湖泊上空氣溶膠厚度及特點

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大氣氣溶膠是指由自然或人為活動排放的，懸浮在大氣中固態(tài)的和液態(tài)的，具有穩(wěn)定性、沉降性、尺度范圍在0.001～100μm之間的顆粒［1］．受周圍環(huán)境、排放源以及本身性質(zhì)等多種因素的影響，無論是在組成成分、尺度譜分布還是在時空分布上，氣溶膠的變化都很大．氣溶膠的時空不確定性是影響遙感影像大氣校正精度的重要原因［2］，獲取不了較為真實的氣溶膠輻射信息，很難從根本上提高大氣校正的精度，準(zhǔn)確的氣溶膠時空變化參數(shù)成為湖泊水色遙感大氣校正精度提高的關(guān)鍵［3］．氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)與ngstrm參數(shù)(波長指數(shù)α)是描述大氣氣溶膠光學(xué)特性的最基本的參數(shù);其中，AOT是影響大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的一個重要因素［4］，是計算大氣中氣溶膠含量、研究氣溶膠氣候效應(yīng)以及遙感影像大氣校正的關(guān)鍵參數(shù)［5，6］;ngstrm波長指數(shù)α是氣溶膠光譜屬性的第一級指標(biāo)，是判斷氣溶膠類型的重要依據(jù)［7］．系統(tǒng)地研究大氣氣溶膠，較為精確的方法就是利用地基遙感的觀測手段，而地基遙感觀測手段常用的儀器是全自動太陽光度計(CE-318)．NASA在全球布設(shè)的由數(shù)百個站點組成的用于監(jiān)測全球氣溶膠的AERONET氣溶膠觀測網(wǎng)絡(luò)，采用的就是該設(shè)備［8］．目前，通過該儀器獲得的點上高精度的測量數(shù)據(jù)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于AOT遙感反演［9］和精度驗證中［10］．

太湖是我國第三大淡水湖泊，位于我國經(jīng)濟發(fā)展最具活力的長三角地區(qū)，屬于典型的亞熱帶東南季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨．近30年來由于該地區(qū)經(jīng)濟持續(xù)快速的增長導(dǎo)致環(huán)境問題顯著，諸如空氣質(zhì)量下降［11］、大氣水平能見度降低［12］．近年來已有不少學(xué)者對該地區(qū)的氣溶膠進行研究，主要集中在氣溶膠粒子譜分布［13］、衛(wèi)星遙感反演AOT的驗證［10，14］、AOT時空分布［6，14，15］、氣溶膠對太陽輻射影響［6］等4個方面．雖然從NASA的MODIS氣溶膠產(chǎn)品能夠直觀地表明長三角地區(qū)上空有高濃度的氣溶膠存在［16］，但由于其較低的空間分辨率以及難以實時的監(jiān)測，使得該產(chǎn)品不適用于太湖水色遙感大氣校正的研究．太湖站點作為AERONET全球觀測站點之一，積累了太湖地區(qū)寶貴的實測數(shù)據(jù)，近年來有學(xué)者利用AERONET資料對太湖的氣溶膠較短時間序列變化規(guī)律進行研究［6，10，14，17，18］，但一般為1a;為了揭示太湖上空氣溶膠變化規(guī)律，獲取更為精確的氣溶膠參數(shù)信息，多年長時間序列的地基觀測及其研究分析顯得十分必要．本研究基于AERONET太湖站點CE-3182005年9月～2010年10月的level1.5數(shù)據(jù)，通過①反演AOT和ngstrm參數(shù);②揭示太湖上空AOT和ngstrm參數(shù)長時間序列的變化規(guī)律;③探討AOT和ngstrm參數(shù)的頻率分布;④分析AOT與ngstrm參數(shù)的關(guān)系;以期為太湖水色遙感大氣校正提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)．

