氣溶膠光學(xué)厚度變化特征分析

氣溶膠光學(xué)厚度變化特征分析

1氣溶膠光學(xué)厚度研究氣和平波是將各種固體和液體顆粒懸浮在氣中的顆粒，半徑約為0.110m。大氣氣溶膠對太陽輻射的散射、吸收作用直接影響地球大氣的輻射平衡,并通過成云作用及非均相化學(xué)反應(yīng)參與大氣中的各種化學(xué)過程,影響其他溫室氣體成分的源匯,對全球氣候變化有著重要的作用。此外,大氣氣溶膠還是環(huán)境研究、大氣訂正中的重要因子之一。氣溶膠光學(xué)厚度作為氣溶膠最基本的光學(xué)特性,是研究氣溶膠作用的基礎(chǔ)。長時期、大范圍氣溶膠光學(xué)厚度資料的缺乏是目前的主要問題。解決這一問題有兩個比較可行的途徑,一是衛(wèi)星遙感方法,國外有很多研究成果,國內(nèi)也做了大量的研究工作,如毛節(jié)泰等、張軍華等、李成才等都對如何從衛(wèi)星資料反演氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行過深入的研究。二是寬帶消光法,Gueymard、邱金桓提出并發(fā)展了寬帶消光法,試圖從多年常規(guī)輻射站的輻射觀測資料中間接提取氣溶膠光學(xué)厚度的信息。利用這種方法,邱金桓等分析了中國10個地方大氣氣溶膠1980～1994年間的變化特征。羅云峰等利用甲種日射站的逐日太陽直接輻射日總量和日照時數(shù)等資料,分析了1961～1990年30年中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的變化特征及平均分布特征。由于氣溶膠的時空變化比較大,氣溶膠的組成成分比較復(fù)雜,氣溶膠光學(xué)厚度的時空分布也具有很大的不確定性,因此為了了解最近年份氣溶膠光學(xué)厚度的變化規(guī)律,我們利用寬帶消光法從近10年(1993～2002年)的太陽直接輻射資料中提取出光學(xué)厚度的信息,并系統(tǒng)分析了這個時期氣溶膠光學(xué)厚度的變化特征。2氣溶膠光學(xué)厚度計算我國從1993年開始才進(jìn)行逐時太陽直接輻射觀測,本文就是利用全國16個輻射站(哈爾濱、烏魯木齊、喀什、額濟(jì)納旗、格爾木、蘭州、沈陽、北京、拉薩、成都、昆明、鄭州、武漢、上海、廣州、三亞)1993～2002年小時累積太陽直接輻射資料和相應(yīng)的常規(guī)氣象觀測資料,并配合TOMSversion-7臭氧觀測資料,反演了逐時氣溶膠光學(xué)厚度,然后按照一定的約束原則,選擇氣溶膠光學(xué)厚度計算結(jié)果做日平均,在逐日平均光學(xué)厚度的基礎(chǔ)上計算月、季、年平均氣溶膠光學(xué)厚度,將其用作不同時間尺度氣溶膠光學(xué)厚度變化特征的分析。利用小時累積太陽直接輻射資料反演氣溶膠光學(xué)厚度,較系統(tǒng)地研究近10年氣溶膠光學(xué)厚度的變化特征,這還是第一次。反演方法采用邱金桓發(fā)展的寬帶消光法,獲得等效波長的氣溶膠光學(xué)厚度,這個等效波長約在750nm左右。這種方法的計算結(jié)果,宗雪梅等曾與AERONET北京站太陽光度計的探測結(jié)果做過對比分析,二者具有很好的一致性。3季節(jié)平均變化特征先后分析氣溶膠光學(xué)厚度年平均變化特征和季節(jié)平均變化特征,從中可以看出其近10年來的變化趨勢。然后對16個輻射站的月平均光學(xué)厚度與能見度的關(guān)系做一相關(guān)分析。3.1分析了年平均氣溶膠光學(xué)厚度的特征分析3.1.1氣溶膠光學(xué)厚度表1我們對16個輻射站年平均氣溶膠光學(xué)厚度求一個總的平均值,結(jié)果列于表1,其反映了我國年平均氣溶膠光學(xué)厚度的變化特征。從表中可以看出,1993年和2000年年平均氣溶膠光學(xué)厚度值較大,1995年光學(xué)厚度值較小?？傮w看來,氣溶膠光學(xué)厚度年平均值在0.32～0.36之間變化。