基于CALIPSO卫星资料的华东地区气溶胶垂直分布特征.docx

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基于CALIPSO卫星资料的华东地区气溶胶垂直分布特征

基于CALIPSO卫星资料的华东地区气溶胶垂直分布特征

刘璇1，朱彬2，袁亮2，关学锋1

【摘要】摘要：

基于2010年12月1日—2011年11月30日美国国家航空航天局云—气溶胶激光雷达与红外探测者卫星搭载的激光雷达CALIPSO的监测数据，通过分析消光后向散射系数、体积退偏比和色比，得到了华东地区垂直方向上气溶胶粒子的散射能力、尺度、规则程度随高度的变化及其季节变化特征。

结果表明：

随着高度的增加华东地区大气的散射能力减弱。

整层大气不同季节粒子的形状大小不同，春季不规则、大粒径粒子所占比例与其他季节相比较大。

夏季较规则、小粒径的粒子较多。

各高度层的后向散射系数值分布范围为5×10-4～20×10-4km-1·sr-1。

对不同高度消光后向散射系数、体积退偏比和色比随时间变化的研究表明，春季受沙尘输送的影响，0～4km大气层中不规则大粒径粒子较多；4～8km大气层由于所含气溶胶粒子较少，大气散射能力随季节变化不明显；而8～10km大气层中粒子含量最少，导致大粒径粒子所占比例较高，此外该高度层在秋季不规则、大粒径粒子相对较多，冬季规则、小粒径粒子相对较多。

【期刊名称】沙漠与绿洲气象

【年（卷）,期】2016（010）005

【总页数】8

【关键词】CALIPSO；气溶胶；垂直分布；消光后向散射系数；体积退偏比；色比

大气气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物组成的多相体系，其可以直接或间接地改变地—气系统的辐射收支来影响气候和环境[1]。

气溶胶的时空分布非均匀性，成为在气候变化模拟和环境遥感中最不确定的因子之一[2]。

因此，了解不同区域气溶胶分布和变化特征成为全面和精确评估气溶胶辐射强迫的关键[3]。

气溶胶的垂直分布特征是评估气溶胶辐射效应的关键要素之一[4]，虽然众多学者通过地基观测实验对全球各地气溶胶理化性质进行了较为系统的研究[5-14]，美国与中国分别组建了地基气溶胶观测网对气溶胶的变化特征进行长期观测[15-16]，但对气溶胶在垂直分布特征的了解仍然不够完善。

为了弥补地基观测的不足，研究者们利用云—气溶胶激光雷达与红外探测者卫星（CALIPSO）搭载的激光雷达反演的资料来全面研究特定区域内气溶胶随经纬度变化的二维平面分布以及气溶胶在不同垂直高度上的分布情况[17-18]。

该极轨卫星隶属美国国家航空航天局，为A-Train系列卫星之一，通过星载云和气溶胶正交偏振激光雷达（CALIOP）获得轨道白天和晚上的两个波长（532nm和1064nm）的消光后向散射系数（β），包括532nm总后向散射系数、532nm垂直后向散射系数和1064nm后向散射系数[19]。

Noel等[20]利用地基532nm云激光雷达观测结果证明了该卫星反演得到的消光系数和光学厚度的可靠性。

国内科学家也将此卫星资料用于气溶胶的研究中，如陈勇航等[21]采用CALIPSO资料对一次强沙尘输送过程中气溶胶垂直分布特征进行了研究。

马盈盈等[22]通过利用该卫星数据，探讨了中国东南部地区海洋面与陆地面气溶胶的差别及其产生原因，并给出了气溶胶光学厚度随高度层次的变化及其在整体区域范围内的分布特点。

蔡宏珂等[23]对一次秸秆燃烧后气溶胶光学特性进行分析。

此外，还有一些学者利用CALIPSO星载激光雷达资料集中揭示了上海地区发生霾时气溶胶的垂直分布特征[24-26]。

华东地区作为中国综合技术水平较高的经济区，近年来由于经济社会的迅速发展，汽车尾气排放、化石燃料燃烧等等使得大气气溶胶排放显著增加，城市空气质量受到较大的威胁，对区域环境和气候也造成巨大的影响[27-28]。

因此研究该地区气溶胶的垂直分布特征能够为卫星遥感在区域环境监测的适用性和在空气污染过程中的应用以及在空气质量预报和控制方面提供科学性参考。

1资料与方法

本研究采用华北地区2010年12月—2011年11月期间CALIPSO卫星获取的总消光散射系数、体积退偏比和色比资料对气溶胶垂直分布特征进行分析。

CALIPSO卫星搭载的CALIOP激光雷达测量3个通道的回波信号，其中一个通道为1064nm的后向散射信号（β′106（4z）），另外2个通道测量532nm后向散射信号的正交极化分量（垂直分量β′⊥（z）和平行分量β′‖（z））。