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)獲取

CE-318觀測站點位于太湖北部的中國科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)野外觀測研究站內(nèi)(31°25''''15″N，120°12''''55″E)，緊鄰太湖(圖1)，海拔約10m，周圍無建筑物阻擋、空氣流通順暢、視野開闊．本研究所使用的數(shù)據(jù):2005年9月～2009年10月level1.5數(shù)據(jù)來自CE-318-A，從AERONET網(wǎng)站直接獲取;2009年11月～2010年10月level1.5數(shù)據(jù)，通過對CE-318-Blevel1.0數(shù)據(jù)自行處理獲得．CE-318-A和CE-318-B分別于2005年9月和2009年11月安裝在中國科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)野外觀測研究站內(nèi)(圖1)，相距約15m，該儀器以1.5°的視場角每3min獲取340、380、440、500、670、870、936、1020和1640nm通道的太陽直射光譜輻射測量值［6］，其中936nm通道的測量值用來獲取大氣中總的水汽含量，其余通道的測量值用來反演AOT，反演誤差在0.01～0.02左右［19］．CE-318-A每年由NASA定標(biāo)1次;CE-318-B購買于2009年10月，按照生產(chǎn)廠家的建議在持續(xù)觀測的1a中儀器不需要進行額外定標(biāo)，在安裝及運行過程中，該儀器均為正常狀態(tài)．因此在數(shù)據(jù)處理的過程中使用了儀器出廠時的定標(biāo)數(shù)據(jù)．

1.2數(shù)據(jù)處理

根據(jù)Smironov等［20］的理論，使用ASTPwin軟件的AOT計算模塊，對CE-318-B從2009年11月～2010年10月總計15730次觀測獲取的實測數(shù)據(jù)進行處理，得到了各通道共計185dlevel1.5的AOT數(shù)據(jù)，每月有記錄的天數(shù)見圖2．根據(jù)Che等［21］的研究，從ASTPwin軟件計算得到的AOT值比AERONET的AOT稍大，但差距較小(約0.01)，因此近似認為兩者一致．通常，我國東部地區(qū)近地層氣溶膠譜服從Junge分布［13］，假設(shè)氣溶膠復(fù)折射系數(shù)與波長無關(guān)，氣溶膠光學(xué)厚度τa(λ)與波長λ的關(guān)系滿足公式:（略）

2結(jié)果與討論

2.1AOT(500nm)、ngstrm參數(shù)的月變化

將CE-318-A(2005年9月～2009年10月)和CE-318-B(2009年11月～2010年10月)的AOT(500nm)和ngstrm參數(shù)α值作日平均處理以代表該天的情況，然后再利用這些日均值作月平均，得到如表1所示的AOT(500nm)和ngstrm參數(shù)α的月變化以及每月的觀測天數(shù)情況．從表1得知，2～4月和5～6月AOT(500nm)值逐漸增加，7～8月AOT有不同程度的降低;9～11月AOT值較低，而且較為穩(wěn)定;12月～次年1月，AOT處于最低值區(qū)．其中AOT(500nm)最大最小值分別為6月的1.29±0.73和12月的0.70±0.40．另外綜合5a的觀測資料發(fā)現(xiàn)，AOT的高值區(qū)出現(xiàn)在6、7月，低值區(qū)出現(xiàn)在秋冬季節(jié)的10月～次年1月．

