張 玲，鄭小慎

(天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457)

0 引 言

大氣氣溶膠的定義一般是指直徑為0.001～100.000 μm，由混合于大氣中的固體、液體顆粒物和大氣介質(zhì)組成的體系[1]。氣溶膠的光學(xué)屬性由氣溶膠光學(xué)厚度、單次散射反照率、消光系數(shù)、?ngstr?m波長指數(shù)、退偏比、不對稱因子、色比、散射系數(shù)等光學(xué)參數(shù)表征[2-3]，這些光學(xué)參數(shù)又是影響輻射收支平衡的重要參數(shù)。氣溶膠因受到地理位置、氣候系統(tǒng)、各種排放源等眾多因素影響，其濃度分布、光學(xué)特性等存在著明顯的地域、季節(jié)差異[4-6]；同時，光學(xué)特征還與氣溶膠的化學(xué)成分、相對濕度、風(fēng)場等因素有關(guān)。中國沿海區(qū)域不僅包括陸地區(qū)域，還包括海洋區(qū)域；海洋氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分，同時，海洋氣溶膠和陸地氣溶膠相互輸送、相互作用對中國沿海區(qū)域氣候環(huán)境產(chǎn)生了重要影響，因此，對沿海區(qū)域整體氣溶膠光學(xué)特性的研究必不可少。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究。大氣遙感技術(shù)能使人類更深入地了解氣溶膠的時空分布、物理及化學(xué)特征，研究氣溶膠光學(xué)特性的主要探測手段包括地基遙感和衛(wèi)星遙感。利用地基遙感對氣溶膠光學(xué)特性的研究[7-11]只能進(jìn)行單點(diǎn)觀測，不能獲得氣溶膠二維和三維分布情況；衛(wèi)星遙感則可以觀測氣溶膠的連續(xù)空間分布，許多學(xué)者利用MODIS等衛(wèi)星對氣溶膠水平分布進(jìn)行了研究[12-21]，但缺乏氣溶膠垂直分布的相關(guān)研究。氣溶膠垂直分布的信息是氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫不確定性的主要潛在因素之一；因?yàn)閬碜源髿饽Ｐ偷念A(yù)測通常具有較大的變異性[22]，所以對于氣溶膠垂直分布特征的研究必不可少。對于氣溶膠垂直分布特征的研究，國內(nèi)外學(xué)者大部分都是利用CALIPSO數(shù)據(jù)進(jìn)行研究[23-26]。沈吉等利用CALIPSO數(shù)據(jù)分析了氣溶膠退偏比、色比以及消光系數(shù)等光學(xué)參數(shù)不同季節(jié)平均值在垂直方向上的分布特征[27-28]。溫玉海等則利用CALIPSO數(shù)據(jù)分析了氣溶膠光學(xué)特性在不同天氣的分布特征，得出不同天氣下氣溶膠垂直分布的差異性[29-33]。雖然國內(nèi)已有學(xué)者利用CALIPSO數(shù)據(jù)研究氣溶膠垂直分布，但長時間序列研究還相對較少。由于氣象、地形等多方面的影響，中國氣溶膠分布呈現(xiàn)明顯的地域及時間差異，不同地區(qū)大氣污染的主要影響因子也有差異[34]，而中國利用CALIPSO數(shù)據(jù)研究氣溶膠光學(xué)特性主要集中在華北[35-37]、華東[38]及西北等地區(qū)，缺乏對于中國南部地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性的研究。Wang等利用CALIPSO數(shù)據(jù)對中國華北地區(qū)進(jìn)行研究，得到自然沙塵在春季和秋季低層大氣污染中起著至關(guān)重要的作用[39]。賈瑞等利用CALIPSO數(shù)據(jù)衛(wèi)星遙感資料研究中國西北地區(qū)氣溶膠的三維分布，得到了中國西北地區(qū)氣溶膠含量較高，以沙塵和污染性沙塵為主，且古爾班通古特沙漠和甘肅—內(nèi)蒙古一帶的氣溶膠消光系數(shù)較小且分布零散[40]。Adams等利用CALIPSO數(shù)據(jù)研究大西洋盆地和鄰近大陸上空氣溶膠的三維結(jié)構(gòu)，得到沙塵和污染物的混合對大西洋廣大地區(qū)上空的云微物理過程有重大影響[41]。相對而言，中國關(guān)于海洋氣溶膠三維分布的研究較少。

