沙尘天气期间气溶胶光学特性变化特征

沙尘天气期间气溶胶光学特性变化特征

大气气溶胶粒子可以通过散射、吸收太阳辐射和吸收、发射红外辐射直接影

响地-气系统辐射能收支,对流层气溶胶通过直接辐射强迫和间接辐射强迫强烈地

影响着气候系统。沙尘天气下，大气中气溶胶含量变化较大，能够显著的影响沙

尘区域内的辐射平衡过程，对全球气候和环境有着不可小视的作用。研究沙尘天

气间气溶胶的光学特性变化，对研究气溶胶的辐射影响有重要意义。本文选取来

自兰州大学干旱气候与环境观测站（SACOL）站点Level 2.0的数据，通过对比

沙尘天气间与采暖期和非采暖期的晴天、降水后晴天的日变化数据，分析得出沙

尘天气间气溶胶的光学特性变化，并初步探索其原因，得出以下结果：

（1）采暖期：

在沙尘期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为1.20，Angstrom波长指数峰

值为0.13；在晴天期间，Angstrom波长指数峰值为0.34，气溶胶光学厚度峰值

(676nm)为0.59；在降水后晴天期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59，

Angstrom波长指数峰值为1.14。

（2）非采暖期：

在沙尘天气，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95，Angstrom波长指数峰

值为0.07；在晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.56，Angstrom波长指数峰值

为0.99；在降水后晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.39，Angstrom波长指数

峰值为0.67。

（3）沙尘天气间气溶胶以粗粒子散射为主。

关键词：气溶胶；光学特性；气溶胶光学厚度；Angstrom波长指数；单次散射

反照率

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

大气气溶胶是指悬浮于大气中粒径小于10μm的微粒。虽然气溶胶质量

仅占整个大气质量的十亿分之一,但其对大气辐射传输和水循环均有重要的

第 1 页

影响。除温室气体外,大气气溶胶是造成地球气候变化最重要的大气成分之

【1】

一。大气气溶胶粒子可以通过散射、吸收太阳辐射和吸收、发射红外辐射

【2】

直接影响地-气系统辐射能收支,从而影响区域乃至全球的气候及生态环境;气

溶胶粒子还可作为云的凝结核改变云的光学特性和生命期,间接影响气候,

【1】

还参与臭氧的非均相反应,影响臭氧的收支平衡。对流层气溶胶通过直接

【3】

辐射强迫和间接辐射强迫强烈影响着气候系统,同时,气溶胶颗粒物由于可导

致大气污染,可对人体健康造成极大危害,具有重要的环境效应。因此大气

【4】

气溶胶引起了广泛关注。

沙尘天气是造成生态环境污染的因素之一。我国西北地区每年频繁发

【5】

生沙尘天气，将大量沙尘送入大气并向下游地区传输，对东部地区辐射强迫

及气候效应产生重要影响。同时，沙尘粒子的远距离输送对海洋生态环境和

其他国家居住环境也会产生一定的影响。每年全球输入大气层的气溶胶总

【6】

量为1．0×10—3．0×10 t，其中有8．0×10 t的沙尘气溶胶被输送到大气。

【5】

近年来，沙尘源区和下游地区的气溶胶光学特性逐渐成为研究的热点问题之

一。沙尘天气下，大气中气溶胶含量变化较大，能够显著的影响沙尘区域内

的辐射平衡过程。在沙尘天气中沙尘气溶胶（或称为矿物气溶胶），成为了

对流层气溶胶的主要组成部分，其对全球气候和环境有着不可小视的作用。

研究沙尘天气间气溶胶的光学特性变化，对研究气溶胶的辐射影响有重要意

义。

1.2 国内外相关研究进展

郑玉琦等指出沙尘天气发生期间沙尘源区气溶胶光学厚度明显大于

【5】

下游地区，而Angstrom波长指数小于下游地区，当沙尘暴出现时降至零甚

至负值。周碧等利用2007 年1~ 4月SACOL激光雷达资料，反演了晴空

【7】

无云和沙尘过程时的大气气溶胶消光系数廓线和光学厚度。李成才等利用

【8】

MODIS、AOD和激光雷达得到的气溶胶消光系数垂直分布资料分析了香港

地区的一次大气气溶胶污染过程。史晋森等认为气溶胶光学特性早晚峰

【16】

值的出现主要与人类生产活动有关，早晨07: 00 之后人类活动增加，大气层

还比较稳定，不利于气溶胶扩散; 夜间风速较小，大气垂直运动减弱，有利

于气溶胶在近地面积累。

这些研究大多以全年或季节变化为主。但是对于气溶胶的讨论仍有较大

的不足，从而导致现在我们所使用的模式在精度上有较大出入。本文从不同

天气状况（沙尘天气、晴天、降水后晴天）出发，对比分析气溶胶光学厚度、

第 2 页

Angstrom波长指数、单次散射反照率在不同天气状况下的区别，可以为以后

