唐志伟,许潇锋,杨晓玥,吴 浩,谢丽凤

基于卫星资料的华东地区气溶胶三维分布特征研究

唐志伟,许潇锋*,杨晓玥,吴 浩,谢丽凤

(南京信息工程大学大气物理学院,江苏 南京 210044)

利用MODIS和CALIPSO level2气溶胶产品,通过统计分析多个气溶胶光学参数(光学厚度、消光系数、色比和退偏振比)的时空分布及其变化,得出2007~2016年华东地区(27°N~37°N,113°E~123°E)气溶胶三维分布特征.结果表明,华东地区气溶胶光学厚度(AOD)年平均呈现出北高南低,平原高、山地低的分布特征.AOD季节分布表现为春夏高,秋冬低,夏季最高,冬季最低,且研究区域北部(31°N以北)AOD季节变化比南部地区剧烈.气溶胶消光系数(σ)随高度呈指数衰减,秋冬(春夏)低层σ较大(小)但随高度衰减较快(慢),2km以下北高南低.年平均色比(CR)随高度递增,变化范围为0.6~0.7,随时间有减小趋势.CR季节特征为4km以下春季最大,夏季最小且均一;4km以上冬季最大,夏季最小.年平均退偏振比(PDR)随高度递增,变化范围为0.1~0.25,北部较大.PDR季节特征为5km以下春季最大,夏季最小;5km以上冬季最大,夏季最小.从气溶胶组成来看,华东地区2km以下以污染沙尘为主;2~5km春季以沙尘为主,其它季节以烟尘为主;5km以上冬春以沙尘为主,夏秋以烟尘为主.

气溶胶；光学厚度；消光系数；色比；退偏振比

大气气溶胶是造成雾霾、酸雨等大气污染问题的主要原因之一[1],对人体健康和人类生产生活有很大影响.此外,气溶胶的直接和间接辐射强迫对地气系统的辐射收支平衡具有重要影响,其空间分布的差异性增强了气候变化的不确定性.因此,研究气溶胶的时空分布特征具有重要意义.

目前,研究大范围气溶胶分布特征主要采用卫星遥感资料,其中尤以MODIS气溶胶产品应用最广泛.MODIS气溶胶产品的适用性在世界范围内都获得了较好的验证[2~4].利用MODIS气溶胶产品,很多学者在中国东部平原[5]、西北沙漠[6]以及四川盆地[7]等地区开展了研究.然而,MODIS只能给出整层的气溶胶光学厚度,无法直接获取气溶胶的垂直分布.众所周知,气溶胶垂直分布的差异可导致辐射强迫空间分布的不同[8].CALIPSO的星载激光雷达(CALIOP)资料可以直接反演气溶胶散射系数的垂直分布,进而获取多个气溶胶参数的垂直特征[9].因此,越来越多的学者开始利用CALIPSO产品分析气溶胶的垂直特征[10-12].我国的一些学者也利用CALIPSO开展了中国多个区域的气溶胶垂直分布研究,许潇锋等[14]利用CALIPSO资料分析了华北地区一次霾过程中气溶胶垂直分布情况,发现本地烟尘和远距离输送的沙尘相混合形成的污染沙尘是本次霾过程的主要气溶胶类型.刘璇等[15]利用CALIPSO资料研究华东地区气溶胶的垂直分布特征发现该地区春季受到沙尘天气影响,不规则大粒子增多,可见中国东部地区存在沙尘气溶胶粒子的输送.Huang等[13]综合CALIPSO和地面激光雷达观测了塔克拉玛干和戈壁沙漠沙尘传输的垂直结构,发现在华东地区上空8~10km存在明显沙尘层,这与后向轨迹模式得到的塔克拉玛干和戈壁沙尘传输轨迹一致,该层与沙尘源地形成了双层传输结构,造成中国东部地区沙尘的输送.Guo等[16]结合MODIS和CALIPSO卫星产品得到中国地区气溶胶的三维分布情况,发现气溶胶分布受地理特征影响,垂直方向上气溶胶存在高值层,在高值层以上随高度增加不断减小.由此可见,综合利用MODIS和CALIPSO的气溶胶产品,有助于更深入的获取气溶胶的三维时空分布特征,进而有利于减小气溶胶辐射和气候效应研究中的不确定性.

华东地区是我国经济发展最快、人类活动最活跃的区域之一.近年来,随着经济的高速发展,华东地区的雾霾事件有不断增加的趋势[17].为了揭示该区域的气溶胶特征,很多学者从气溶胶光学厚度[18]、PM2.5浓度[19,43-44]、气溶胶化学组分[20]以及气溶胶垂直分布[21]等多个角度开展了相关研究.以上研究多个方面揭示了华东区域气溶胶的特征及其变化.但是,针对该区域气溶胶的三维分布研究,尤其是长期变化特征研究,还相对不足.因此,本文利用2007~2016年的MODIS和CALIPSO的气溶胶产品,综合分析了华东地区近10a的气溶胶三维时空变化特征,以期为更深入理解该地区气溶胶的辐射和气候特征提供帮助.

1 数据与方法

本文的研究区域为中国华东地区(27°N~37°N, 113°E~123°E),如图1所示.所用资料为2007~2016年MODIS/Terra 3km气溶胶光学厚度(AOD)产品和CALIPSO level2气溶胶廓线和VFM产品,并依据华东地区的气候特征,定义3~5月为春季(MAM),6~8月为夏季(JJA),9~11月为秋季(SON),12~次年2月为冬季(DJF).MODIS的AOD产品在中国地区已经得到广泛验证[22]和应用[23],为了获得均一的分辨率,本文首先将MODIS 3km数据插值到0.03°×0.03°的网格上,然后对格点数据进行统计平均,得到AOD月平均值,进而计算其年和季节平均.选取2007~2016年CALIPSO level2的532和1064nm气溶胶廓线产品,统计分析了气溶胶消光系数、退偏振比和色比的垂直分布特征.色比(CR)为1064和532nm后向散射系数的比值(式1),表征粒子粒径大小,通常色比越大,粒径越大.退偏振比(PDR)为532nm后向散射系数的垂直分量与水平分量之比(式2),表征粒子球形度,通常退偏振比越小,粒子越接近球形.