綜上所述，國內(nèi)很多學(xué)者對氣溶膠光學(xué)特性研究取得了一定的成果，但是在空間上大多集中于一個區(qū)域，很少對兩個不同地區(qū)進(jìn)行對比分析，同時，對于海洋氣溶膠光學(xué)特性研究較少，多集中于陸地氣溶膠的垂直分布研究。本文利用AERONET地基數(shù)據(jù)對CALIPSO數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并通過其長時間序列遙感數(shù)據(jù)對沿海區(qū)域氣溶膠的光學(xué)厚度和氣溶膠垂直分布進(jìn)行分析，有針對性地對比分析京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域氣溶膠光學(xué)參數(shù)的變化特征，以期更好地了解氣溶膠的光學(xué)特性在水平和垂直方向上的分布特征，從而更好地預(yù)測氣溶膠對環(huán)境的影響。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域緯度范圍為19°N～42°N，經(jīng)度范圍為111°E～124°E，包含了中國內(nèi)陸地區(qū)、沿海地區(qū)，以及渤海、黃海、東海、南海等地區(qū)，簡稱為“沿海區(qū)域”。沿海區(qū)域包括京津冀、長江三角洲和珠江三角洲等三大經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，區(qū)域內(nèi)人口密集，也是中國農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)的中心區(qū)域。沿海區(qū)域季風(fēng)性氣候顯著，夏季高溫多雨，主要受東南季風(fēng)的影響，冬季寒冷干燥，主要受西北季風(fēng)的影響；以秦嶺—淮河為界，淮河以北為溫帶季風(fēng)氣候，淮河以南為亞熱帶季風(fēng)氣候。

為了更好地研究沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性，選擇了北部的京津區(qū)域(39°N～41°N，116°E～118°E)和南部的珠江三角洲區(qū)域(21°N～23°N，113°E～115°E)作為典型區(qū)域(圖1)進(jìn)行對比研究。兩個典型區(qū)域在氣候、地理位置上顯著不同。京津區(qū)域是以首都北京為輻射中心的經(jīng)濟(jì)區(qū)，主要包括北京、天津和河北部分地區(qū)，該區(qū)域主要位于內(nèi)陸，屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季變化明顯，東部靠近渤海，資源豐富、人口眾多、交通便利。珠江三角洲區(qū)域主要包括香港、澳門、廣東及南海海域，該區(qū)域有很大一部分位于海洋，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，雨熱同期，受海洋影響較大，同時，港澳地區(qū)有豐富的資金、技術(shù)、人才和管理經(jīng)驗(yàn)，與珠江三角洲地區(qū)的土地、自然資源和勞動力優(yōu)勢互補(bǔ)，促進(jìn)了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

A為北部的京津區(qū)域，B為南部的珠江三角洲區(qū)域；陰影部分為陸地區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 CALIPSO數(shù)據(jù)

CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括3種類型，分別是垂直特征層產(chǎn)品、層產(chǎn)品及廓線數(shù)據(jù)產(chǎn)品，表1為CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間分辨率。本研究采用的CALIPSO Level 2廓線數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要是關(guān)于特征層的退偏比、色比、消光系數(shù)及后向散射系數(shù)在垂直方向上的分布信息[42]，它是由CALIPSO Level 1B數(shù)據(jù)采用相關(guān)算法計(jì)算得到的。CALIPSO Level 1B數(shù)據(jù)是經(jīng)過地理和儀器校正的激光雷達(dá)單脈沖剖面數(shù)據(jù)[43]，由于算法的不確定性，使CALIPSO Level 2廓線數(shù)據(jù)中消光系數(shù)與退偏比等存在一定誤差，所以在使用這些氣溶膠光學(xué)參數(shù)前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，以便減小誤差。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制可以使用廓線數(shù)據(jù)CAD_Score、Atmospheric_Volume_Description(AVD)和Extinction_QC_Flag_532等對氣溶膠數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。CAD_Score數(shù)據(jù)用于區(qū)分云與氣溶膠，其數(shù)值范圍為[-100,100]，負(fù)值表示為氣溶膠，正值表示為云，數(shù)值的絕對值越大說明氣溶膠或云的置信度越高；為了提高識別氣溶膠的準(zhǔn)確性，設(shè)定氣溶膠的CAD_Score數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍為[-100,-70]。AVD為16位二進(jìn)制編碼，當(dāng)1～3位數(shù)字對應(yīng)為十進(jìn)制數(shù)3時確定該點(diǎn)為氣溶膠類型，它可以用于區(qū)分云與氣溶膠[44]。Extinction_QC_Flag_532數(shù)據(jù)是消光質(zhì)量控制標(biāo)識，其數(shù)值為0與1則對應(yīng)的氣溶膠消光系數(shù)更可靠。

表1 CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間分辨率

氣溶膠消光系數(shù)是氣溶膠散射系數(shù)與吸收系數(shù)之和，通過散射和吸收作用對某一波段太陽輻射單位面積、單位長度的削減程度；氣溶膠消光系數(shù)越大說明其消光能力越強(qiáng)[45]。退偏比反映了被測顆粒物的規(guī)則程度；粒子形狀越接近球形，其體積退偏比越小；退偏比越小表示被測顆粒物形狀越規(guī)則。一般認(rèn)為水、云及形狀規(guī)則的氣溶膠體積退偏比非常小，一般接近0；氣溶膠退偏比數(shù)組中，0～1比較可靠，可以剔除該范圍之外的數(shù)據(jù)。色比(χ(z))則反映被測顆粒z粒徑大小，被測顆粒色比越大表明粒子越大。氣溶膠色比數(shù)組中，0～3比較可靠，可以剔除該范圍之外的數(shù)據(jù)。色比為波長1 064 nm后向散射系數(shù)P1 064′(z)與波長532 nm總后向散射系數(shù)P532T′(z)之比。其表達(dá)式為

(1)

1.2.2 AERONET數(shù)據(jù)

AERONET 觀測網(wǎng)站點(diǎn)采用的儀器是法國CIMEL公司CE-318型全自動太陽直接/散射輻射計(jì)，直接太陽觀測的中心波段為340、380、440、500、670、870、940和1 020 nm[46]。本研究利用2013～2018年間京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域AERONET觀測網(wǎng)站點(diǎn)的Level 1.5數(shù)據(jù)對CALIPSO數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。AERONET觀測網(wǎng)站點(diǎn)信息及匹配天數(shù)如表2所示。

表2 AERONET觀測網(wǎng)站點(diǎn)信息及匹配天數(shù)

1.3 CALIPSO數(shù)據(jù)驗(yàn)證

CALIPSO數(shù)據(jù)驗(yàn)證采用CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品波長532 nm對流層柱氣溶膠光學(xué)厚度，不包括平流層氣溶膠光學(xué)厚度。Vernier等對CALIPSO測量的研究[47]表明：在研究期間，全球平流層氣溶膠光學(xué)厚度的最大平均值不超過0.008，遠(yuǎn)低于CALIPSO對流層柱氣溶膠光學(xué)厚度的不確定度，因此，平流層氣溶膠光學(xué)厚度可以忽略不計(jì)。由于CALIPSO和AERONET數(shù)據(jù)對氣溶膠觀測的中心波長和時空尺度不同，為了使兩者具有可比性，需要對兩者的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行波段匹配和時空匹配的前處理[48]。

(2)

(3)