通过公式

（1）计算得到532nm总后向散射系数。

通过公式

（2）和公式（3），CALIOP可以获得高度z上两个波长（532nm和1064nm）的后向散射系数（β532，⊥（z）和β106（4z）），单位为km-1·sr-1。

式中，T（2z）表示双向大气透过率，由公式（4）计算得到:

式（4）中，δm、δa和δO3分别表示气体分子、气溶胶和臭氧的消光系数，zsat代表卫星的高度。

体积退偏比VDR是532nm垂直后向散射系数与532nm平行后向散射系数之比，该参数反映的是被测颗粒的不规则程度，退偏比越大，说明颗粒越不规则，由公式（5）计算所得：

VDR的大小可以作为区分“规则”与“不规则”气溶胶粒子的参量，本研究试图通过VDR数值的大小分析气溶胶的规则性。

色比CR是1064nm与532nm总后向散射系数之比，其可以表征被测颗粒物的粒径大小，值越大，粒径越大：

所有资料中剔除卫星非过境时段，云遮盖过多，缺测，以及信噪比较高的日间数据，对筛选出的夜间华东地区对应时段的53个CALIPSO过境的数据进行了统计分析。

2结果与讨论

2.1华东地区气溶胶总体变化趋势

中分辨率成像光谱仪（MODIS）是搭载在TERRA卫星上的一个传感器，具有从可见、近红外到红外的36个通道，最高可见光分辨率达到250m，扫描宽度达2330km，对陆地气溶胶遥感提供了可行的手段。

MODIS的气溶胶数据产品自2000年以来得到了广泛使用，使得气溶胶的遥感监测能力得到了很大的提高，为区域及全球大范围监测大气气溶胶提供了可能，并能在一定程度上反映大气中的气溶胶含量[29]。

本文使用MODIS3级格点数据产品（MOD08，版本C051）550nm波段的AOD（AerosolOpticalDepthat0.55micronsforbothOcean（best）andLand（corrected）：

Mean），产品的空间分辨率为1°×1°经纬度网格。

图1为华东地区2009—2014年MODIS气溶胶光学厚度（AOD）的年均值序列，该图由MODISL3级月平均数据做年平均所得。

可以看到2009—2014年华东地区的AOD值呈现出先增高后降低的趋势，在2011年达到最高值。

图2则为华东地区2011年AOD的平均分布状况，图中白色边界线所包含的区域则为本研究中所指的华东地区的范围，包括上海、江苏、浙江、安徽、江西、福建、山东等地。

由图2可知，在中国东部地区中华东地区的AOD值相对较高，尤其是山东、江苏、安徽、上海等地的大部分地区AOD平均值基本都在0.6以上。

因此本研究利用AOD值相对较高的2011年（2010年12月—2011年11月）的CALIPSO卫星资料，通过分析消光后向散射系数、体积退偏比和色比等参数来探究华东地区气溶胶的垂直分布和季节变化特征（冬季：

12—次年2月、春季：

3—5月、夏季：

6—8月、秋季：

9—11月）。

同时通过分层（0～2km、2～4km、4～6km、6～8km和8～10km）对不同高度层的气溶胶分布状况进行统计。

2.2华东地区气溶胶垂直分布特征

2.2.1散射系数的垂直分布

根据前人研究可知[17，19]，后向散射系数值小于8×10-4km-1·sr-1为空气分子，8×10-4～4.5×10-4km-1·sr-1为气溶胶颗粒，大于4.5×10-4km-1·sr-1为云粒子，统计2010年12月—2011年11月532nm总消光后向散射系数垂直分布（表1）可以看出，随着高度的增加，气溶胶散射系数的频率逐渐降低，在低层（0～2km）为26.8%，为各高度最大，而在8～10km气溶胶散射系数所占频率最低为10.1%，说明低层大气（0～2km）的气溶胶含量最多，散射作用最强，随着高度的增加气溶胶的含量逐渐减少。

图3给出了532nm总消光后向散射系数频率随散射系数和高度的变化。

高度0～10km内532nm总消光后向散射系数出现的频率随着散射系数的增大而减小，0～2×10-4km-1·sr-1范围内的散射系数频率最高，达到43.6%，说明空气分子在整个大气层中所占比例最高。

