北京市气溶胶消光系数垂直特征及影响因子探讨

为研究北京市气溶胶垂直方向上的分布特征,利用微脉冲激光雷达（MPL）对北京市2015年12月-2016年11月的气溶胶光学特征进行分析,讨论了气溶胶消光系数的季节性特点以及不同污染等级下的垂直分布,并对其影响因素进行了探讨.结果表明:①北京市气溶胶消光系数垂直特征在季节上存在异质性.秋、冬两季近地面1.0 km以下气溶胶消光系数显著增大,最大气溶胶消光系数大于1.0 km-1;春、夏两季污染日较少,气溶胶消光系数在垂直方向上变化较为平缓.②不同污染等级下气溶胶消光系数的垂直特征差异明显.空气质量为优-良水平时,气溶胶消光系数较低,基本不高于0.7 km-1;轻-中度污染时,气溶胶消光系数在不同季节差异较大,冬、春两季气溶胶消光系数不超过0.8 km-1,夏、秋两季在1.0 km-1左右,部分监测站甚至在1.4 km-1左右;重度及以上污染时,气溶胶消光系数基本在1.0 km-1以上,最高可达1.7 km-1.③105 m处气溶胶消光系数与ρ（PM_2.5）相关性较好.气溶胶消光系数除受ρ（PM_2.5）影响外,还受相对湿度影响较大.夏、秋两季对流层底层大气相对湿度偏高,致使气溶胶消光系数显著高于春季和冬季.研究显示,利用激光雷达可对北京市气溶胶垂直方向分布特征进行有效分析,气溶胶的垂直分布受污染水平和相对湿度的影响呈季节性变化.      

基于卫星资料的华东地区气溶胶三维分布特征研究

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.     

北京地区大气温湿廓线对气溶胶垂直分布的影响

目的分析北京地区大气温湿廓线对气溶胶垂直分布的影响。方法利用北京地区2017年9月至2018年8月每日两次(08时和20时)的气象探空、地面PM_(2.5)浓度和气溶胶激光雷达消光系数资料,分析不同污染条件下大气温湿廓线与气溶胶消光系数廓线的关系。结果地面PM_(2.5)浓度和210m气溶胶消光系数的相关系数达到0.77。春季、秋季和冬季污染条件下的近地面消光系数约是清洁条件下的5倍,夏季污染条件下的近地面消光系数约是清洁条件下的3倍。相比清洁条件下,污染条件下各季节的大气温度垂直递减率偏小,并且低层大气相对湿度偏大。结论大气温度廓线代表大气层结稳定性,影响气溶胶的扩散高度,而相对湿度廓线与气溶胶吸湿增长密切相关,两者对气溶胶消光系数的垂直分布都有重要影响。     

不同气象条件下的气溶胶时空分布特征

利用2012年3月20—24日的激光雷达回波数据和粒子计数器采样的气溶胶数浓度数据,分析了测点近地面及其上空的气溶胶垂直消光系数、数浓度等时空分布特征,研究了风向、风速、RH(相对湿度)对近地面气溶胶分布的影响. 结果表明:①阴霾天气气溶胶垂直消光系数在0.01～1.0之间,边界层高度在1km以下,到达边界层顶时消光系数产生突变;晴天气溶胶垂直消光系数在0.01~0.2之间,边界层高度在1.5~2.5km. ②阴霾天和晴天中近地面气溶胶数浓度变化规律一致,上午08:00左右开始增加,随温度升高呈下降态势,在傍晚达最小值后又略微增长并产生次高峰,夜间继续呈下降趋势. ③风向为东北偏东风时大气气溶胶的数浓度较大;风速增大,有利于气溶胶垂直输送和扩散,导致气溶胶数浓度减小. ④气-粒转化过程中,RH增大有利于气溶胶粒子由爱根核向积聚模态凝结. ⑤RH较小时,其与气溶胶数浓度呈正相关,而当RH增至74%时二者呈负相关.      