(2)時空匹配。CALIPSO和AERONET數(shù)據(jù)在空間上有相對較大差異，因此，本文選取AERONET觀測網(wǎng)站點(diǎn)為基準(zhǔn)對兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行時空匹配。選擇CALIPSO激光足跡位于AERONET觀測網(wǎng)站點(diǎn)40 km范圍內(nèi)氣溶膠光學(xué)厚度測量值，同時，CALIPSO氣溶膠光學(xué)厚度觀測時間同步到前后30 min內(nèi)AERONET的測量值，然后對提取的每天數(shù)個CALIPSO氣溶膠光學(xué)厚度平均值作為這一天與AERONET對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度。因?yàn)镃ALIPSO數(shù)據(jù)的時間周期是16 d，與AERONET數(shù)據(jù)重合的次數(shù)很少，在40 km范圍內(nèi)CALIPSO地面軌道與研究區(qū)域Xianghe站的距離最短，匹配最好。如果一個站點(diǎn)不在覆蓋圈內(nèi)或者離軌道上距離足夠近，那么該站點(diǎn)在下一個重復(fù)軌道時間表中不太可能得到匹配點(diǎn)。由表2可以看出：Xianghe站由于連續(xù)運(yùn)行，重合次數(shù)最多，Hong-Kong-PloyU站次之，而Beijing-CAMS站由于離軌道距離較遠(yuǎn)，只有2個匹配點(diǎn)。經(jīng)過時空匹配及反復(fù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)CA-LIPSO數(shù)據(jù)在京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域分別與AERONET數(shù)據(jù)匹配83 d和31 d。

2 結(jié)果分析

2.1 CALIPSO氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)驗(yàn)證

CALIPSO與AERONET數(shù)據(jù)經(jīng)過前處理后得到波長532 nm處氣溶膠光學(xué)厚度的線性擬合結(jié)果(圖2)。由圖2可以看出，京津區(qū)域相關(guān)系數(shù)為0.845 7，而珠江三角洲區(qū)域相關(guān)系數(shù)為0.619 1。這說明京津區(qū)域的CALIPSO與AERONET氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)性要好于珠江三角洲區(qū)域，此外兩個區(qū)域都通過了95%顯著性檢驗(yàn)，因此，可以認(rèn)為在一定范圍的時間、空間內(nèi)，通過兩個儀器對大氣柱探測所得的氣溶膠光學(xué)厚度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果與Liu等得出的結(jié)果[49-50]類似。

圖2 波長532 nm處CALIPSO和AERONET氣溶膠光學(xué)厚度線性擬合結(jié)果

2.2 沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性時空特征分析

2.2.1 氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)特征

目前觀測精度最高、觀測手段最多，也是氣溶膠氣候效應(yīng)中最為重要的光學(xué)特性是氣溶膠光學(xué)厚度，它描述了氣溶膠對光的衰減作用，也是氣溶膠消光系數(shù)在垂直方向上的積分[51]。對于沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度分布特征，本文將2010年3月至2020年2月CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的參數(shù)Column_Optical_Depth_Tropospheric_Aerosols_532按季節(jié)進(jìn)行平均(圖3)。本研究中，季節(jié)采用的劃分標(biāo)準(zhǔn)是：3月至5月為春季，6月至8月為夏季，9月至11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

圖3 2010年3月至2020年2月沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)平均值分布

由圖3中CALIPSO數(shù)據(jù)可以看出：①沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度分布大致為北高南低。氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)主要集中在華北平原、華東北部和華中北部地區(qū)；低值區(qū)主要集中在沿海區(qū)域南部及沿海區(qū)域最北部地區(qū)，即南海海域及41°N～42°N區(qū)域。②沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度存在明顯的季節(jié)性變化特點(diǎn)。春季高值區(qū)范圍為31°N～39°N，主要包括山東、河南、山西、江蘇、安徽北部及河北南部地區(qū)，同時，黃海海域氣溶膠光學(xué)厚度也比較高；廣東、浙江、福建、江西、湖南、遼寧及渤海地區(qū)相對低一點(diǎn)，其平均值主要集中在0.4左右；春季低值區(qū)主要集中在沿海區(qū)域南部，平均值為0.3左右。夏季高值區(qū)范圍小于春季，南北差異比較明顯，山東、河南、山西、江蘇、安徽北部及河北南部地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度在夏季達(dá)到全年最高，其平均值最高為0.5左右，但夏季沿海區(qū)域南部地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度相對于其他季節(jié)較低，南部海域平均值最低，東南部氣溶膠光學(xué)厚度也相對于其他季節(jié)較低；以29°N為分界線，北部氣溶膠光學(xué)厚度大部分在0.40以上，南部均值大部分在0.35以下。秋季和冬季氣溶膠光學(xué)厚度分布類似，在沿海區(qū)域南部及41°N ～42°N區(qū)域內(nèi)氣溶膠光學(xué)厚度小于春季；秋季和冬季氣溶膠高值區(qū)相對于春季往南偏移，同時，秋季和冬季河北及山西地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度小于春季；江西、湖南、湖北及廣東北部地區(qū)秋季的氣溶膠光學(xué)厚度比春季略高，南海海域秋季氣溶膠光學(xué)厚度相對于春季和冬季來說偏小。