3.1.2氣溶膠光學(xué)厚度的年際變化首先,分別計算16個輻射站氣溶膠光學(xué)厚度10年總的平均值,結(jié)果見圖1。從圖中可以看出,成都的氣溶膠光學(xué)厚度最大,達(dá)到0.6863,最小值出現(xiàn)在拉薩,只有0.1233。氣溶膠光學(xué)厚度10年平均值小于0.2的有3個站,分別是額濟(jì)納旗、格爾木和拉薩。而大于0.4的有6個站,分別為蘭州、北京、鄭州、武漢、上海、廣州。這與羅云峰等分析的我國大氣氣溶膠光學(xué)厚度平均分布特征有類似之處,但是拉薩、喀什、昆明和烏魯木齊4站遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于羅云峰等反演的結(jié)果?？赡苤饕窃频挠绊?反演年份不同也可能產(chǎn)生結(jié)果上的差異。然后,分別分析16個輻射站逐站年平均氣溶膠光學(xué)厚度的變化特征,從中可以看出各個輻射站氣溶膠光學(xué)厚度的年變化趨勢。把16個輻射站的氣溶膠光學(xué)厚度月平均值,以月為單位形成一個時間序列,求其線性傾向值和相關(guān)系數(shù),再換算成年平均變化率(表2)。從表中可以看出,通過99%信度檢驗的沈陽和鄭州兩站的氣溶膠光學(xué)厚度,有明顯增加的趨勢,年平均遞增率分別為2.124%和1.272%。哈爾濱、蘭州和廣州3站氣溶膠光學(xué)厚度則有明顯減弱的趨勢,總的年平均遞減率為1.463%。通過95%信度檢驗的北京和拉薩氣溶膠光學(xué)厚度都呈現(xiàn)出減弱的趨勢,北京的年平均遞減率為1.452%,拉薩的年平均遞減率為0.5563%。其余各站氣溶膠光學(xué)厚度的變化都不太明顯。圖2是沈陽、鄭州、烏魯木齊、喀什、哈爾濱、蘭州、北京和拉薩等8個輻射站的年平均氣溶膠光學(xué)厚度變化(其他8個輻射站圖略)。圖中直觀地反映了前文得出的總體增加或者減弱的趨勢。此外,還可以看出,烏魯木齊(見圖)、喀什(見圖)、武漢(圖略)、上海(圖略)等站總體上也呈現(xiàn)出增加的趨勢,但增加幅度不大。我們還注意到一個有趣的現(xiàn)象就是年平均氣溶膠光學(xué)厚度增加之前有一個逐年減小的趨勢,如烏魯木齊、喀什、武漢等站,大約在1995或1996年有一個年平均氣溶膠光學(xué)厚度的最小值,然后才呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。除鄭州、上海兩站出現(xiàn)兩年一次的振蕩外,最近5年,武漢的年平均氣溶膠光學(xué)厚度變化不大,其余各站的年平均氣溶膠光學(xué)厚度都是逐年增加的。拉薩站除1993年年平均氣溶膠光學(xué)厚度較大以外,其余年份的年平均氣溶膠光學(xué)厚度變化不大,此外,上述分析中的哈爾濱、蘭州、廣州、北京等站年平均氣溶膠光學(xué)厚度明顯減弱的趨勢在圖中表現(xiàn)得很明顯,尤其是北京站自1998年以來年平均氣溶膠光學(xué)厚度逐年下降的趨勢比較強。最近4～5年,成都和昆明兩站的年平均氣溶膠光學(xué)厚度也表現(xiàn)出減弱的趨勢。綜上所述,近10年氣溶膠光學(xué)厚度的變化已經(jīng)不是羅云峰等描述的總體增加的趨勢,而是有些地方有增加的趨勢,如沈陽、鄭州、烏魯木齊、喀什、武漢、上海等站;有些地方也有明顯減弱的趨勢,如哈爾濱、蘭州、廣州、北京等站;還有些地方變化趨勢不明顯,只在某些年份有增加或減弱的趨勢,如額濟(jì)納旗、格爾木、成都、昆明、三亞等站。年平均氣溶膠光學(xué)厚度減弱的趨勢說明,近些年來,我國相當(dāng)一部分地區(qū)能見度明顯好轉(zhuǎn),近地面氣溶膠粒子明顯減少。環(huán)境污染狀況得到較好的改善。3.2氣溶膠光學(xué)厚度性質(zhì)圖3是16個輻射站氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)平均。從圖中可以看出,大部分站點氣溶膠光學(xué)厚度的最大值都出現(xiàn)在春季(3～5月),而哈爾濱、烏魯木齊、蘭州、成都的氣溶膠光學(xué)厚度最大值出現(xiàn)在冬季。