北京沙塵天氣期間氣溶膠光學特性分析

趙松林 鄧梅 趙輝 廖柏林 王雪琦 李瑤 蘇仲銘

摘要 利用全球地基氣溶膠觀測網（AERONET）資料，分析了北京地區2001—2013年沙塵天氣期間氣溶膠的光學特性。結果表明，北京沙塵天氣期間受沙塵粒子的影響，氣溶膠光學厚度值（AOD）較大，且隨波長增大而減小，在波長440 nm處平均值約為1.2;氣溶膠Angstrom波長指數97.62%都聚集在0.7以下，說明北京沙塵天氣期間粒子較大;沙塵天氣期間單次散射反照率隨波長增加而增加，平均值約為0.93;復折射指數實部在波長675 nm處最大，平均約為1.55，虛部在440 nm處最大，平均值達到0.006;總的不對稱因子平均值約為0.72;北京地區沙塵天氣期間氣溶膠粒子譜型呈雙峰分布，且以粗模態粒子為主，其峰值隨光學厚度的增大而增大，粗模態粒子的峰值半徑平均約為2.6 μm。這些參數對于深入研究沙塵氣溶膠的輻射效應和氣候效應都是必不可少的。

關鍵詞 沙塵氣溶膠;光學厚度;Angstrom波長指數;單次散射反照率;復折射指數

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2020）02-080-04

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.02.031

Optical Properties of Aerosol during the Dust Weather in Beijing

ZHAO Song-lin? et al（Loudi Meteorological Bureau，Loudi，Hunan 417000）

Abstract The global network of ground aerosol observation （AERONET） data was used to analyze the optical properties of aerosol during the dust weather in Beijing from 2001 to 2013. The results showed that account of the dust particles impaction during the dust weather in Beijing，the aerosol optical thickness （AOD） was large，which decreased with the wavelength increasing，and the average value was about 1.2 at the wavelength of 440 nm. 97.62% of aerosol Angstrom exponent gathered below 0.7，indicating that the particles were large during the dust weather in Beijing. The single scattering albedo during the dust weather increased with the wavelength increasing，and the average value was about 0.93. The real part of the complex refractive index at the wavelength of 675 nm was the most，and the average was about 1.55，and the largest imaginary part was at the wavelength of 440 nm，reaching 0.006. The total asymmetry factor average was about 0.72. The aerosol volume size distribution was a bimodal distribution type during the dust weather in Beijing，mainly concentrated in coarse particles，and the main peak value increased with the aerosol optical thickness increasing，the average radius of the peak was about 2.6 μm. All these parameters were essential for further study of the radiation effects and climatic effects of dust aerosol.

Key words? ?Dust aerosol;Optical thickness;Angstrom exponent;The single scattering albedo;The complex refractive index

沙塵天氣作為一種災害性天氣現象，屬于大氣氣溶膠的一種極端現象。沙塵暴的頻繁發生向大氣中輸入大量沙塵粒子，并在氣流的攜帶下進行遠距離輸送[1]，對生態系統和大氣環境產生重大影響。沙塵作為氣溶膠的主要成分之一，不但可以反射太陽輻射，還可作為云的凝結核影響云滴數濃度和有效半徑，從而改變云的光學厚度和生命期;沙塵粒子的吸收特性也會影響大氣輻射的加熱結構[2]，沙塵氣溶膠不僅會改變區域的大氣輻射特性，另外，還對區域的水循環、季風系統和局地的氣候環境造成很大影響[3]。北京地區處于蒙古國和內蒙等地區沙塵暴發生地的下風向位置，遠距離輸送的外來沙塵造成北京地區沙塵天氣頻繁發生，引起了科學家們的高度關注。