2.2.2 氣溶膠三維分布特征

為更直觀地反映沿海區(qū)域氣溶膠的分布特征，繪制了空間三維分布圖。根據(jù)沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度空間分布特征選取沿海區(qū)域南部、中部和北部3個代表性緯度剖面進(jìn)行分析，即21°N、30°N、39°N作緯向平均，得到了沿海區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)(圖4)、退偏比(圖5)和色比(圖6)三維分布的季節(jié)變化。

圖4 氣溶膠消光系數(shù)的三維分布

圖5 氣溶膠退偏比的三維分布

圖6 氣溶膠色比的三維分布

由圖4可以看出，從水平方向上來看，沿海區(qū)域南部氣溶膠消光系數(shù)小于中部和北部，整個沿海區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)隨高度遞減，這表明總氣溶膠濃度隨高度的增加而減小。沿海區(qū)域北部氣溶膠消光系數(shù)垂直分布的季節(jié)變化不明顯，除了春季相對于其他季節(jié)范圍較大外，主要集中于5 km以下。沿海區(qū)域北部，河北中部及天津地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)較大，2 km以下氣溶膠消光系數(shù)超過了0.2 km-1；渤海及遼寧地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)較小，且變化不大；山西北部地區(qū)氣溶膠消光主要出現(xiàn)在1 km以上(相對于海平面的海拔高度而言)，1 km以下無氣溶膠層，主要是因?yàn)樯轿鞯貐^(qū)平均海拔在1 km左右。沿海區(qū)域中部，浙江北部、湖北及安徽南部氣溶膠消光系數(shù)呈現(xiàn)秋季、冬季高，春季、夏季低的特征，秋季和冬季氣溶膠消光系數(shù)出現(xiàn)高值的范圍大于沿海區(qū)域北部，可能因?yàn)殛懙孛娣e較大，中部中東海海域氣溶膠消光系數(shù)較小。沿海區(qū)域南部，春季氣溶膠消光系數(shù)范圍最大，主要位于6 km以下，但氣溶膠消光系數(shù)較小，主要在0.10 km-1以下；夏季氣溶膠范圍最小，主要位于2 km以下；秋季和冬季氣溶膠消光系數(shù)有所增大(約為0.15 km-1)。

由圖5可以看出：沿海區(qū)域北部氣溶膠退偏比相對較大，河北中部及天津地區(qū)春季退偏比最大，其次是秋季和冬季，夏季退偏比最小。這說明春季主要以非球形氣溶膠粒子為主，可能有外地沙塵的輸入，導(dǎo)致退偏比較大；夏季主要以球形氣溶膠顆粒為主。沿海區(qū)域中部春季、夏季和秋季氣溶膠退偏比都較小，冬季在2 km以上氣溶膠退偏比較大，推斷該區(qū)域氣溶膠可能有外來輸入源。沿海區(qū)域南部全年整體氣溶膠退偏比較小，這說明因海洋相對濕度大，導(dǎo)致氣溶膠粒子形狀偏球形。