提高通过模式反演、预测沙尘天气的精度做出一点贡献。

第二章 资料与方法

2.1 资料

2.1.1资料来源

数据来自于美国国家航空宇航局(NASA)组建的全球地基气溶胶观测

网络(AERONET)。观测前后均进行严格标定。通过观测数据反演计算了无云

情况下的大气气溶胶光学特性和粒子的粒径分布，其中光学特性包括大气气

溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、单次散射反照率等重要参数。AERONET

的太阳直接辐射和天空辐亮度测量反演的产品均通过严格的校准、云掩码处

理及敏感性标准判定来控制，使反演结果更精确，作为气溶胶特性的地基测

量真实值。该站提供丰富的气溶胶资料，其反演资料分为三个等级：Level 1.0、

Level 1.5、Level 2.0，分别为未自动云去除、未校准处理，自动云去除、未

校准处理，自动云去除、校准处理后产生的数据。

本文采用2010-2013年沙尘天气及对比天气下兰州大学干旱气候与环

境观测站（SACOL）站点Level 2.0的数据，因为其反演结果更精确，其中

包括气溶胶光学厚度（AOD）。Angstrom波长指数、单次散射反照率（SSA）。

选取2011年04月29日为非采暖期沙尘天气样本，2012年04月24日为采

暖期间沙尘天气样本；选取2011年05月06日为非采暖期晴天样本，2012

年04月25日为采暖期间晴天样本。选取2011年05月04日为非采暖期降

水后晴天样本，2012年04月18日为采暖期间降水后晴天样本（天气情况通

过SACOL气象记录、文献、网络媒体等方式获得）。

SACOL是按国际标准建设的气候观测平台，拥有先进的气候和环境观

测设备和仪器。SACOL位于兰州大学榆中校区海拔1961m的翠英山顶上

（35.946N，104.137E）。采样点下垫面属于典型的黄土高原地貌，塬面梁峁

基本为原生植被。属温带半干旱气候，年平均气温为6.7℃，平均年降雨量

为381.8mm，相对湿度为63%，山顶全年盛行西北风和东南风。

2.1.2研究区域

榆中县境内的地势南高北低，中部凹，呈马鞍形。南部为石质高寒山区，

第 3 页

马寒山最高峰海拔3670.3m。北部为黄土丘陵区，最高峰吕家岘海拔2495m。

南北两山之间是川塬丘陵沟壑区，海拔1500-2000m，地形由西南、东南和东

北三面向西北倾斜。榆中县海拔在1480—3670m之间，年均降雨量350mm，

蒸发量1450mm，年平均气温6.7℃，无霜期120天左右。榆中县位于青藏高

原东北缘、黄河上游，具有独特的地理和气候条件。其一，它西面是重工业

城市——兰州，其城区在南北山脉的阻挡下形成狭长的盆地地形，为我国空

气污染最为严重的城市之一；其二，榆中地处黄土高原半干旱区，离塔克拉

玛干沙漠和戈壁沙地较近，受沙尘影响较大；此外，每年11月至次年4月，

该地区因天气寒冷进入采暖期，集中的燃煤排放对气溶胶分布和垂直结构有

较大影响。

2.2 处理方法

本次选取几次沙尘天气间的日变化数据，将之与采暖期和非采暖期的晴

天、降水后晴天的情况进行对比分析。

2.3基本概念

大气气溶胶的光学特性主要包括气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、

单次散射反照率等参数，这些参数都是计算气溶胶的辐射强迫，研究气溶胶

的气候效应的输入参数。

气溶胶光学厚度（AOD）表示垂直大气柱中气溶胶的浓度，是衡量气溶

胶粒子对太阳辐射衰减强弱能力的一个重要参数。

【5】

Angstrom波长指数，反映气溶胶粒子的大小，通常情况0<α<2，α越小

说明气溶胶粒子平均半径越大，粒子尺度越大；反之，α越大说明气溶胶粒

子平均半径越小，气溶胶粒子尺度越小，越接近分子散射。Angstrom指出在

假定气溶胶粒子呈Junge谱分布时，气溶胶光学厚度与波长的关系将为



a



-



，式中：α为Angstrom波长指数；β为浑浊度系数，即波长1um处

的气溶胶光学厚度，它与垂直气柱内气溶胶质粒总参数有关（参考：α-沙尘

粒子0.12，α-灰雾霾1.07；β-沙尘0.35，β-灰雾霾0.15）。

【5】

单次散射反照率（SSA）,定义为气溶胶粒子散射消光与总消光(吸收+散

射)的比，可反映气溶胶粒子总消光中散射所占的比例气溶胶的不对称因子表

示粒子前向散射能力大小。

【5】

第 4 页

第三章 沙尘天气期间气溶胶光学特性变化特征

3.1沙尘天气间气溶胶光学特性

选取2011年04月29日为非采暖期沙尘天气样本，2012年04月24日

为采暖期间沙尘天气样本。

在沙尘期间，2011年04月29日溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95（图

1），Angstrom波长指数峰值为0.07（图2）。2012年04月24日气溶胶光