氣溶膠光學厚度（AOD）、單次散射反照率（SSA）、復折射指數（RI）、不對稱因子（ASY）以及體積譜分布等是估算其輻射強迫的關鍵參數。目前，在沙塵氣溶膠氣候環境影響評估方面仍存在很大的不確定性[4]，主要原因在于對沙塵源區、沙塵傳輸過程以及氣候系統反饋機制的認識不足，另外，缺乏沙塵氣溶膠物理、化學以及光學特性系統資料。近年來，有大量學者對亞洲地區沙塵的源地、傳輸路徑以及光學特性等進行了大量研究，并取得了一定成果。Mori等[5]研究分析了亞洲沙塵遠距離輸送過程中氣溶膠面積譜和化學組分;Liu 等[6]用CALIPSO雷達觀測數據分析撒哈拉沙漠長距離輸送過程中沙塵氣溶膠的光學特性;延昊等[7]采用遙感數據分析了東亞沙塵的源地、傳輸路徑和時空分布的特征;徐超等[8]采用AERONET數據對比分析了恒河流域和蒙古國沙塵氣溶膠的光學物理特性。在沙塵氣溶膠光學特性方面的研究較多地針對接近沙塵源區的干旱和半干旱地區[9]，而對于北京等沙塵輸送的下游地區氣溶膠光學及微物理特性長期研究較少[10]。所以，加強北京地區沙塵天氣情況下沙塵氣溶膠光學特性的觀測研究分析，以期為深入研究北京地區大氣氣溶膠的特點、區域環境以及氣候效應提供依據。

不對稱因子表示氣溶膠粒子前向散射能力的大小，對于瑞利散射認為其ASY值為0;對于完全前向散射ASY值為1;當ASY值為-1時認為粒子完全后向散射。由圖3可以看出，北京地區沙塵天氣期間不對稱因子在440～675 nm波段隨波長的增大而減小，在440 nm波長處不對稱因子平均值為0.74;在675～1 020 nm時隨波長變化不明顯，平均約為0.70。

氣溶膠粒子復折射指數包括實部和虛部，實部反映氣溶膠粒子的散射能力，而虛部反映粒子的吸收能力，是反映氣溶膠粒子光散射和吸收能力的基本參數，其大小與粒子的尺度、組成以及形狀半徑等有密切關系。高的實部值表示散射型的氣溶膠，虛部值較大時表示吸收型的氣溶膠[19]。由圖3可知，復折射指數的實部在波長440～675 nm隨波長的增大而增大，在675～1 020 nm變化不明顯，在4個波段的平均值約為1.55，在675 nm處最大，約為1.56;復折射指數的虛部在440 nm處最大，約為0.006，在4個波段的平均值約為0.004。礦物沙塵粒子的復折射指數實部范圍為1.53±0.05，虛部一般小于0.006[20]。

2.4 北京地區沙塵天氣天數的月平均變化和年際變化

由圖4a可以看出，觀測的總天數和統計的沙塵天數變化一致，呈單峰型分布，若不考慮儀器等外在因素條件的影響，則觀測的天數主要受天氣條件的影響，季風期的季風系統帶來的大量水汽造成的陰雨天氣不利于觀測，一般在季風前期的觀測天數相對較多。圖4a顯示北京地區沙塵天氣主要集中在春季和冬季，主要是因為期間干旱少雨，有利于產生大風或強風等不穩定天氣條件和沙塵源分布等。圖4b為2001—2013年北京地區沙塵天氣逐年的變化趨勢，擬合線的置信度為95%。從圖4b可以明顯地看出，在北京地區2001—2013年的沙塵天氣天數呈現減小的趨勢，由于采取了一系列有效的沙塵治理手段，逐漸減小了沙塵天氣的影響。

3 結論

（1）北京地區沙塵天氣情況下受沙塵粒子的影響，氣溶膠光學厚度較大，440 nm處平均值約為1.2;且氣溶膠光學厚度隨波長的增加而減小，說明沙塵粒子對波段的選擇性。氣溶膠Angstrom波長指數97.62%都聚集在0.7以下，AOD>0.6時，90.48%的ɑ波長指數都小于0.6，說明北京沙塵天氣期間粒子較大。

（2）沙塵天氣期間氣溶膠體積譜分布呈雙峰型，以粗模態粒子為主，且主模態峰值隨光學厚度增大而增大，峰值半徑平均約為2.5 μm，沙塵天氣期間粗模態的體積濃度是細模態的體積濃度的6.5～19倍。

（3）沙塵天氣期間單次散射反照率隨波長增加而增加，平均值約為0.93;不對稱因子在波段675～1 020 nm的平均值約為0.70;氣溶膠復折射指數的實部和虛部在4個波段的平均值分別約為1.55和0.004，說明沙塵天氣期間以粗粒子散射為主。

（4）北京地區沙塵天氣主要集中在春季和冬季，且在2001—2013年的沙塵天氣天數呈現減小的趨勢。

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責任編輯：鄭丹丹