由圖6可以看出：沿海區(qū)域北部春季氣溶膠色比最大，這說明春季氣溶膠粒子顆粒較大，其次是秋季和冬季，夏季氣溶膠色比較小，這說明夏季氣溶膠顆粒較小，同時，冬季天津及渤海海域氣溶膠色比較大。沿海區(qū)域中部氣溶膠色比在春季、夏季、秋季相對于北部都較小，氣溶膠顆粒偏小，冬季在2 km以上出現(xiàn)了較大顆粒氣溶膠。沿海區(qū)域南部夏季氣溶膠色比達(dá)到0.8，高于中部和北部(0.4左右)，這說明夏季沿海區(qū)域南部氣溶膠顆粒較大；其他季節(jié)整體也大于沿海區(qū)域中部，這可能因?yàn)楹｛}氣溶膠較多，其主要分布在沿海地區(qū)及海區(qū)，也是對流層中最大的顆粒物來源[52]。

2.3 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性時空特征分析

2.3.1 氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)特征

對京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域CALIPSO氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)提取分析，將這兩個典型區(qū)域2010年3月至2020年2月數(shù)據(jù)按月進(jìn)行平均，得到了10年氣溶膠光學(xué)厚度的月均值(圖7)和四季變化趨勢(圖8)。由圖7可以看出，京津區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度總體來說比珠江三角洲區(qū)域高，京津區(qū)域7月氣溶膠光學(xué)厚度月均值達(dá)到了最大(0.89)，1月最小(0.28)。由圖8可以看出：2010年3月至2020年2月這10年間，除了2010、2014和2015年，京津區(qū)域其他年份春季氣溶膠光學(xué)厚度年均值都高于珠江三角洲區(qū)域，珠江三角洲區(qū)域2010和2011年氣溶膠光學(xué)厚度年均值較高(高于0.5)，其他年份春季氣溶膠光學(xué)厚度年均值都在0.4左右；京津區(qū)域夏季氣溶膠光學(xué)厚度年均值整體高于珠江三角洲區(qū)域，2010和2011年這兩個典型區(qū)域差距最明顯；珠江三角洲區(qū)域秋季和春季變化趨勢相似，其氣溶膠光學(xué)厚度年均值大部分也小于京津區(qū)域，秋季年均值2010和2016年大于0.5，2015年最?。痪┙騾^(qū)域冬季氣溶膠光學(xué)厚度年均值都要高于珠江三角洲區(qū)域，珠江三角洲區(qū)域冬季年均值都小于0.4，相比于其他季節(jié)波動較小。

圖7 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度月均值分布

圖8 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度四季變化趨勢

通過CALIPSO數(shù)據(jù)計(jì)算得到京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域10年的月均值和四季年均值(表3)。由表3可以看出，京津區(qū)域在春季和夏季氣溶膠光學(xué)厚度高于秋季和冬季，這與沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)分布特征一致。珠江三角洲區(qū)域在1月和3月氣溶膠光學(xué)厚度月均值與京津區(qū)域差值最小。此外，珠江三角洲區(qū)域春季氣溶膠光學(xué)厚度最高，其次是秋季，而冬季和夏季都偏低；這兩個典型區(qū)域夏季年均值相差最大，京津區(qū)域?yàn)?.74，珠江三角洲區(qū)域?yàn)?.28；夏季珠江三角洲區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度偏低，可能是因?yàn)榻邓黾?，相對濕度較大，氣溶膠粒子沉降。