学厚度峰值(676nm)为1.20（图3），Angstrom波长指数峰值为0.13（图4）。

2011年04月29日单次散射反照率在440nm、676nm、870nm、1018nm

波段依次为0.9174、0.9800、0.9869、0.9891，可以看出随着波长变长，单次

散射反掌率增大，说明气溶胶以粗粒子散射为主，波长越长，散射能力越强。

图 1 不同通道的AOD (2011/04/29 )

第 5 页

图 2 不同通道的Angstrom波长指数 (2011/04/29 )

图 3 不同通道的AOD (2012/04/24 )

第 6 页

图 4 不同通道的Angstrom波长指数 (2012/04/24 )

3.2晴天气溶胶光学特性

选取2011年05月06日为非采暖期晴天样本，2012年04月25日为采暖

期间晴天样本。

在晴天期间，2011年05月06日气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.56（图

5），Angstrom波长指数峰值为0.99（图6）。2012年04月25日溶胶光学

厚度峰值(676nm)为0.59（图7），Angstrom波长指数峰值为0.34（图8）。

2012年04月25日单次散射反照率在440nm、676nm、870nm、1018nm

波段依次为0.8784、0.9596、0.9690、0.9720，可以看出随着波长变长，单次

散射反掌率增大，说明气溶胶以粗粒子散射为主，波长越长，散射能力越强。

第 7 页

图 5 不同通道的AOD (2011/05/06 )

图 6 不同通道的Angstrom波长指数 (2011/05/06 )

第 8 页

图 7 不同通道的AOD (2012/04/25)

图 8 不同通道的Angstrom波长指数 (2012/04/25)

第 9 页

3.3降水后晴天气溶胶光学特性

选取2011年05月04日为非采暖期降水后晴天样本，2012年04月18

日为采暖期间降水后晴天样本。

在降水后晴天期间，2012年04月18日气溶胶光学厚度峰值(676nm)为

0.59（图9），Angstrom波长指数峰值为1.14（图10）。2011年05月04日

溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.39（图11），Angstrom波长指数峰值为0.67

（图12）。

2012年04月18日单次散射反照率在440nm、676nm、870nm、1018nm

波段依次为0.9332、0.9564、0.9588、0.9591，可以看出随着波长变长，单次

散射反照率增大，说明气溶胶以粗粒子散射为主，波长越长，散射能力越强，

但变化幅度不大，说明气溶胶中粗细粒子所占比例基本相同。

图 9 不同通道的AOD (2011/05/04)

第 10 页

图 10 不同通道的Angstrom波长指数 (2011/05/04)

图 11 不同通道的AOD (2012/04/18)

第 11 页

图 12 不同通道的 Angstrom波长指数 (2012/04/18)

3.4对比分析不同情况下气溶胶光学特性

3.4.1晴天与沙尘天气

在沙尘期间，采暖期Angstrom波长指数峰值为0.13，气溶胶光学厚度

峰值(676nm)为1.20；非采暖期气溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95，Angstrom

波长指数峰值为0.07；在晴天期间，采暖期Angstrom波长指数峰值为0.34，

气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.59；非采暖期气溶胶光学厚度峰值(676nm)

为0.56，Angstrom波长指数峰值为0.99。

采暖期，沙尘期间气溶胶光学厚度峰值(1.20）大于晴天期间气溶胶光学

厚度峰值(0.59）。说明在采暖期沙尘期间，气溶胶对于太阳辐射的削减能力

得到增强，其原因在于空气中沙尘气溶胶含量的增加。沙尘期间Angstrom

波长指数峰值（0.13）小于晴天期间Angstrom波长指数峰值（0.34）。说明

在采暖期沙尘期间，气溶胶粒子以粗粒子为主。

非采暖期，沙尘期间气溶胶光学厚度峰值(2.95）大于晴天期间气溶胶光

学厚度峰值(0.56）。沙尘期间Angstrom波长指数峰值（0.07）小于晴天期间

Angstrom波长指数峰值（0.99）。说明在采暖期，空气中的气溶胶有很大一

部分为污染气溶胶。

第 12 页

3.4.2降水后晴天与沙尘天气

在沙尘期间，采暖期Angstrom波长指数峰值为0.13，气溶胶光学厚度

峰值(676nm)为1.20；非采暖期气溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95，Angstrom

