李卿

摘要 基于激光雷达Calipso的监測数据，从散射力、尺度和规则性等方面分析汾渭平原气溶胶垂直分布。结果表明，从2009年10月到2019年10月，在532nm波长处的总消光反向散射系数的垂直分布表明，随着海拔的升高，气溶胶的气溶胶散射系数逐渐降低，在距离0～2km的大气中，相对规则的粒子相对较多，而在距离6～8km的大气中，大多为最不规则的粒子。色比可以反映颗粒的尺寸。从0-10km高度层中色比的频率分布可以看出，颜色比率的总体变化很小。

关键词 激光雷达Calipso;气溶胶;垂直分布;卫星数据探测;汾渭平原

中图分类号：P405

文獻标识码：A

文章编号：2095-3305（2021）02-146-02

Calipso是NASA和CNES太阳轨道地球侦察卫星。Calipso能探测到的信号强度跨度达到6个量级，覆盖地面以上30～35km的无气溶胶情况下散射的信号。卫星飞行的Calipso采用了偏振技术，实现了全球覆盖。它是时间上首个应用型的星载云和气溶胶激光雷达，并具有3个通道（1064mm、532mm垂直及平行通道）以便接受这些通道的后向散射信号。Calipso还提供532nm体积退偏比的垂直廓线，其为该光波段垂直后和平信后向的散射强度比值。一般比值越大则被测颗粒越不规则;比值越小，则更越规则。Calipso还提供了色比值，颜色比是1064nm的后向散射强度与532mm总后向散射强度之比。通过颜色比能够识别颗粒的大小。颜色比越大，颗粒越大。

大气气溶胶是悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与气体载体组成的多相体系。大气的许多现象和过程都和它密切相关，如大气能见度、云雾形成、臭氧光化学反应、辐射传输等。它对环境与气候变化研究、空间对地遥感的大气订正等都具有重要意义大气中的气溶胶粒子是由自然过程和人为活动两部分所造成的。自然过程形成的气溶胶包括火山和宇宙尘埃、海水飞沫、花粉与种子、沙尘粒子、岩石风化等;人为气溶胶是由人类生产生活和社会活动等直接排放到大气中的各种微粒，或者排放的污染气体（或称气溶胶前体物）在大气中经过一系列物理化学过程转化形成的。在中部，汾渭盆地北部河流一路沿黄土高原向北侵蚀，至120万年前便与河套盆地相连，今日划分陕西、山西两省的晋陕黄河由此现身。近年来由于经济社会的迅速发展，再加上汽车尾气排放、化石燃料燃烧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。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

采用汾渭平原2009年10月到2019年10月期间Calipso卫星收集的数据资料进行分析。大气化学中利用MODIS、Calipso等数据反演气溶胶，后向散射信号的正交极化分量，其中仪器定标好，能够为反演精度提供有效保证。具体公式如下。

式中，T2（z）表示双向大气透过率。

2结果

2.1汾渭平原气溶胶总体变化趋势利用Calipso可以研究环境监测、追踪污染物的传输路径;可以在全球识别气溶胶类型，为评估区域及全球气候变化提供观测依据;还可以开展极地平流层的识别，为极地气候及环境变化提供有力的科学依据。开展全球海表风速的预估，为海洋安全作业提供潜在的指导全球海表风速的预估;可以进行全球海洋叶绿素变化检测，研究云和气溶胶的相互作用。本研究利用Calipso技术，能够准确识别云-气溶胶的混合类型，分析汾渭平原气溶胶垂直分布特征。轨道为太阳同步轨道，轨道高705km，倾角为98.05°，升交点地方时为13：30本文使用550mm范围内的MODIS3级网格数据产品（MOD08，版本COS1）AOD（海洋（最佳）和陆地（校正后：平均）的0.551气溶胶光学深度）以及来自2009-2014从MODISL3水平的月平均值获得的一系列溶胶（AOT）光学厚度的年平均值。可以看出，汾渭平原从2009年10月到2019年10月的AOD值，呈现先上升后下降的趋势，在2011年达到最大值。