不同高度范围532nm总消光后向散射系数分布频率如图3b所示。

大于12×10-4km-1·sr-1范围内散射系数频率基本都随着高度的增加而降低。

0～2km高度层内散射系数频率随着总消光后向散射系数的增加而增大。

2～8km大气层的散射系数频率在该范围内随着后向散射系数的增加而减小。

说明散射能力越强的粒子在低层大气中所占比例越多。

可见，随着高度的增加华东地区大气中气溶胶的散射能力减弱，该结果与表1所展示的结果类似，这主要是由于受本地排放和大气扩散条件的影响，使近地面气溶胶粒子增多，导致低层（0～2km）大气的散射能力增强[17]。

2.2.2体积退偏比的垂直分布

体积退偏比是区别规则粒子（球形或近似球形气溶胶）和不规则粒子（非球形气溶胶）的指标。

高度0～10km内体积退偏比的出现频率随体积退偏比的增大而减小（图4a），且体积退偏比范围为0～0.02时频率最高，达到38.4%。

此外，由不同高度层体积退偏比的频率分布（图4b）可知，体积退偏比值在0～0.56范围内时，0～2km高度层的频率最高，而大于0.56时，体积退偏比在6～8km高度层频率最高，8～10km高度层的体积退偏比频率在各范围内均为最低。

可见，华东地区0～2km大气层内规则粒子相对较多，6～8km大气层内不规则粒子最多。

这主要是由于低层大气过程复杂，相对湿度较高，气溶胶从排放经过不断吸湿老化，一些气溶胶会由原来的不规则几何体转变为近似球体，因此低层大气内规则性粒子较多[30]。

2.2.3色比的垂直分布

色比能反映粒子的大小，图5a统计了0～10km高度层内色比的频率分布，可以看出色比整体变化波动较小，在0～2的范围内随着色比的增大频率呈现出先增高后下降的趋势。

图5b给出了不同高度色比频率分布，除了8～10km高度层，各高度层的色比频率变化幅度均较小，且在0～8km高度层内，随着高度的增加色比频率减小，0～2km大气层色比频率明显高于其他大气层。

可见，华东地区低层（0～2km）大气内各粒径粒子都是最多的。

值得注意的是8～10km大气层色比频率变化幅度相对较大，最大值出现在色比值为1.16，表明该层大气内较大的粒径粒子相对较多。

2.3华东地区气溶胶垂直分布的季节特征

将所筛选的CALIPSO数据按照春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）和冬（12—2月）4个季节进行分类，其中春季15个数据，夏季12个数据，秋季13个数据，冬季13个数据。

表2、表3和表4分别列出了粒子后向散射系数、体积退偏比和色比的季节频率分布。

由表2看出，0～10×10-4km-1·sr-1范围内的β532值在各个季节累积频率都是最高的，说明空气分子在各个季节所占比例都是最高的（表2）。

10×10-4～50×10-4km-1·sr-1范围内的散射系数在夏季累积频率最大，为28.0%，其次是春季，为26.8%，秋冬季累积频率都小于26%，即华东地区夏季气溶胶散射最强，其次是春季，秋冬季的较弱。

0～0.2区间的VDR，春秋季累积频率相比冬季和夏季较小，秋季累积频率最小，但四季的VDR在该范围内的累积频率都超过了70%（表3），表明虽然四季均以规则性粒子为主，但相比于夏季和冬季，春秋两个季节规则性粒子较少，不规则性粒子较多。

0～0.6范围内的CR，在冬季累积频率最大，为44.1%，其次分别是夏季、秋季和春季，且这3个季节累积频率相差不大，大约为41.0%。

总结上述统计可以得到，华东地区大气春季不规则、大粒径粒子所占比例与其他季节相比较大，主要是由于春季我国北方频繁发生沙尘天气，华东地区在春季受到沙尘远程输送的影响。

夏季较规则、小粒径的粒子较多，主要归因于在夏季风和降水的影响[31]下，较大的相对湿度和较高的温度使得光化学反应能够产生更多的二次气溶胶，在高相对湿度下吸湿后变得规则[32-34]。

秋季不规则、较大粒径的粒子较多，而冬季规则、小粒径粒子所占比例相对较大。

为了进一步分析β532、VDR和CR随季节和高度的变化，图6给出2010年12月—2011年11月间不同高度层β532、VDR和CR的月平均值。

各高度层的β532值分布范围为5×10-4～20×10-4km-1·sr-1（图6a），并基本随高度升高而降低。

0～2km高度层β532值在春夏两季波动不大，进入秋季开始逐渐增大，并在12月达到最高值22.2×10-4km-1·sr-1，说明该高度层在冬季气溶胶散射能力最强，考虑到边界层影响，据文献记载华东地区冬季边界层高度最低[33]，污染物在边界层内的累积导致了散射系数的高值。

