长江三角洲地区大气气溶胶柱单次散射反照率特性研究

张小林 许梦婕

0 引言

大气气溶胶是指悬浮在大气中的固态、液态粒子和气体载体组成的多相体系,这些气溶胶粒子大部分以亚微米尺度大小存在[1-2],它们对地球气候、大气环境和人类健康有着深远影响[3-5]．气溶胶粒子可以散射和吸收短波和长波辐射,进而直接改变地球-大气系统的辐射能量平衡[6]．单次散射反照率是气溶胶光学特性的最重要的参量之一,定义为气溶胶吸收与气溶胶消光(散射和吸收之和)之比,表示气溶胶散射和吸收两个过程的综合效应,可以看作气溶胶净辐射效应的指示参量[7]．

气溶胶辐射强迫对单次散射反照率十分敏感,当单次散射反照率变化时,气溶胶辐射强迫甚至可以在正的或者负的直接辐射强迫之间转换[8]．由于辐射强迫对气溶胶单次散射反照率变化的高度敏感性,因此有必要获得气溶胶单次散射反照率的相应数值大小,以便较为准确地在地球气候模式或者大气光化学模式中应用．长三角地区是中国经济最为发达的地区之一,目前该地区气溶胶单次散射反照率的研究更多集中在地面几个典型测量点的特性,而对该地区整层气溶胶单次散射反照率时空特性研究仍显不足．

本文利用OMI卫星资料对长三角地区整层大气气溶胶单次散射反照率(柱单次散射反照率)特性进行分析,以获得其长时间序列的时空分布特征,为其在气候模式中的使用提供依据．

1 方法

OMI是由美国国家航空航天局(NASA)于2014年发射的Aura地球观测系统卫星上携带的4个传感器之一,由荷兰、芬兰和NASA联合制造,其数据具有较高的可靠性,被认为是研究整层大气气溶胶特性的重要工具[9]．本文所使用的气溶胶柱单次散射反照率数据来源于OMI二级OMAERO产品,数据处理时去除了云的干扰,所选择的波长为483.5 nm,研究时间段为2006年1月—2017年12月,研究地区为114°～123°E,25°～38°N,主要为长三角地区．需要注意的是,OMI卫星数据会由于云的存在而失真,但去除云的干扰则会造成数据缺失;此外,反演算法的不同对数据产品也有一定的影响[10-12]．借助于OMIOMAERO二级产品的单次散射反照率日均数据,研究整层大气(地面到卫星,近似整层大气)气溶胶柱单次散射反照率在长三角地区的时空分布特征,重点研究其年际、月、季节变化特征,为其在气候模式中使用提供数据参考．

2 结果与讨论

2.1 柱单次散射反照率的时空变化

2006—2017年平均的大气气溶胶柱单次散射反照率在长江三角洲地区空间分布如图1所示．总体而言,长江三角洲地区的大气气溶胶柱单次散射反照率越靠近海洋越大,而越靠近内陆越小;在海洋上其值大多超过0.9,而在内陆则基本小于0.9．这主要与海洋上空海盐等散射型气溶胶较多，而内陆上空则相对较少有关．

图1 长江三角洲地区2006—2017年气溶胶柱单次散射反照率的平均空间分布

图2为长三角地区大气气溶胶柱单次散射反照率日平均值在2006—2017年的时间变化情况．总体上,大气气溶胶柱单次散射反照有明显的年际周期变化,在一年中夏季最高,而冬季最低．日均气溶胶柱单次散射反照率在0.881～0.971范围内变化,多年的平均值为0.939±0.024．气溶胶柱单次散射反照率的变化相对较小,这主要是由于本文研究的是整层大气气溶胶单次散射反照率,受地面气溶胶源排放的影响相对较小．Eck等[13]利用AERONET数据对南非地区的大气气溶胶柱单次散射反照率进行了研究,研究结果与本文大体相当,仅在有生物质燃烧时大气气溶胶柱单次散射反照率相较会稍低．Andrews 等[14]也利用地基的AERONET数据对美国地区的大气气溶胶柱单次散射反照率进行了研究,其结果也基本相似．全球不同地区的柱大气气溶胶单次散射反照率总体变化类似,可能是因为气溶胶单次散射反照率受气溶胶排放源影响较大,柱单次散射反照率则是整层大气的平均效果,而中高层大气受气溶胶排放源影响则较小．

