中國部分地區的春季氣溶膠光學特性

劉澤陽，李學彬，孫 剛，劉 慶，翁寧泉，3*

(1. 中國科學院 安徽光學精密機械研究所 中國科學院大氣光學重點實驗室，安徽 合肥 230031；2. 中國科學技術大學 研究生院 科學島分院，安徽 合肥 230031；3. 中國科學技術大學 環境科學與光電技術學院，安徽 合肥 230026)

1 引 言

大氣氣溶膠在大氣輻射傳輸中占有重要地位，氣溶膠能夠通過散射和吸收太陽輻射影響其達到地面的能量，能夠通過與云的相互作用，改變云的狀態和生存周期，并作為大氣環境的一部分影響大氣能見度和人體健康。大氣氣溶膠粒子具有明顯的局地性，不同地區的氣溶膠粒子，其光學特性有很大的不同，因此研究不同地區氣溶膠粒子的光學特征對研究大氣氣溶膠輻射模式，以及建立我國典型地區的大氣氣溶膠光學模式有一定的參考價值。

國內外很多學者都對氣溶膠的光學特性展開了研究。李建玉等[1]利用DTF型太陽輻射計，分析了麗江高美古的大氣光學厚度和可降水量。劉建軍等[2]利用地基天空輻射計測量研究了銀川地區氣溶膠光學特性的季節變化特征。王珍珠等[3]分析了合肥四季氣溶膠的光學特征的分布規律。宮純文等[4]分析了秸稈燃燒和沙塵對氣溶膠光學特性的影響。賀千山等[5]對比分析了Skyrad和Dubovik算法的反演結果，說明了Skyrad反演方法的可行性。伽麗麗等[6]利用DTF型太陽輻射計研究了合肥地區沙塵天氣中譜分布的變化情況。魏昊明等[7]討論了霧和氣溶膠前向散射對消光的影響?；诘鼗b感研究，國內外建立了一系列氣溶膠觀測網絡，如世界氣象組織(WMO)的氣溶膠觀測網絡GAW[8]、日本建立的亞洲地區氣溶膠觀測網SKYNET[9]、由中國氣象局主持的中國氣溶膠觀測網絡(CAero-Net)[10]及NASA在全球建立的地基氣溶膠自動觀測網絡(AERONET)[11]。這些都對了解不同地區的氣溶膠光學特性有著重要意義。

本文利用太陽直接輻射和散射資料，使用SKYRAD反演模式，分別得到了春季青海德令哈、安徽合肥、廣東茂名的氣溶膠的光學厚度、波長指數、譜分布、折射率及單次散射反照率，并對反演結果進行了分析。3個地區分別為西部無人區域、東部城市以及沿海地區，具有一定的代表性，對研究我國不同地區氣溶膠的光學特性有一定的參考意義。

2 數據來源及分析方法

2.1 數據介紹

本文測量所采用的儀器是日本Prede公司生產的POM02型太陽輻射計。它是氣溶膠-云相互作用觀測網SKYnet的標準儀器，共設有11個波段，各通道參數如表1所示。定標采用改進的蘭利法，以達到更高的定標精度。

表1 POM02太陽輻射計各通道參數Tab.1 Parameters of each channel of POM02 sun photometer

實驗地點分別位于青海德令哈(2013～2015)、安徽合肥(2018)及廣東茂名(2017～2018)。選擇3～5月的測量數據，從中挑選晴好天氣，其中徳令哈共有137天，合肥共有56天，茂名共有71天。從所處的地理位置上看，德令哈受到北方沙塵天氣的影響較大；合肥氣溶膠來源較為復雜，受人類活動影響較大；茂名觀測點位于茂名海邊，以海洋氣溶膠為主。

2.2 分析方法

2.2.1 利用太陽直接輻射數據計算氣溶膠光學厚度

根據比爾-朗伯定律，在地面上直接測得的某波長的太陽輻照度可表示為：

(1)

其中：F0表示日地平均距離處大氣頂太陽輻照度，τ為大氣柱總光學厚度，m是大氣質量，R為日-地距離修正因子。太陽輻射計測量值V的大小正比于所接收的太陽輻射，因此有：

(2)

大氣柱總光學厚度可表示為：

(3)

其中V0對應于大氣頂太陽直接輻照度的儀器響應，稱為太陽輻射計定標值。大氣氣溶膠光學厚度τa則可由總光學厚度減去大氣分子瑞利散射光學厚度τR和氣體吸收光學厚度τg得到[5]：

τa=τ-(τR-τg).