基于微脉冲激光雷达的上海浦东地区不同强度霾研究

利用微脉冲激光雷达(MPL)对上海浦东2008年12月1日至2010年11月31日期间连续观测的霾期间气溶胶的消光特性进行分析,讨论了上海浦东地区不同强度霾和无霾时气溶胶的垂直分布日变化与季节变化.结果表明,重、中度霾的气溶胶主要分布在500m以下,小时平均消光系数值在0~1.2km-1范围内波动;轻度霾及轻微霾时段,小时平均消光系数波动范围约在0~0.5km-1;无霾时段小时平均消光系数波动范围约在0~0.2km-1;中-重度霾时段消光系数春>冬>夏>秋;夏季低层大气消光较大,春季高层大气消光较大,冬秋两季随高度增加消光逐渐减小;夏冬两季较易发生中、重度霾.     

浙江省气溶胶垂直分布及区域传输分析

利用6个激光雷达站点数据从年际和季节变化尺度对浙江省2017~2018年气溶胶垂直分布特征进行研究,并结合污染物浓度数据分析了浙江省主要颗粒物类型的季节差异.结果表明,大部分站点2018年气溶胶消光系数整体小于2017年;边界层内消光系数空间上呈中部高东西低的分布形态;消光系数季节变化表现为冬季最高,秋季其次,而春夏较低;气溶胶在春、夏季集中在地面上方1~2km以内,冬季主要分布在1km以下,秋季受高空气溶胶影响,6个站点呈现出不同的垂直分布模式.进一步,选取发生在2018年4月和7月两次气溶胶跨区域传输过程,综合CALIPSO和MODIS卫星数据、以及后向轨迹、PSCF与CWT模式对污染物来源与传输机制进行探索,发现来自AOD高值区的气团显著加重本地污染.     

基于CALIOP的安徽沿淮地区霾天气溶胶类型及垂直分布特征

利用CALIPSO卫星气溶胶廓线数据、地面观测资料进行统计分析,给出了2012—2013年安徽沿淮地区霾日气溶胶的垂直廓线分布.基于后向轨迹及聚类分析,获得沿淮地区污染的主要来源及传输方向,并进一步利用卫星类型掩码产品(VFM)及EC再分析资料,对不同来源的气溶胶类型、气溶胶垂直分布及导致污染的典型天气形势进行分析.结果表明,沿淮地区消光系数随高度减小,霾日近地面消光系数为0.53km~(-1),约为晴空日的2.5倍.污染性天气主要为本地污染积累(占比为46%),其次为长三角区域污染带及京津冀等地污染传输作用影响.在静稳天气背景下,850 h Pa暖平流形成逆温层易导致沿淮地区本地污染,大陆污染型气溶胶为主要成分,近地面受低压上升气流影响,污染物在垂直方向上略有抬升,聚集高度为0.4~0.8 km.当西太平洋副热带高压5880位势高度等值线西伸北进,长三角区域整层大气均被高压控制,易产生污染沙尘型气溶胶,污染物聚集在近地面且浓度随高度减小.而在冷空气南下早期,850 h Pa冷平流易将京津冀地区污染传输到沿淮地区,气溶胶类型为大陆污染型气溶胶和污染沙尘型气溶胶,在1~2 km处高污染浓度最高,高于近地层.     

北京上空气溶胶浓度垂直廓线特征

利用2008—2010年北京地区3.5 km高空内飞机探测的气溶胶(粒径范围为0.10～3.00 μm)数据,分析了该地区气溶胶的时空分布特征. 结果表明:①气溶胶浓度(以数浓度计,下同)均随高度增加而减小,在1.5 km以上高空的气溶胶浓度垂直梯度变化明显低于1.5 km以下的垂直梯度变化. 4—11月气溶胶浓度季节变化表现为夏季最高、秋季次之、春季最低. ②气溶胶浓度廓线逐时(09:00—19:00)变化较清晰地反映出其受大气边界层演变的影响. 在0～1.5 km高空,白天气溶胶浓度高值出现在09:00—11:00,低值出现在13:00—14:00;而在1.5～3.5 km高空的气溶胶浓度时段分布与其相反. ③人为活动是影响气溶胶浓度区域水平分布的重要因子. ④将气溶胶浓度廓线垂直分布分为a、b、c 3类. 类型a的近地面气溶胶浓度(0～4 000 cm-3)低,垂直方向上变化很小;类型b的近地面气溶胶浓度(4 000～9 000 cm-3)较高,垂直递减明显;类型c的近地面气溶胶浓度特别高,量级达到104 cm-3,并在大气边界层顶(约1.5 km)附近迅速递减. 北京地区气溶胶浓度廓线以类型b居多.      

