14日，西北地區(qū)PM10濃度又開始增加，最大值出現(xiàn)在甘肅省武威市，1596 μg m-3，是此次沙塵天氣過程中出現(xiàn)的最大值；另外，甘肅省白銀市達(dá)到1375 μg m-3；甘肅省金昌市達(dá)到1366 μg m-3；甘肅省張掖市1181μg m-3，均超過1000。15日，PM10濃度在全國(guó)范圍內(nèi)再一次下降，最大值依舊位于甘肅省境內(nèi)。甘肅省金昌市PM10濃度最大，為461 μg m-3。

圖8 2019年5月（a-f）10～15日PM10濃度的分布Fig. 8 Spatial distribution of PM2.5 concentration from (a-f) 10 May to 15 May, 2019

PM10濃度與PM2.5濃度的比值C(PM10)/C(PM2.5)可以用于表示顆粒物中粗粒子所占比例。由圖9可知，5月10日，C(PM10)/C(PM2.5)比值在甘肅省酒泉市達(dá)到最大值9.5，新疆塔城、克拉瑪依和甘肅嘉峪關(guān)的濃度達(dá)到6.5以上；11日和12日，C(PM10)/C(PM2.5)最大值均出現(xiàn)在新疆塔城；13日，甘肅省酒泉市C(PM10)/C(PM2.5)比值最大，達(dá)到6.14；14日，新疆博州比值最大，為7.89；15日，大值逐漸東移，在內(nèi)蒙古呼倫貝爾獲得最大值7.45。5月10日至15日，大氣中粗粒子占比較高，即大氣污染物主要是沙塵氣溶膠。

圖9 2019年5月（a-f）10～15日PM10濃度與PM2.5濃度的比值C(PM10)/ C(PM2.5)的分布Fig. 9 Spatial distribution of the ratio between the PM10 concentration and the PM2.5 concentration,C(PM10)/ C(PM2.5) from (a-f) 10 May to 15 May,2019

3.4 天氣形勢(shì)分析

從海平面氣壓場(chǎng)來看（圖10），在5月10～12日，中國(guó)北部盛行西風(fēng)，污染物主要在西風(fēng)作用下向東傳輸。11日，內(nèi)蒙古中部地區(qū)有一地面風(fēng)場(chǎng)輻合線，在輻合線南側(cè)的甘肅北部、內(nèi)蒙古西部地區(qū)，出現(xiàn)沙塵暴天氣。12～13日，中國(guó)北部地區(qū)地面風(fēng)速逐漸降低，在蒙古地區(qū)出現(xiàn)低壓。14日，低壓中心南下，并且東移，中國(guó)北部在西北氣流的影響下，再一次爆發(fā)沙塵天氣，此次沙塵源地是新疆、寧夏地區(qū)。15日，低壓中心移動(dòng)到東北地區(qū)，地面較大風(fēng)速與之配合，使得來自內(nèi)蒙的沙塵南下，在東北爆發(fā)沙塵暴天氣。

圖10 2019年5月（a-f）10～15日12:00的海平面氣壓場(chǎng)（填色）、風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭）分布以及中國(guó)氣象局觀測(cè)到的沙塵天氣（白色三叉標(biāo)記）Fig. 10 Distribution of surface pressure field (shaded) and wind field (arrows) at 1200 UTC from (a-f) 10 May to 15 May, 2019, and the sandstorm weather (the white tri-left marker) observed by the Chinese Meteorology Agency (CMA)

圖10中的沙塵天氣顯示，5月10～12日，第一次沙塵東移過程顯著，從新疆地區(qū)經(jīng)北部路線傳輸至內(nèi)蒙古中部和東部地區(qū)。5月13～15日，第二次沙塵爆發(fā)，此次傳輸路徑偏南，影響中國(guó)甘肅、陜西等地。

從12:00 750 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)來看（圖11），10日，在新疆北部、甘肅等地區(qū)風(fēng)速達(dá)到30 m s-1，有利于將沙塵氣溶膠從沙塵源地傳輸至下游地區(qū)；11日，沙塵氣溶膠傳輸?shù)竭_(dá)內(nèi)蒙古、東北區(qū)域；12日至13日，在750 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上，中國(guó)北方大部分地區(qū)盛行西風(fēng)，使得沙塵氣溶膠進(jìn)一步向東傳輸，影響太平洋地區(qū)，同時(shí)在13日，在新疆、甘肅和內(nèi)蒙交界處，出現(xiàn)一個(gè)小的低壓中心；14日開始，低壓中心加深東移，在內(nèi)蒙古北部形成一更深厚的低壓中心，從新疆西部向甘肅省北部、內(nèi)蒙古中部逐漸東移，直至15日轉(zhuǎn)移至黑龍江省西部，在整個(gè)過程中，主導(dǎo)冷空氣逐步南下，使得甘肅省北部、內(nèi)蒙古西部爆發(fā)沙塵暴天氣。

圖11 2019年5月（a-f）10～15日12:00的750 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（填色）和風(fēng)場(chǎng)（箭頭）分布Fig. 11 Distribution of air pressure field (shaded) and wind field (arrows) at 750 hPa at 1200 UTC from (a-f) 10 May to 15 May, 2019

4 結(jié)論

通過CALIOP星載激光雷達(dá)觀測(cè)到，在2019年5月10～16日，有兩次沙塵天氣過程。第一次為10～12日的小范圍東向傳輸過程，從新疆地區(qū)傳輸至內(nèi)蒙古中部地區(qū)，沙塵氣溶膠在傳輸過程中退偏比和色比值分別減小31.59%和2.35%；13日至16日為第二次東向傳輸過程，從新疆地區(qū)、內(nèi)蒙古中部，至東北吉林地區(qū)，最后到達(dá)日本中部，退偏比和色比平均值分別達(dá)到0.31和1.39。

星載激光雷達(dá)和AD-NET地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的對(duì)比顯示，兩種數(shù)據(jù)在特征層識(shí)別方面具有一致性。通過亞洲沙塵觀測(cè)網(wǎng)AD-NET地基激光雷達(dá)探測(cè)到的數(shù)據(jù)，證明沙塵氣溶膠存在于日本和韓國(guó)的多個(gè)站點(diǎn)。通過日本長(zhǎng)崎站點(diǎn)和韓國(guó)濟(jì)州島站點(diǎn)地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到沙塵氣溶膠消光系數(shù)對(duì)總氣溶膠消光系數(shù)的貢獻(xiàn)分別為42.16%和39.25%。

此次沙塵天氣過程對(duì)我國(guó)北方空氣質(zhì)量，特別是PM10和PM2.5，產(chǎn)生很大的影響。特別是對(duì)甘肅省地區(qū)，臨夏市在5月11日，PM10和PM2.5濃度分別超過國(guó)家一級(jí)濃度標(biāo)準(zhǔn)的11倍和4倍；之后內(nèi)蒙古西部的小槽的加深以及南壓，使得西北冷空氣穩(wěn)定南下，14日不穩(wěn)定層結(jié)加深導(dǎo)致沙塵天氣再一次爆發(fā)，甘肅境內(nèi)最大PM10濃度和PM2.5濃度分別達(dá)到國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的32倍和9倍。