太湖上空AOT這種變化主要與該地區(qū)的天氣形勢有關(guān)．3～4月太湖地區(qū)正值春季，受北方頻發(fā)的沙塵天氣的影響，致使AOT(500nm)增大［18］;5～6月太湖地區(qū)進入夏季，空氣相對濕度增大，吸濕性的氣溶膠粒子吸收空氣中的水分后體積膨脹［23］;大氣中水溶性氣溶膠粒子增加［24］，使得AOT(500nm)值在5～6月持續(xù)升高;夏季光照強烈，光化學(xué)反應(yīng)也會增加大氣中氣溶膠的含量［25］;另外6月初太湖周邊農(nóng)作物秸稈的燃燒釋放大量的煙塵顆粒，導(dǎo)致6月的AOT(500nm)達到全年的最大值;7～8月，AOT(500nm)值有不同程度的降低，與該地區(qū)頻發(fā)的強降雨對大氣中氣溶膠粒子清除作用有關(guān)［1，25］;9～11月，太湖地區(qū)進入秋季，降雨量減少，多為晴好天氣，AOT(500nm)值低而且較為穩(wěn)定;12～1月，冬季發(fā)生的降雨和降雪對氣溶膠粒子有一定的濕清除作用，使得該時間段的AOT處于最低值區(qū)．從表1得知，6、7、8月這3個月的AOT的標(biāo)準(zhǔn)偏差均高于其他月份的，表明夏季劇烈變化的天氣會引起AOT發(fā)生巨大的變化，同時也導(dǎo)致了7月的觀測天數(shù)明顯少于其他月份．另外，綜合5a的觀測資料，12個月的AOT(500nm)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均超過各自的一半，表明太湖上空的AOT隨時間變化很大．

從α值分布來看(表1)，除了處于四季交替的月份如3、5、9、11月的α值變化較大以外，其余分布于12～2月、3～4月、6～8月、9～11月這4個時期的α值雖然大小不一致，但變化不大;其中，α的最大最小值則分別為9、10月的1.33和4月的1.0．另外從5a的觀測資料發(fā)現(xiàn)，α的低值區(qū)和高值區(qū)分別出現(xiàn)在3～4月和9～11月．其中，3～4月，α值達到全年的最小值，由于受北方沙塵天氣影響，此時太湖上空所包含的大顆粒的氣溶膠粒子高于其他月份的;5～8月，太湖地區(qū)降雨量逐漸增多，降雨對大顆粒的氣溶膠粒子的清除作用，α略微增加;但與此同時，隨著相對濕度的增加，大氣中水溶性的細粒子增加［24］，導(dǎo)致該階段AOT仍然偏高;另外受到季風(fēng)氣候影響，從海洋上空帶來的大量的細粒子氣溶膠［25］，以及本地區(qū)大量生物質(zhì)燃料燃燒等影響［26］，使得太湖上空的細粒子氣溶膠增加，致使α值持續(xù)增加．9～11月，太湖地區(qū)進入秋季，出現(xiàn)大風(fēng)天氣的概率較低，多為晴好天氣，使得α的值明顯偏高，而且值較為穩(wěn)定．12月～次年1月，北方冷空氣活動頻繁，南下的過程中常伴有的大風(fēng)天氣使得干燥地面的塵土粒子大氣中［25］，致使α的值降低．

2.2AOT(500nm)、ngstrm參數(shù)季節(jié)變化

按照北半球平均氣溫將太湖地區(qū)的四季做如下劃分:11月下旬至次年2月底為冬季、3月上旬至5月中旬為春季、5月底至9月上旬為夏季、9月中旬至11月中旬為秋季．將CE-318-A(2005年9月～2009年10月)和CE-318-B(2009年11月～2010年10月)的AOT(500nm)和ngstrm參數(shù)α值作日平均處理以代表該天的情況，然后再利用這些日均值作季節(jié)平均，從而得到如表2所示的2005～2010年AOT(500nm)和ngstrm參數(shù)α的季節(jié)變化．從5a的觀測資料中得知，夏季的AOT(500nm)達到全年的最大值，這與和Zhang等［25］和Guo等［27］的研究結(jié)果一致;最小值基本出現(xiàn)在秋冬季節(jié)．5a的觀測資料中還顯示春季太湖的AOT(500nm)值均在0.77以上，大于我國東海海域春季的AOT(約0.50)［28］，表明除了沙塵天氣的影響之外，生物質(zhì)燃燒，周圍城市大氣污染物的排放等，也會使太湖上空的AOT增大［18］．四季中AOT(500nm)的標(biāo)準(zhǔn)差較大，除2005～2006年春季情況以外，其余均超過各自平均值的50%，表明四季中AOT(500nm)值變化幅度較大;另外綜合5a的觀測資料顯示，四季的AOT(500nm)均超過0.5，表明太湖地區(qū)的大氣較為渾濁．α的最小值均出現(xiàn)在春季，最大值基本出現(xiàn)在秋季．表明春季太湖上空大顆粒的氣溶膠粒子最多，秋季太湖上空的氣溶膠粒子主要以小顆粒為主、大氣較為清潔．另外表2還顯示，春季α的標(biāo)準(zhǔn)偏差均大于其他3個季節(jié)的，表明春季太湖上空氣溶膠粒子的粒徑變化幅度較大．