表3 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度月均值及四季平均值

2.3.2 氣溶膠光學(xué)厚度年際變化

根據(jù)2010年3月至2020年2月氣溶膠光學(xué)厚度年際變化(圖9)分析發(fā)現(xiàn)，京津區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度總體來說高于珠江三角洲區(qū)域。京津區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度高值一般出現(xiàn)在夏季，2010年夏季高于其他年份，氣溶膠光學(xué)厚度整體呈現(xiàn)一個波動下降的趨勢，2015年氣溶膠光學(xué)厚度整體較小，到2016年整體開始增加，隨后又波動減小。京津區(qū)域2010年7月和2016年3月氣溶膠光學(xué)厚度平均值較高，都超過了1.2。京津區(qū)域平均值最低出現(xiàn)在2011年3月和2019年8月，分別為0.11和0.07。同時，從圖9可以看出每年冬季氣溶膠光學(xué)厚度平均值都較低。 珠江三角洲區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度平均值較高的月份都是在春季，2010年3月氣溶膠光學(xué)厚度平均值最高，達(dá)到了1.20，其次是2012年3月，同時，春季3月逐年降低，到2019年3月氣溶膠光學(xué)厚度只有0.33，秋季平均值小于春季，相對于冬季和夏季較高，并且夏季平均值都較小，2015年6月平均值就只有0.08；相對于其他年份，2010和2016年整體氣溶膠光學(xué)厚度較大；2018年后，氣溶膠光學(xué)厚度整體減小較明顯且年際變化波動較小。

圖9 典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度年際變化

2.3.3 氣溶膠光學(xué)特征垂直對比分析

為了更好地了解沿海區(qū)域京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域氣溶膠垂直分布特征，利用CALIPSO氣溶膠消光系數(shù)、退偏比和色比月均時間序列，揭示了這兩個典型區(qū)域氣溶膠垂直分布的季節(jié)和年際變化。京津區(qū)域2010年3月至2020年2月波長532 nm處氣溶膠消光系數(shù)月均時間序列如圖10所示，氣溶膠消光主要集中在4 km以下，氣溶膠消光系數(shù)主要為0.2～0.4 km-1，到2017年后開始逐漸減少。京津區(qū)域每年夏季氣溶膠消光系數(shù)最大，比較明顯的是2010、2011、2014和2015年，這與氣溶膠光學(xué)厚度變化規(guī)律相同。同時，2011年冬季3～4 km處氣溶膠消光系數(shù)較大，2011和2014年秋季近地面氣溶膠消光系數(shù)也較大。珠江三角洲區(qū)域整體氣溶膠消光系數(shù)(圖11)都小于京津區(qū)域，其氣溶膠消光系數(shù)主要為0.1～0.3 km-1，春季氣溶膠消光系數(shù)較大，其他季節(jié)大部分都小于0.2 km-1。春季氣溶膠消光系數(shù)高值區(qū)一般在2 km以下，2010、2012和2016年春季氣溶膠消光系數(shù)較大，2011年冬季氣溶膠消光系數(shù)大于2011年其他季節(jié)。

圖10 京津區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)時間序列

圖11 珠江三角洲區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)時間序列

圖12和13分別是2010年3月至2020年2月京津區(qū)域和珠江三角洲區(qū)域氣溶膠粒子退偏比的時間序列。從圖12可以看出：京津區(qū)域春季氣溶膠退偏比普遍較大，說明春季以不規(guī)則顆粒氣溶膠為主；2018年春季近地面氣溶膠退偏比大于其他年份；此外，2019年春季氣溶膠退偏比也較大。京津區(qū)域夏季氣溶膠退偏比整體偏小，但夏季消光較高，這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)燃燒氣溶膠的增加，2018年冬季氣溶膠退偏比較大，說明氣溶膠以非球形顆粒為主。根據(jù)垂直分布來看，氣溶膠退偏比隨著高度的增加大體上也呈現(xiàn)增加趨勢，大概有90%的高值分布于2 km以上的高空中，說明該區(qū)域形狀規(guī)則的大氣氣溶膠粒子主要分布于最低層的0～2 km。從圖13可以看出：珠江三角洲區(qū)域春季和冬季的氣溶膠退偏比大于其他季節(jié)，其次較大的是冬季；2013和2014年夏季氣溶膠退偏比也較大?？傮w來說，珠江三角洲區(qū)域氣溶膠退偏比小于京津區(qū)域，氣溶膠形狀較規(guī)則且氣溶膠也主要分布在高度4 km以下，這可能因?yàn)樵搮^(qū)域靠近海洋，空氣濕度也較大，導(dǎo)致粒子形狀偏球形。