图2 长江三角洲地区平均气溶胶柱单次散射反照率2006—2017年的时间变化

图3为2006—2017年期间长三角地区大气气溶胶日均柱单次散射反照率的统计分布．气溶胶柱单次散射反照率最大分布概率出现在0.965～0.970区间,其值约为25%，而位于0.915～0.920和0.920～0.925区间的气溶胶柱单次散射反照率分布概率分别有近15%．整层大气气溶胶柱单次散射反照率的数值整体较大,绝大多数超过0.900,表明就整层大气而言气溶胶类型以散射型粒子为主．

图3 长江三角洲地区日均气溶胶柱单次散射反照率2006—2017年的统计分布

2.2 柱单次散射反照率的年、月和季节变化

图4为长三角地区大气气溶胶柱单次散射反照率年平均值的变化情况．长三角地区大气气溶胶柱单次散射反照率的年平均值集中于0.938～0.940之间,年际变化很小,变化值小于1%．这可能与大气柱单次散射反照率受地面气溶胶排放源的影响相对较小有关,特别是卫星高度以下的中高高度．

图4 长江三角洲地区年平均气溶胶柱单次散射反照率

图5为长三角地区2006—2017年大气气溶胶柱单次散射反照率月平均值的变化情况．可以看出,气溶胶月均柱单次散射反照率在6、8、9月有最大值,其值为0.968;在2月有最小值,其值为0.915;其他月份的数值则介于两者之间,且随着月份增加而连续变化．

图6为长三角地区2006—2017年大气气溶胶柱单次散射反照率季节平均值的变化情况．长三角地区大气气溶胶柱单次散射反照率在春夏秋冬4个季节的平均值分别为0.929±0.002、0.968±0.001、0.941±0.003和0.919±0.001．总体而言,气溶胶柱单次散射反照率在夏季最大,而在冬季最小,这与月平均值的情形一致．大气气溶胶柱单次散射反照率的季节性变化,主要受气溶胶源与汇的季节性变化以及气象因素的变化影响．冬季供暖加热等所带来的黑碳等吸收性气溶胶排放增加，同时冬季更稳定的天气条件(较低的大气边界层和较小的风速)不利于黑碳污染物等的扩散清除[15],导致气溶胶吸收成分比例增加,进而使得冬季的气溶胶单次散射反照率较低．夏季具有较强的大气对流能力,同时长三角地区正值雨季,且台风过境次数增多,有利于黑碳污染物等的干湿清除,这可能是导致夏季吸收成分相对较低而气溶胶单次散射反照率较高的原因之一．

图5 长江三角洲地区月平均气溶胶柱单次散射反照率

图6 长江三角洲地区季节平均气溶胶柱单次散射反照率

3 结论

本文利用OMI 卫星资料2006—2017年的气溶胶柱单次散射反照率日均数据,研究了整层大气气溶胶单次散射反照率在长三角地区的时空分布特征,并研究其年际、月、季节变化特征．

长江三角洲地区的大气气溶胶柱单次散射反照率越靠近海洋越大,而越靠近内陆越小．日均气溶胶柱单次散射反照率在0.881～0.971范围内变化,多年的平均值为0.939±0.024,最大分布概率出现在0.965～0.970区间,其值约为25%．长三角地区大气气溶胶柱单次散射反照率的年平均值集中于0.938～0.940之间,年际变化很小,变化值小于1%;月均柱单次散射反照率在6、8、9月有最大值,其值为0.968,而在2月有最小值,其值为0.915;春夏秋冬的季节平均值分别为0.929±0.002、0.968±0.001、0.941±0.003和0.919±0.001,在夏季最大,而在冬季最小．本文研究结果可为气溶胶单次散射反照率在气候模式中的使用等提供数据参考．