上海不同污染等级下气溶胶光学特性垂直分布特征

气溶胶光学特性是可吸入颗粒物的重要表征指标之一,而针对不同空气污染等级的气溶胶光学特性的垂直分布特征当前研究较少.本文利用上海地区(30°E,120°N~33°E,123°N)2006年6月至2011年12月的星载云-气溶胶激光雷达(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations,CALIOPSO)资料分析不同季节气溶胶光学特性垂直分布的基础上,深入探讨了不同空气污染等级下的气溶胶垂直(0~6km)分布特征.结果表明:上海地区气溶胶粒子多聚集在0~2 km的高度上且具有明显的季节特征,冬春季节气溶胶粒子后向散射系数集中于0.005以上,颗粒物散射能力较大,其中冬季偏振比范围为0.15~0.25,色比范围为0.57~0.77,主要为不规则的小颗粒;夏季气溶胶粒子的偏振比(0.03~0.09)较小,气溶胶颗粒物较为规则;秋季各种形态的颗粒混合程度较高,其偏振比的范围为0.12~0.23,色比范围为0.58~0.90;不同污染等级下的气溶胶光学特性在垂直分布上具有明显的差异,在重污染时期散射能力大不规则颗粒物增多,垂直差异不明显,污染高度较高;轻度污染以规则颗粒物为主,颗粒物散射能力较小,表现出低层以粗颗粒为主,高层以细颗粒物为主的特征;轻微污染和无污染的气溶胶垂直分布类似,颗粒物散射能力较小.     

华北地区一次霾过程中气溶胶垂直分布特征研究

基于CALIOP/CALIPSO气溶胶廓线及类型产品,并综合AERONET产品、地面常规及探空资料和HYSPLIT后向轨迹模式,分析了华北地区2013年12月22-25日一次霾过程中气溶胶垂直分布特征及其成因。结果表明:低层存在均匀混合气溶胶消光层,层高及平均气溶胶消光系数(σ)霾日为0.481 km与0.766 km~(-1),无霾日为0.181 km与0.375 km~(-1),消光层之上σ呈指数衰减;500 m以下气溶胶光学厚度(AOD)对总AOD贡献霾日为47%,无霾日为36%;1 km以下,霾日体积退偏振比(VDR)与色比(CR)分别介于5%~15%与0.4~0.8,无霾日为15%~35%与0.6~1.0,霾日VDR与CR均值分别为13.883%与0.518,无霾日为26.371%与0.853。污染沙尘和烟尘为此次霾过程的主要气溶胶类型,本地排放及周边区域输送是此次霾过程中气溶胶的主要来源。小气压梯度、弱风速、高相对湿度及持续逆温层是导致此次霾事件的主要天气原因。     

北京2013年1月连续强霾过程的污染特征及成因分析

以北京市2013年1月份连续灰霾天气中10~16日的强霾污染过程为例,利用MPL-4B型IDS系列微脉冲激光雷达观测资料由Fernald算法反演得到此次污染过程中气溶胶垂直分布特性,结合地面气象条件和天气形势分析污染原因,并讨论与气溶胶地面监测数据的符合性.结果表明:此次连续强霾过程污染严重,观测时段内89.4%的时间出现霾,39.8%的污染时段达到重度霾级别,其中大气地表消光系数与PM2.5浓度变化呈显著线性相关关系,相关系数达0.95.研究过程内,大气边界层在91%的时段低于500m,平均仅为293m,低边界层抑制了污染物的有效扩散;近地面垂向各高度的消光系数持续达到1.5km-1以上,对比气溶胶退偏比发现城市上空的大气强消光为气溶胶颗粒物和大气水分共同导致;气溶胶光学厚度(AOD,532nm)较大,有83.6%的时段超过1,且受相对湿度影响较大,相对湿度偏小时段的AOD值主要为气溶胶颗粒贡献,相对湿度较大时段,细颗粒物吸湿增长导致AOD受大气水分干扰显著.连续静稳的天气形势和区域污染是导致此次强霾发生和持续的主要原因,高湿天气则加剧了灰霾状况.     