圖12 京津區(qū)域氣溶膠退偏比時間序列

圖13 珠江三角洲區(qū)域氣溶膠退偏比時間序列

由圖14可知，京津區(qū)域氣溶膠色比整體為0.6～2.0。0～4 km高度上的氣溶膠色比與其他高度相比整體上偏低，表明4 km以下的顆粒物較小，非球形特征不明顯；與其他年份相比，同一高度層上2015和2018年高于其他年份。京津區(qū)域2010、2018和2019年春季氣溶膠色比整體偏大，其變化跟退偏比類似。其中，春季氣溶膠色比也偏大，這表明春季顆粒物較大，非球形特征較明顯。如圖15所示，珠江三角洲區(qū)域春季氣溶膠色比也較大，其次是秋季和冬季。珠江三角洲區(qū)域整體氣溶膠色比跟京津區(qū)域差距較小，主要集中在0.6～1.2，這說明珠江三角洲區(qū)域整體氣溶膠顆粒偏大。2 km高度以上出現(xiàn)了較大氣溶膠色比，表明高空顆粒物尺寸大于近地面，2017年夏季和2019年春季近地面顆粒物也較大。

圖14 京津區(qū)域氣溶膠色比時間序列

圖15 珠江三角洲區(qū)域氣溶膠色比時間序列

3 結(jié) 語

(1)沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)主要集中在華北平原、華東北部和華中北部地區(qū)，低值區(qū)主要集中在沿海區(qū)域南部及沿海區(qū)域最北部地區(qū)，這可能是因?yàn)楸狈綒夂蚋稍?，靠近沙塵源地。沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)。夏季北部和南部差值最大，北部氣溶膠光學(xué)厚度達(dá)到全年最高，南部氣溶膠光學(xué)厚度比其他季節(jié)低；秋季和冬季氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)有往南偏移的趨勢。

(2)沿海區(qū)域北部的天津及河北中部相對于同緯度地區(qū)氣溶膠消光系數(shù)偏大，消光范圍主要在5 km以下；氣溶膠退偏比和色比都偏大且都是春季最大，這說明沿海區(qū)域北部主要以非球形大顆粒氣溶膠為主。沿海區(qū)域中部秋季和冬季氣溶膠消光系數(shù)比較大且范圍大于沿海區(qū)域北部，夏季和春季氣溶膠消光系數(shù)較小，氣溶膠色比和退偏比都小于沿海區(qū)域北部。沿海區(qū)域南部全年氣溶膠消光系數(shù)較小，除了春季，其他季節(jié)氣溶膠消光主要集中于2 km以下，氣溶膠退偏比全年較小，但是氣溶膠色比相對較大，夏季氣溶膠色比大于北部和中部，說明沿海區(qū)域南部氣溶膠顆粒較大。

(3)京津區(qū)域整體氣溶膠光學(xué)厚度比珠江三角洲區(qū)域高。京津區(qū)域夏季氣溶膠光學(xué)厚度平均值最高，為0.74；珠江三角洲區(qū)域春季氣溶膠光學(xué)厚度平均值最高，為0.45，其次是秋季，而夏季和冬季都較低。2010年3月至2020年2月，這兩個典型區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度都呈現(xiàn)一個逐漸減小的趨勢，珠江三角洲區(qū)域年際變化波動較小。

(4)京津區(qū)域氣溶膠消光主要集中在4 km以下，每年氣溶膠消光系數(shù)都偏大，其高值集中于夏季，2017年后開始逐漸減少；氣溶膠退偏比、色比相對較大，兩者隨著高度的增加大體上也呈現(xiàn)增加趨勢，且主要以非球形大顆粒氣溶膠為主。珠江三角洲區(qū)域氣溶膠消光系數(shù)整體小于京津區(qū)域，春季氣溶膠消光系數(shù)較大，氣溶膠退偏比較小，粒子偏球形，但氣溶膠色比較大，說明粒子顆粒比較大。

(5)本文開展的沿海區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性時空特征研究主要是基于數(shù)據(jù)進(jìn)行了現(xiàn)象及特征分析，尚缺乏一定的機(jī)理成因探討，在后續(xù)的研究工作中將進(jìn)行深層次的成因剖析研究。