2.3AOT(500nm)和ngstrm參數(shù)的頻率分布

2005年9月～2010年10月AOT(500nm)和ngstrm參數(shù)α日均值的頻率分布(圖3)表明，AOT(500nm)只有1個峰值，α有2個峰值．如圖3(a)所示，在5a的觀測中AOT(500nm)出現(xiàn)的最高頻率值在0.4～0.6之間，約占26%，在0.6～1.8區(qū)間，AOT頻率遞減，但趨勢較緩，落在較大值區(qū)間(AOT＞0.8)的AOT占總樣本約42%，在極端高值區(qū)間(AOT＞1.8)的AOT約占總樣本的5%［圖3(a)］．AOT(500nm)5a的平均值為0.80，是最小值(0.10)的約7倍，與中國其他觀測點相比，大于浙江臨安地區(qū)的0.61［29］，香河觀測站的0.77［30］，小于四川鹽亭觀測站的0.90［15］，表明太湖上空的AOT值較大．根據(jù)Beer-Bouguer-Lambert定理［31］計算不同AOT下的透過率可知，在太湖地區(qū)目前的平均AOT(500nm)情況下，氣溶膠造成的太陽直射輻射的透過率衰減為50%以上，致使該區(qū)域的大氣透明度差、空氣較為混濁，并可引起嚴重的霧霾天氣，這可能與該地區(qū)發(fā)達的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)釋放較多的氣溶膠有關(guān)［10］;另外由于該站點緊靠太湖，而據(jù)Zhang等［25］的研究，AOT主要取決于研究區(qū)域的相對濕度，因此太湖湖面釋放的大量水汽對該地區(qū)AOT的影響也不能忽視．如圖3(b)所示，α在0.5～1.3區(qū)間的頻率遞增，最高頻率區(qū)間為1.1～1.3和1.3～1.5，分別占總樣本的30%，落在大值區(qū)間1.1～1.7的α值占總樣本的70%左右，綜合5a的觀測資料得知α的年均值為1.17，略大于膠州灣的1.11，與黑龍江三江平原的1.16相當(dāng)，小于西雙版納的1.4［15］，表明太湖上空氣溶膠粒子平均有效半徑較小，屬于城市-工業(yè)型氣溶膠［32］．