(4)

2.2.2 Angstrom波長指數計算

大氣氣溶膠粒子譜分布一般可認為符合Junge分布，則不同波長的氣溶膠光學厚度滿足?ngstr?m公式：

τa(λ)=βλ-α，

(5)

兩邊取對數得到：

lnτa(λ)=lnβ-αlnλ，

(6)

其中α為?ngstr?m波長指數，它反映了氣溶膠粒子譜分布。當大粒子(>1.0 μm)增多時，波長指數減小，接近于0或為負；當小粒子(<1.0 μm)增多時，波長指數增大，通常大于1.5。β為大氣渾濁度系數，它和氣溶膠粒子總數、折射指數和譜分布等有關，主要反映的是氣溶膠粒子濃度的大小，其值越大氣溶膠濃度越高。

2.2.3 氣溶膠尺度分布和復折射指數等參數反演

氣溶膠光學特性的反演方法為Skyrad模式，是Nakajima等為氣溶膠觀測網Skynet建立的基于POM01/02太陽輻射計的氣溶膠反演算法軟件。Skyrad分析觀測的直射和散射數據，通過反演得到氣溶膠光學和物理參數，包括氣溶膠光學厚度、單次散射反照率、折射率實部和虛部，體積譜分布，散射相函數等，是國際上應用最廣泛的基于太陽輻射計的氣溶膠反演算法之一[12]。利用光度計測量的太陽直接輻射和歸一化天空散射數據可以反演柱平均氣溶膠的光學和物理參數。

2.4 血清IL-6、CRP水平與Treg/Th17比值的相關性 結果(表4)表明：初發組及復發/難治組血清IL-6、CRP水平較平臺期組和正常對照組升高(P<0.05)，與外周血及骨髓Treg/Th17比值變化趨勢一致。

3 結果分析

3.1 氣溶膠光學厚度與Angstrom指數

圖1是3個地區春季氣溶膠光學厚度(500 nm)的頻率分布。從圖中可以看出，德令哈地區有24%的光學厚度分布在0.2以下，這在3個地區中是最高的，分布最多的范圍在0.2～0.3之間，占38%；大于0.7的頻率有8%。結合天氣記錄，光學厚度較大的數據基本上都出現在有浮塵天氣發生的時間。合肥地區的光學厚度分布范圍較廣，且分布較均勻，在0.2～1.6內均有分布，分布最多的范圍在0.6～0.8之間，約占17%。茂名地區的光學厚度分布相對集中，大部分集中在0.4～0.5內，約占54%，說明該地區氣溶膠來源相對穩定。

圖1 氣溶膠光學厚度(500 nm)的概率分布Fig.1 Frequency distributions of aerosol optical depth (500 nm)

分析3個地區的氣溶膠光學厚度頻率分布可知：德令哈地區的氣溶膠光學厚度，主要分布在值較低的區間內，說明該地區大氣中的氣溶膠濃度較低，沙塵天氣發生時AOD值有較大的增長；合肥地區的氣溶膠分布相對復雜，除0.2以下外各個區間內均有分布，說明該地區氣溶膠來源變化較快，受人為影響較大；茂名地區AOD分布相對穩定，集中在少數幾個區間內。

圖2為3個地區的春季波長指數頻率分布。德令哈地區的春季波長指數約有90%低于0.2，整體分布區間不超過0.7，分布最多的區間在-0.1～0.1之間，占總比例的77%；合肥地區的波長指數分布與光學厚度分布相似，分布范圍較大，相對分布最多的范圍在0.8～1.0之間，占總比例的39%；茂名地區的波長分布和合肥地區相似，分布最多的范圍在0.7～0.9之間，占總比例的42%。結合3個地區的波長分布，德令哈地區的波長指數較小，甚至有負值出現，說明該地區大氣氣溶膠以大粒子為主導；合肥和茂名的波長指數分布范圍較廣，波長指數相對較大，說明這兩個地區的大氣氣溶膠來源相對復雜，以小粒子為主。

圖2 氣溶膠波長指數(400～1 020 nm)的概率分布Fig.2 Frequency distribution of Angstrom exponents (400～1 020 nm)

