基于Calipso卫星数据探测的汾渭平原气溶胶垂直分布特征

Journal of Agricultural Catastropholgy 2021, Vol 11, No 2

基于Calipso卫星数据探测的汾渭平原气溶胶

垂直分布特征

李 卿

河南省三门峡生态环境监测中心，河南三门峡 472000

摘要󰀁基于激光雷达Calipso的监测数据，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532 nm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0~2 km的大气中，相对规则的粒子相对较多，而在距离6~8 km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0~10 km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

Aerosol Vertical Distribution

in the Fen-Wei Plain Bad

on Calipso Satellite Data

LI qing (Sanmenxia Ecological Environment

Monitoring Center, Henan Province,

Sanmenxia, Henan 472000)

Abstract Bad on the monitoring data

of Lidar calipso, the vertical distribution of

aerosols in the Fen-Wei Plain is analyzed in

The results showed that from October 2009

terms of scattering force, scale and regularity.

to October 2019, 532 nm wavelength in the

total extinction of backscattering coefficient

of vertical distribution shows that with the

coefficient of aerosol gradually reduces, in the

increasing of altitude, the aerosol scattering

range 0~2 km in the atmosphere, the relative

rules of particles are relatively more, and from

6~8 km, there are many irregular particles in

of color ratio at 0~10 km altitude, it can be

very small.

Key words Lidar Calipso; Aerosol;

Fen-Wei Plain

the atmosphere. Color ratio can reflect the

en that the overall change of color ratio is

Vertical distribution; Satellite data detection;

中图分类号：P405 文献标识码：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能探测到的形成的气溶胶包括火山和宇宙尘埃、

信号强度跨度达到6个量级，覆盖地面

以上30~35 km的无气溶胶情况下散射石风化等；人为气溶胶是由人类生产

的信号。卫星飞行的Calipso采用了偏

振技术，实现了全球覆盖。它是时间上的各种微粒，或者排放的污染气体（或

首个应用型的星载云和气溶胶激光雷

达，并具有3个通道（1 064 nm、532 nm列物理化学过程转化形成的

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532

nm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1 064 nm的

后向散射强度与532 nm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

[2-3]

。

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

[4-5]

[1]

人为活动两部分所造成的。自然过程

海水飞沫、花粉与种子、沙尘粒子、岩

生活和社会活动等直接排放到大气中

称气溶胶前体物）在大气中经过一系

[7]

。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

[8]

。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、

particle size. From the frequency distribution

。

大气中的气溶胶粒子是由自然过程和

作者简介󰀁󰀁李卿（1983–），女，河南三门峡人，中级工程师，研究方向：数据挖掘、大气污染、

水质污染。

收稿日期󰀁󰀁2020–11–18

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农业灾害研究2021，11（2）

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。

β532，⊥（z）=β（'z）·T

（z）

式中，T

（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705

km，倾角为98.05º，升交点地方时为

13∶30。

本文使用550 nm范围内的MODIS

3级网格数据产品（MOD08，版本

C051）AOD（海洋（最佳）和陆地（校正

后：平均）的0.55μ气溶胶光学深度）以

及来自2009—2014从MODIS L3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

2

2

11.5；在8~10 km，0~8%、8％~45%和45％

~100%的值分别为15.3、0.1、4.6。

2.2.2󰀁气溶胶体积退偏比垂直分布

体

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

则较少。在0~0.6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

[7]

。

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Calipso and MODIS data: Ca study

（下转第150页）

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0~2 km的大气中，规则颗粒相对

较多，而在距离6~8 km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0~10 km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0~2 km