2km以上大气β532值均小于15×10-4km-1·sr-1。

其中2～4km高度层内，β532最高值出现在春季4月，随后逐渐降低，并在秋季其值达到最低。

根据文献[36]可知，这是由于在春季有大量沙尘粒子侵入到华东地区的大气边界层，沙尘粒子吸收入射的太阳辐射和地面的红外热辐射而使得近地层大气增温，有效地促进垂直对流运动，加速了沙尘粒子垂直向上的输送，从而造成了2～4km高度层内β532在4月的较大值。

其他3个高度层随季节的变化不明显，且后向散射值都较小，在10×10-4km-1·sr-1以下，并且高度越高气溶胶粒子越少。

图6b为不同高度VDR的逐月变化，VDR主要分布在0.05～0.2范围内。

从时间变化上看0～2km大气层内VDR值在4月和9月较大，说明该层大气在春秋两季不规则粒子较多。

在2～4km大气层中，VDR值在春季最大，随后逐渐降低，在冬季达到最小，表明该层大气在春季不规则粒子最多，冬季最少。

而4～8km大气层的VDR值则在6—7月出现最高值，说明此高度层大气在夏季不规则粒子最多。

而8～10km高度层的VDR值在各个季节都是最小的，说明该高度层中主要以规则性粒子为主。

春夏两季VDR的波动较为平缓，秋季较高，随后降低，在冬季达到最低值，即该高度层在秋季不规则粒子最多，冬季最少。

图6c给出了不同高度CR的时间变化序列，可以看出色比值整体变化波动较小，主要分布在0.75～0.9范围内。

在0～2km高度层内，CR值在4月和9月较高，而和VDR高值时间相呼应，说明在春秋季节华东地区0～2km高度层中不规则大粒径较多。

在2～4km高度层内，春季色比值较大，随后其值逐渐降低，并在冬季达到最小值。

而在0～4km大气层中VDR的高值也出现春季3月和4月，这也综合说明在春季0～4km大气层中不规则大粒径粒子较多，同时也证明了沙尘的输送对该高度层大气的影响较大。

邓学良等[31]利用MODIS气溶胶产品对华东区域气溶胶光学厚度和尺度分布特征进行分析，发现春季由于沙尘输送的影响，整个华东区域气溶胶粒子的尺度都比较大，这与本文结果一致。

在4～8km内，CR值在春季有增大的趋势，最大值出现在3月，从夏季到冬季CR值变化较为平缓，在冬季CR值相对较小，表明该层大气在冬季大粒径粒子最少。

值得注意的是，8～10km高度层内CR值均高于其他3个高度层，结合2.2.1可知，由于该高度层粒子总数较少，而较少的大粒径粒子也能导致较大的色比，这也与2.2.3中得出的结论相一致。

此外，在此高度层内秋季色比值略高于其他季节，冬季最低，与VDR高值相对应，说明该高度层内，秋季不规则、大粒径粒子相对较多，冬季规则、小粒径粒子相对较多。

总体而言，由于CALIPSO数据完整性的局限，且由于云遮盖及下垫面反照率等因素所导致的不确定性，2011年的数据并不能代表长时间华东地区气溶胶垂直分布特征的总体状况，但CALIPSO数据的应用和统计方法在研究区域污染事件中起到了重要作用[37]。

3结论

（1）通过统计分析总消光后向散射系数、体积退偏比和色比的变化得到：

随着高度的增加华东地区大气的散射能力减弱。

受本地排放和大气扩散条件的影响，近地面气溶胶粒子增多，0～2km大气散射能力增强，该高度层内规则粒子相对较多，各粒径粒子比例都为最多；2～8km范围内各高度层的大气散射能力较接近，其中6～8km大气层内不规则粒子相对最多；8～10km大气散射能力最弱，但该层大气层内相对较大粒径粒子比例较大。

（2）受春季沙尘天气的影响，该季节不规则、大粒径粒子所占比例与其他季节相比较大；夏季较规则、小粒径的粒子较多；秋季不规则、较大粒径的粒子较多；冬季规则、小粒径粒子所占比例相对较大。

（3）对不同高度β532、VDR和CR随季节变化的研究表明：

4km以下大气受春季沙尘输送的影响，不规则大粒径粒子较多；4～8km大气层所含气溶胶粒子较少，大气散射能力随季节变化不明显；而8～10km大气层中粒子总数最少，但是大粒径粒子所占比例较高导致色比较大，该高度层在秋季不规则、大粒径粒子相对较多，冬季规则、小粒径粒子相对较多。

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