圖3為德令哈和合肥地區氣溶膠光學厚度(500 nm)和波長指數的分布散點圖。德令哈地區的AOD和AE分布有一定的相關性，對兩者進行負指數擬合，相關性達到0.94，進一步說明了大粒子是影響該地區氣溶膠光學厚度的主要因素。這個結果與喀什和銀川的類似[2]，這幾個地區都易受沙塵天氣的影響。合肥地區的AOD和AE分布無明顯相關關系，說明該地區氣溶膠非單一源。

(a)德令哈 (a)Delingha

(b)合肥 (b)Hefei

圖3 氣溶膠光學厚度和波長指數(400～1020 nm)的散點圖

Fig.3 Relationship between AE from 400～1 020 nm and AOD at 500 nm

為了研究3個地區的春季氣溶膠光學厚度的日變化情況，圖4給出了3個地區的春季氣溶膠日變化特征，數值表示成偏離日平均值的百分比。3個地區的氣溶膠光學厚度(500 nm)日變化存在一定的差異：德令哈地區上午上升，14時左右達到最大值，之后開始顯著下降，這反映了當地早晚大氣層結較為穩定，隨著大氣溫度的上升造成了大氣中沙塵的增加，使光學厚度有所上升；合肥地區和茂名地區日變化情況相似，均在一天中有多個峰值，這可能是由于當地氣溶膠來源復雜，在不同的時間點有不同的氣溶膠源，導致不同峰值的出現。從數值上看，德令哈、合肥、茂名的變化分別在20%～45%，15%，30%左右。這種數值上的差異，可能與氣溶膠的來源和氣候條件不同有關。

圖4 氣溶膠光學厚度(500 nm)日變化

Fig.4 Diurnal variations of AOD(500 nm)in different regions computed as hourly percentage departure from the daily

3.2 氣溶膠譜分布

3個地區的氣溶膠譜分布大致可以用雙峰譜來描述，并用2個對數正態分布描述，即有：

(7)

其中：v(r)表示體積分布函數，rv表示模態半徑，σ和Cv分別表示標準偏差和體積濃度。

3個地區在20個尺度上的氣溶膠體積分布如圖5所示。受不同的粒子源影響，3個地區的譜分布呈現出不同的區域特征：德令哈的細模態半徑在0.06 μm附近，粗模態半徑在1.69 μm附近；合肥地區的細模態半徑在0.17 μm附近，粗模態半徑在1.69 μm附近；茂名地區的細模態半徑在0.25 μm附近，粗模態半徑在5.3 μm附近?？傮w上看，德令哈地區細粒子模態的體積濃度要明顯低于另外兩個地區，說明該地區大氣中小粒子濃度較低。

圖5 20個尺度上氣溶膠體積譜平均變化Fig.5 Average aerosol volume spectra at 20 different radii

圖6分別給出了德令哈和合肥地區的氣溶膠體積譜按光學厚度分檔的結果。德令哈地區在光學厚度較大時，粗模態粒子濃度顯著上升，而細粒子的濃度變化不大，進一步說明了粗模態粒子是影響當地氣溶膠光學厚度的主要因素；而合肥地區在各個模態上的粒子濃度均有所變化，這也與當地氣溶膠波長指數的分析結果相吻合，說明該地區氣溶膠有非單一源。

(a)德令哈地區 (a)Delingha

(b)合肥地區 (b)Hefei圖6 氣溶膠體積譜按光學厚度分檔

Fig.6 Average volume size distributions of aerosols for different AOD bins at 500 nm

3.3 氣溶膠折射指數和單次散射反照率

氣溶膠的折射指數可表達為nc=n-ik，其中n為折射指數實部，是大氣中光速和粒子內光速之比；k為折射率虛部，是決定氣溶膠吸收的因子。折射指數不僅與氣溶膠的成分有關，而且是波長的函數。3個地區各波段的折射指數如圖7所示。德令哈地區的折射率在各波段的平均值為1.53-i0.020，1.50-i0.007，1.56-i0.004，1.55-i0.003，1.52-i0.008；合肥地區為1.40-i0.010，1.42-i0.011，1.43-i0.012，1.46-i0.011，1.45-i0.013；茂名地區為1.49-i0.015，1.49-i0.014，1.49-i0.013，1.48-i0.012，1.46-i0.013。

(a)實部 (a)Averaged real part

(b)虛部 (b)Imaginary part圖7 不同波長上氣溶膠折射指數分布Fig.7 Variation of aerosol refractive index with wavelength