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8~10 km的层外，每个高度层的色

比的频率变化范围较小，在高度为0~8

km的层中，随着色比的增加，频率降

低，并且色彩比为0~2 km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（0~2 km），各种

尺寸的颗粒最大。大气的色比在8~10

km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，β532值在

（0~10）×10

-4-1-1

km·sr

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10×10

4

-1-1

-

的升高，气溶胶的气溶胶散射系数逐

渐减小，而在下层（0~2 km）为最高海

拔26.8％，8~10 km处的气溶胶散射系

数最低频率为10.1％，表明低层大气

（0~2 km）的气溶胶含量最高，散射效

应最高。

从各高度内 532 nm 总消光后向

散射系数频率分布来看，在2~4 km，

0~8%、8％~45%和45％~100%的值分别

为20.6，24.2，22.8；在4~6 km，0~8%、8％

~45%和45％~100%的值分别为23.2，

20.6，13.5；在6~8 km，0~8%、8％~45%

和45％~100%的值分别为23.8、18.3、

~50×10-4 km sr

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

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人员伤亡。

2.7󰀁雾

雾是悬浮在贴近地面大气中的微

小水滴或冰晶，使水平能见度降低的

天气现象。气象上把能见度不足1000

m时记为雾，把500 m外的物体完全

看不清的天气现象叫作大雾。桂林市

年平均雾日约为1.2~7.4 d，季节不同

分布规律有所不同。冬季为锋面雾，

春季平流雾，夏秋季多为辐射雾。冬

季出现最多，夏季最少。春季雾的持

续时间一般比冬季雾长。当出现<150

m的浓雾时，严重影响视程，给交通带

来隐患。

应对要点：在外出时要适当防护，

如戴上口罩，有呼吸道疾病和心肺疾病

的人不要外出；不要在雾中锻炼身体；

穿越马路要看清来往车辆后方可通过；

雾天特别要注意安全行车。

3󰀁思考与讨论

3.1󰀁强化部门协作配合，进一步做大做

强乡村旅游产业

各有关部门要从全局的高度，用战

略的眼光，把握机遇，因势利导，把旅

游开发的目光转到农村，不断深入农村

发掘景点，进一步做好“农业促旅游、旅

游带动农业”，建立以农业养旅游、以旅

游促农业的互动机制，令生态农业与旅

游业彼此促进、良性互动，以生态农业

亮点吸引更多的游客，产生良好的社会

效益、经济效益和生态效益，实现农业

的可持续发展，推动乡村旅游和生态休

闲产业发展再上新台阶。

3.2󰀁加强气象科普宣传，减轻或避免

生命财产损失

乡村是气象灾害防御比较薄弱的

地区，普及防灾减灾常识，提高避灾自

救互救技能，唤起居安思危的防灾意

识，就显得更为重要。不应该等到灾害

发生时才想到如何自救，而应居安思

危、未雨绸缪。在现有的条件下我们虽

然无法完全预知和防止天灾降临，但如

果事先做好防范工作，就能将灾害减到

最小；平时多掌握基本的逃生避灾常识

或技巧，当灾害来袭时，就能多一份安

全的希望。

3.3󰀁加大政策支持力度，发挥农民主

体作用，确保乡村旅游实现跨越发展

习近平总书记在推进城镇化工作

中曾要求，要“让城市融入大自然，让居

民望得见山、看得见水、记得住乡愁”，

这也是乡村旅游发展的内涵所在。美丽

乡村“美”的内涵，应该是以传统耕读文

化为魂，以优美田园风光为韵，以朴素

村落民宅为形，以循环生态农业为基。

乡村旅游、生态休闲产业的根基和载体

在“三农”，发展生态休闲产业要注重融

生态涵养、环境美化于农业建设之中，

融文化传承、村落保护于景区打造之

中，融增收致富、生活改善于旅游开发

之中。要敢于彰显农村的“土气”，体现

本乡本土的民俗文化；善于利用乡村的

“老气”，保护和利用好老建筑、老工艺

等传统文化；巧于发挥农民的“生气”，

发挥农民的积极性和创造性；精于融入

现代的“朝气”，注重现代基础设施配

备，拓展多渠道多举措的融资方式，包

装大项目，引进大企业，引入高层次、

高品位、有实力的各种经营主体，做大

做强乡村旅游和生态休闲产业。

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责任编辑：黄艳飞

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责任编辑：黄艳飞

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