2.2汾渭平原气溶胶垂直分布特征

2.2.1散射系数的垂直分布随着海拔的升高，气溶胶的气溶胶散射系数逐渐减小，而在下层（0～2km）为最高海拔26.8%，8～10km处的气溶胶散射系数最低频率为10.1%，表明低层大气（0～2km）的气溶胶含量最高，散射效应最高。

从各高度内532m总消光后向散射系数频率分布来看，在24km，0-86、8%～45%和45%～100%的值分别为20.6，24.2，2.8;在46km，08%、8%459%6和459%～10096的值分别为23.2，20.6，13.5;在68km，08%6、8%～45%和45%～100%的值分别为23.8、18.3、115：在8～10km，0-8%6、8%45%和45%1009%的值分别为153、0.1、4.6。

2.2.2气溶胶体积退偏比垂直分布体积退偏比是用于区分规则形状的颗粒（球形或近似球形的气溶胶）和不规则形状的颗粒（非球形气溶胶）的量度。在距离02km的大气中，规则颗粒相对较多，而在距离68km的大气中，多为最不规则的颗粒，这主要是由于在较低的大气层和较高的相对湿度下的复杂过程。由于排放物，气溶胶将继续吸收水，并进行形态变化，一些气溶胶会将原始的不规则几何形状更改为更接近球体的形状，因此，在较低的大气层中将有更多一般分布的粒子。

2.2.3色比的垂直分布色比可以反映颗粒的尺寸。在0～10km高度层中，由颜色比率的频率分布可以看出，可以看出，色比的总体变化很小。在0～2km的范围内，频率随着色比的增加而出现，存在先升高后降低的趋势。除了高度为8～10km的层外，每个高度层的色比的频率变化范围较小，在高度为0-8km的层中，随着色比的增加，频率降低，并且色彩比为02km的频率比其他大气中的频率高得多。由此可以看出，在汾渭平原的下层（0-2km），各种尺寸的颗粒最大。大气的色比在8～10km变化很大，当色比为1.16时出现最大值，这表明大气中有相对较大的直径的粒子。

2.3汾渭平原气溶胶垂直分布的季节特征

所选的Calipso数据分为4个季节：春季（3～5月），夏季（6～8月），秋季9～11月）和冬季（12～2月），其中15个数据是春季。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，体积去极化系数和色比的季节性频率分布。在每个季节中，B532值在0～10）×10+km范围内具有最高的累积频率，表明每个季节中空气分子的比例最高。散射系数在10x1050×10-4km'sr2范围内时，夏季的累积频率最高，为28.0%，其次是春季的26.8%，秋季的累积频率，而冬季则少于26%综上，汾渭平原在夏季的气溶胶扩散最强，其次是春季，而在秋季和冬季则较少。春季和秋季的累积VDR频率在0-0.，2范围内比冬季和夏季的低，而秋季的累积频率最低。但是，在这4个季节范围内的累积VDR频率超过70%，这表明尽管所有4个季节都是常规粒子，但与夏季和冬季相比，常规粒子较少，而在春季和秋季則较少。在00.6范围内，CR的冬季累积频率最高，为44.1%，其次是夏季、秋季和春季，这3个季节的累积频率相差不大，为41.0%。

3讨论

利用激光雷达技术Calipso的监测数据并汇总以上统计数据，可以发现，汾渭平原大气的散射能力会随着高度的增加而降低。春季，汾渭平原大气中形状不规则且大颗粒的比例高于其他季节，这主要是由于春季我国北部频繁发生沙尘。由于春季沙尘的远距离运输，夏季时的颗粒更规则、更细，这主要是由于在夏季风和降水的影响下，较高的相对湿度和较高的温度使光化学反应产生更多的次级气溶胶。在秋季，不规则和较大的颗粒较多。而在冬季，规则和较小的颗粒的比例相对较高。

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责任编辑：黄艳飞