乌鲁木齐市MODIS气溶胶光学厚度与PM10浓度关系模型研究

为了建立乌鲁木齐市近地面PM10浓度监测的关系模型,利用乌鲁木齐市2013年3—11月、2014年3—11月MODIS AOD产品与同期地面观测的PM10质量浓度进行相关分析,结果表明二者直接相关程度较低(r=0.433,p0.01);然后以WRF模式模拟的大气边界层高度及地面观测的相对湿度数据对AOD进行垂直、湿度订正后,二者相关性得到较大程度提高(r=0.630,p0.01);按照季节分类统计和订正春、夏、秋季的相关系数r分别为0.779、0.393、0.523,均大于统计学上99%的置信度要求,其中春季的订正最为有效,可用性更高;最后,建立全年和各季AOD-PM10最优拟合模型并反演乌鲁木齐市地面PM10质量浓度,全年和三季的反演结果与实测数据的相关系数分别为0.757、0.748、0.652、0.715(p0.01);同时基于卫星遥感AOD反演得到的PM10质量浓度的空间分布与AOD呈现出整体的一致性,并且3个季节AOD平均值表现为:春季秋季夏季.证实了卫星遥感AOD经过垂直和湿度订正后,可以作为辅助监测乌鲁木齐市PM10地面浓度分布的一个有效手段.     

MODIS气溶胶光学厚度在临安大气颗粒物监测中的应用

基于大气辐射传输理论的研究表明,AOD(气溶胶光学厚度)与地面PM(颗粒物)浓度(以ρ计)呈正相关. 利用2006—2010年MODIS晴空AOD数据产品与临安区域大气本底站监测的ρ(PM₁₀)进行相关分析发现,二者的R(相关系数)为0.431,直接相关程度较低. 根据AOD和气象能见度间的关系,获得了不同季节临安地区的气溶胶平均垂直标高,利用该垂直标高和RH(相对湿度)分别订正AOD和ρ(PM₁₀)后,二者的相关性(R为0.576) 明显提高.冬季AOD和ρ(PM₁₀)的相关性最好,R为0.765;夏、春季次之,R分别为0.643和0.608;秋季最低,为0.442. 经过对5年资料的对比分析,证实了MODIS气溶胶光学厚度经垂直标高和RH订正后,可用于临安地区地面空气污染的监测.      

北京市MODIS气溶胶光学厚度与PM_(10)质量浓度的相关性分析

利用北京地区2012年1—12月NASA MODIS气溶胶光学厚度(AOD)和通过空气污染指数(API)转换得到的PM10质量浓度进行了相关性分析.结果发现,二者的直接相关程度较低,在引入季节变化的气溶胶标高且考虑了气溶胶的垂直分布后,进行标高订正,二者的相关系数有所提高;在考虑了湿度影响因子后,进行湿度订正,二者的相关系数显著提高;引入平均风速、平均气温和平均气压等气象因素,进行多元回归分析,相关系数进一步提高.证实了卫星遥感气溶胶光学厚度在经过垂直和湿度订正并考虑气象因素的情况下,可以作为监测北京地区颗粒物污染物地面分布的一个有效手段.     

北京地区大气消光特征及参数化研究

为了研究大气消光系数的特征及规律,从2013~2014年在北京地区对大气能见度、气溶胶质量浓度、气溶胶散射系数、黑碳质量浓度、反应性气体以及气象要素开展了系统加强观测,并对已发表的气溶胶光散射吸湿增长因子[f(RH)]拟合方案进行了对比,系统分析了大气消光特征和影响大气消光能力的关键因子,最终建立了大气消光系数参数化模型,探讨不同季节、不同污染条件下参数化方案的特征.结果表明,气溶胶散射作用占环境总消光作用的94%以上,在夏秋季,相对湿度可以使气溶胶的散射能力提升70%~80%.包含气溶胶质量浓度和相对湿度两个因子的参数化模型,可以较好地体现出气溶胶和相对湿度对大气消光系数的影响机制,以及消光能力的季节差异.