德令哈地區n值較大，除0.4 μm波段外k值偏小，這可能是因為北方春季的沙塵天氣頻發，大量沙塵氣溶膠進入大氣中所致[6]。合肥地區的折射率實部隨波長的變化不明顯，表明該地區折射率實部對波長敏感性較低，與該地區氣溶膠源復雜有關，在可見光波段的折射率結果略低于部分研究。茂名地區折射率實部和虛部隨波長都沒有明顯變化，結果接近于一些沿海地區的氣溶膠折射率研究[13]。

氣溶膠單次散射反照率(SSA)定義為散射系數與消光系數之比，用w表示。大氣氣溶膠對光的散射在總消光中所占比重，是評估氣溶膠直接輻射效應的關鍵參數之一。圖8給出了3個地區春季氣溶膠單次散射反照率隨波長的變化情況。其中，德令哈地區的w值隨波長增大而增大(除1.2 μm波段外)，這是由于北方春季沙塵天氣的影響，使粗粒子散射的貢獻有所增大，這與銀川地區[2]及北京地區的研究結果相似[13]。合肥和茂名地區受人為氣溶膠影響，w隨波長增大顯著下降，其中合肥地區明顯高于茂名地區，這是由于城市氣溶膠和海洋氣溶膠的組成成分不同導致的。

圖8 不同波長上氣溶膠單次散射反照率Fig.8 Mean spectral values of SSA for different wavelengths

3.4 浮塵天氣氣溶膠光學參數

為了研究浮塵天氣對氣溶膠光學參數的影響，選取3月22日德令哈全天氣溶膠光學參數的變化情況進行分析。天氣記錄本顯示，測量區域上午發生了浮塵揚沙天氣，圖9表示不同時刻(北京時間)的氣溶膠體積譜變化情況和光學厚度變化情況。相比于該地區的平均AOD值，浮塵天氣期間的氣溶膠光學厚度增大了幾倍。幾個時間點的譜分布趨勢相似，但在光學厚度較大的11時和12時，相應的譜分布中粒徑0.1～1 μm及粒徑大于1 μm的粒子濃度明顯高于光學厚度較低的9時和17時，全天0.1～1 μm及大于1 μm譜區的粒子濃度呈先增大再減小的趨勢，說明在浮塵天氣期間有大量的大粒子進入到大氣中，是氣溶膠光學厚度增大的主要原因[6]。

(a)粒子譜分布 (a)Mean values of aerosol size distribution

(b)光學厚度 (b)AOD圖9 2014年3月22號德令哈的浮塵天氣Fig.9 Aerosol properties in Delingha during strong dust storms on 22nd March 2014

4 結 論

本文根據3個典型地區近幾年的太陽輻射計直射/散射資料，使用Skyrad反演算法獲得了這些地區的氣溶膠光學厚度、波長指數、尺度譜、折射指數和單次散射反照率。由反演結果可得：德令哈地區大氣氣溶膠濃度較另外兩個地區較低，沙塵天氣發生時AOD值有較大的增長；合肥地區氣溶膠來源變化較快，受人為影響較大；茂名地區AOD分布相對穩定，集中在少數幾個區間內。德令哈地區的大氣氣溶膠以大粒子為主，合肥和茂名的大氣氣溶膠來源相對復雜，以小粒子為主。從光學厚度的日變化上看，德令哈、合肥、茂名偏離日平均值的百分比分別在20%～45%，15%，30%左右。德令哈地區大氣中小粒子數量較少，粗粒子模態3個地區的粒子數濃度數量相當，德令哈地區的粗粒子模態數濃度明顯高于細模態。德令哈地區與另外兩個地區相比，折射率實部的值較大，除0.4 μm波段外折射率虛部的值偏小；合肥地區的折射率實部隨波長變化不明顯，表明該地區折射率實部對波長敏感性較低，在可見光波段的折射率結果略低于部分研究；茂名地區折射率實部和虛部隨波長都沒有明顯變化。合肥和茂名地區單次散射反照率隨波長的增大顯著下降，其中合肥地區明顯高于茂名地區，這是由于城市氣溶膠和海洋氣溶膠的組成成分不同導致的。浮塵天氣期間有大量的大粒子進入到大氣中，是氣溶膠光學厚度增大的主要原因。