波长指数峰值为0.07；在降水后晴天期间，采暖期气溶胶光学厚度峰值

(676nm)为0.59，Angstrom波长指数峰值为1.14，非采暖期气溶胶光学厚度

峰值(676nm)为0.39，Angstrom波长指数峰值为0.67。

采暖期，沙尘期间气溶胶光学厚度峰值(1.20）大于降水后晴天期间气溶

胶光学厚度峰值(0.59）。说明在采暖期沙尘期间，气溶胶对于太阳辐射的削

减能力得到增强，其原因在于空气中沙尘气溶胶含量的增加。沙尘期间

Angstrom波长指数峰值（0.13）远小于降水后晴天期间Angstrom波长指数

峰值（1.14）。说明在采暖期沙尘期间，沙尘气溶胶粒子以粗粒子为主，污

染物粒子粗细粒子都有；同时采暖期降水后晴天气溶胶光学厚度峰值(0.59）

与晴天期间气溶胶光学厚度峰值（0.59）相近，说明在采暖期，污染物气溶

胶主要来自于集中的燃煤排放。

非采暖期，沙尘期间气溶胶光学厚度峰值(2.95）大于降水后晴天期间气

溶胶光学厚度峰值(0.39）。沙尘期间Angstrom波长指数峰值（0.07）小于降

水后晴天期间Angstrom波长指数峰值（0.67）。说明在非采暖期沙尘期间，

大气气溶胶以沙尘气溶胶为主，污染物气溶胶含量较低。

3.4.3采暖期和非采暖期单次散射反照率

采暖期单次散射仿照率0.9332、0.9564、0.9588、0.9591，非采暖期单次

散射仿照率0.9050、0.9693、0.9779、0.9808，依次为440nm、676nm、870nm、

1018nm波段。对比得出，采暖期单次散射反照率低于非采暖期。其原因为

气溶胶的吸收能力决定于气溶胶中碳元素的含量，且与波长及粒子尺度有关

【9】【10】

，黑碳气溶胶是大气中首要的吸收性气溶胶，而榆中采暖期集中的燃

煤排放向大气输送的煤烟和黑碳等吸收性强的污染物颗粒较多。

第四章 结果与讨论

4.1结果

利用2010-2013年沙尘天气及对比天气下兰州大学干旱气候与环境观测

站（SACOL）站点Level 2.0的数据，通过查阅资料选取沙尘天气、晴天、

降水后晴天，对几次采暖期和非采暖期的沙尘天气资料和晴天、降水后晴天

第 13 页

资料的对比，得到以下结论：

（1）采暖期：

在沙尘期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为1.20，Angstrom波长指数

峰值为0.13；在晴天期间，Angstrom波长指数峰值为0.34，气溶胶光学厚度

峰值(676nm)为0.59；在降水后晴天期间，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为

0.59，Angstrom波长指数峰值为1.14。

（2）非采暖期：

在沙尘天气，气溶胶光学厚度峰值(676nm)为2.95，Angstrom波长指数

峰值为0.07；在晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.56，Angstrom波长指

数峰值为0.99；在降水后晴天气溶胶光学厚度峰值(676nm)为0.39，Angstrom

波长指数峰值为0.67。

（3）沙尘期间，气溶胶粒子以粗粒子为主，主要为沙尘气溶胶，但在采暖

期，集中的燃煤排放会产生大量的污染物气溶胶（主要为黑碳、煤烟），同

样对气溶胶光学特性造成足够的影响。

（4）单次散射反照率总体随波长变长而增大，说明沙尘天气间气溶胶以粗

粒子散射为主，波长越长，散射能力越强；同时，北方采暖期大气气溶胶中

黑碳含量较高，导致采暖期沙尘天气间气溶胶的单次散射反照率比非采暖期

沙尘天气间气溶胶的单次散射反照率低。

4.2讨论

（1）本次研究时间较短，获取资料时间跨度较小，不能有很好的代表性，

希望以后研究工作时能获得更多的资料。

（2）未能获得选取日期的其他气象要素信息，所以不能对气溶胶和气象要素的

相关性做进一步分析。

第 14 页