冬春季節(jié)是沙塵暴多發(fā)時段,所以出現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度的最大值是可以理解的。沈陽、北京、鄭州氣溶膠光學(xué)厚度最大值出現(xiàn)在夏季,昆明氣溶膠光學(xué)厚度最大值出現(xiàn)在秋季,這可能與夏秋兩季豐沛的水源有關(guān),水汽對氣溶膠光學(xué)厚度的影響不能不說是一個重要的量。3.3氣溶膠光學(xué)厚度與溶解度的關(guān)系氣溶膠光學(xué)厚度一般與近地面層的氣溶膠粒子有很大的關(guān)系,而能見度正是反映了這些低層氣溶膠粒子的光學(xué)特性,所以氣溶膠光學(xué)厚度與能見度之間有一定的關(guān)系,因此,我們對月平均氣溶膠光學(xué)厚度與能見度做相關(guān)分析。考慮到清晨多霧,邊界層多逆溫以及人類活動相對集中的原因,我們只選擇14時總云量為零的能見度資料進(jìn)行月平均能見度統(tǒng)計。表3給出了月平均氣溶膠光學(xué)厚度和月平均能見度的相關(guān)系數(shù)。從表中可以看出,哈爾濱、烏魯木齊、喀什、額濟(jì)納旗、格爾木、蘭州、北京等站相關(guān)系數(shù)都很大,相關(guān)系數(shù)都在70%以上,烏魯木齊和蘭州兩站的相關(guān)系數(shù)甚至大于90%,說明氣溶膠光學(xué)厚度和能見度之間有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。成都、昆明兩站的相關(guān)系數(shù)也比較大,這兩站氣溶膠光學(xué)厚度和能見度的負(fù)相關(guān)關(guān)系也是比較明顯的。其余各站相關(guān)系數(shù)很小,甚至出現(xiàn)正值,主要是我國中部和南部的站點。圖4是烏魯木齊、額濟(jì)納旗、鄭州、上海等4個輻射站的月變化(其他站點圖略)。從圖中可以看出,相關(guān)系數(shù)較大的站點,月平均氣溶膠光學(xué)厚度與能見度有很好的反相關(guān)系。一般來說,氣溶膠光學(xué)厚度的高值對應(yīng)于能見度的低值,月平均氣溶膠光學(xué)厚度的增加或者減小與能見度的減小或者增加的趨勢相對應(yīng)。但有些站的有些月份卻沒有這種反相關(guān)系,如鄭州1～3月和8～12月,上海1～3月和8～11月等表現(xiàn)出變化一致的關(guān)系,產(chǎn)生鄭州和上海兩站月平均氣溶膠光學(xué)厚度和能見度相關(guān)系數(shù)為正的結(jié)果。月平均氣溶膠光學(xué)厚度與能見度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系表明,氣溶膠光學(xué)厚度主要受來自低層氣溶膠粒子的影響,能見度較小時,低層氣溶膠粒子較多,消光系數(shù)較大,所以氣溶膠光學(xué)厚度也較大。反之亦然。因此氣溶膠光學(xué)厚度與能見度有較好的相關(guān)關(guān)系,而二者之間較小的負(fù)相關(guān)系數(shù)或者正相關(guān)系數(shù)產(chǎn)生,可能是由于氣溶膠光學(xué)厚度的主要影響不是來自低層,而是高層的氣溶膠粒子產(chǎn)生較大作用的原因。高空從外地輸送或者本地上升輸送的氣溶膠粒子如果停留在高層,不沉降到低層,對地面水平能見度沒有影響,但卻改變了總的氣溶膠光學(xué)厚度值,這樣氣溶膠光學(xué)厚度與反映低層粒子狀況的能見度的關(guān)系就會不明顯,甚至出現(xiàn)正相關(guān)。4氣溶膠光學(xué)厚度的季節(jié)變化用寬帶消光法反演了16個輻射站1993～2002年的氣溶膠光學(xué)厚度。主要分析了光學(xué)厚度的年、季平均變化特征及其趨勢,得出以下幾點結(jié)論:(1)雖然總體年平均氣溶膠光學(xué)厚度在0.32～0.36之間變化,但是各個輻射站的年變化趨勢卻各有不