2.4AOT(500nm)和ngstrm參數(shù)的關(guān)系

通常選取各觀測時段的AOT(500nm)和α的日均值，得到了AOT(500nm)與α的散點圖(圖4)．從總體趨勢來看兩者呈負相關(guān)關(guān)系．當(dāng)α分布在0～0.3、0.3～0.6、0.6～0.9、0.9～1.2、1.2～1.5、1.5～1.8區(qū)間時，對應(yīng)的AOT(500nm)的均值分別為1.40±0.65、0.84±0.50、0.87±0.50、0.88±0.59、0.80±0.45、0.82±0.41，兩者的相關(guān)性較差，主要與太湖上空存在著不同組分的氣溶膠粒子(例如:細粒子、沙塵粒子等)有關(guān)，從α的日均值變化范圍較大(0.18～1.70)中得到證實，除了受到天氣因素、排放源等因素之外，還與氣溶膠粒子碰撞凝結(jié)有關(guān)［30］．IOCCG的研究報告［33］指出，氣溶膠類型以及組分是影響遙感反演水體反射信號精度的重要因素之一，當(dāng)大氣中含有吸收性氣溶膠(對入射輻射具有較強的吸收作用，主要來源于化石燃料和生物燃料的不完全燃燒［34］)時，將會給遙感反演水體反射信息造成約35%～60%的誤差，因此弄清太湖上空氣溶膠的組分對水色遙感大氣校正精確的提升起到重大作用．雖然依據(jù)α可以判定氣溶膠的類型［9］，但不同類型氣溶膠粒子的AOT值在大小上并不是嚴格區(qū)分的［32，35］;即使是同一類型下的氣溶膠，以生物質(zhì)燃燒釋放的氣溶膠為例(α＞1.5)［35］，其對應(yīng)的AOT的標(biāo)準(zhǔn)偏差為AOT值的一半以上，表明AOT的變化較大，分布在其他區(qū)間內(nèi)α對應(yīng)的AOT值也出現(xiàn)類似的情況，這就給判斷氣溶膠的組分帶來困難．弄清太湖上空各種氣溶膠粒子的組分，除了需要結(jié)合氣溶膠的其他光學(xué)性質(zhì)參數(shù)(如單次散射反照率)之外，還需要采用其他分析手段，如采集各個季節(jié)的大氣樣本，實驗室分析等等，今后將做進一步的研究．

3結(jié)論

(1)AOT(500nm)值在2～4月和5～6月逐漸增加，7～8月有不同程度的降低;9～11月AOT值較低，而且較為穩(wěn)定．其中AOT(500nm)最大最小值分別為6月的1.29±0.73和12月的0.70±0.40;除了處于四季交替的月份如3、5、9、11月的α值變化較大以外，其余時期的α值雖然大小不一，但較為穩(wěn)定;其中，α的最大最小值則分別為9、10月的1.33和4月的1.0．另外，AOT的高值區(qū)出現(xiàn)在6、7月，低值區(qū)出現(xiàn)在10月～次年1月;α的低值區(qū)和高值區(qū)分別出現(xiàn)在3～4月和9～11月．

(2)太湖地區(qū)AOT(500nm)的最大值出現(xiàn)在夏季，最小值基本出現(xiàn)在秋冬季節(jié)．四季中AOT(500nm)的值＞0.5，而且各自的標(biāo)準(zhǔn)差基本超過各自平均值的50%，表明四季中太湖地區(qū)不僅大氣較為渾濁，而且AOT隨時間變化的幅度的較大;α的最小值均出現(xiàn)在春季，最大值基本出現(xiàn)在秋季，表明春季太湖上空大顆粒的氣溶膠粒子較多，秋季太湖上空主要以細粒子為主．太湖上空AOT(500nm)及對應(yīng)的ngstrm參數(shù)α的變化主要與該地區(qū)的天氣形勢有關(guān)．

(3)AOT(500nm)的頻率分布只有一個峰值，最高頻率值為0.4～0.6，約占總樣本的26%，年平均值為0.80;按平均AOT(500nm)計算，氣溶膠造成的太陽直射輻射的透過率衰減至少為50%，致使太湖地區(qū)的大氣較為混濁，可造成嚴重的霧霾天氣;ngstrm波長指數(shù)α的頻率分布有兩個峰值，最高頻率區(qū)間為1.1～1.3和1.3～1.5，分別占總樣本的30%，落在大值區(qū)間1.1～1.7的α值占總樣本的70%左右，綜合5a的觀測資料得知α的年均值為1.17，表明太湖上空氣溶膠粒子平均有效半徑較小，屬于城市-工業(yè)型氣溶膠．

(4)AOT(500nm)的日均值變化范圍很大，最大值約為3.66，是最小值0.13的32倍左右;α的日均值變化范圍較大(0.18～1.70)，表明太湖上空有不同類型的氣溶膠粒子共存(例如:細粒子、沙塵粒子等);從總體趨勢來看AOT(500nm)和α兩者呈負相關(guān)關(guān)系．