1、 敦煌地区春季气溶胶光学厚度的变化特征分析摘要：用 2001年春季敦煌地区 CIMEL CE-318全自动太阳光度计辐射资料反演了晴空大气、浮尘、扬沙天气条件和沙尘暴前后等不同背景下大气气溶胶光学厚度。结果表明，在不考虑吸收时 440nm、870nm 和 1020nm波段晴空大气气溶胶光学厚度均小于 0.3；浮尘天气下的大气光学厚度约为晴空天气的 2-3倍；扬沙天气大气光学厚度是浮尘天气的 2-3倍；沙尘暴发生前夕大气气溶胶光学厚度将出现明显增加。关键词：气溶胶光学厚度；太阳光度计；辐射1 引言大气气溶胶通常是指大气中悬浮着的各种固体和液体粒子。其形状和成分复杂，常常受到地理、地形、地表性质和
2、人类活动状况及距污染源的远近程度及气象条件的影响，在不同的地域，气溶胶粒子的成分和粒子浓度分布不同 1。气溶胶粒子的主要来源是地表，可以分为自然产生的和人类活动产生的，其中宇宙尘埃也是一个来源。气溶胶不仅可以散射，而且可以吸收入射的太阳辐射。各种不同的气溶胶遍布地球大气，能够对地气系统的辐射平衡带来不同的作用，进而对地球气候产生重要的影响。沙尘气溶胶是东亚对流层大气气溶胶的主要成分之一，它主要来自干旱和半干旱地区，通过沙尘暴等强烈天气过程造成广泛影响 2。沙尘气溶胶的光学特征可以用光学厚度描述，大气气溶胶消光特性的精确计算，对大气气溶胶含量估算、大气污染评估、气溶胶气候效应研究等具有重要意义
3、3-5。目前主要采用多波段太阳光度计 6-11、卫星反演 12，13 、地面辐射资料与探空资料的联合反演 12-15等方法研究大气气溶胶的光学特性。国内外近几年利用CE-318太阳辐射计资料在大气气溶胶领域进行了大量研究。Smironv.A等 16利用NASA的Aeronet资料反演了夏威夷岛沿岸的气溶胶光学厚度的分布特征；Smironv.A等 17人还分析了巴布多思地区光学厚度和沙尘气溶胶浓度之间的线性相关关系，二者之间的相关系数高达0.93。Dubovik.O等 18对沙尘、生物燃烧体、城市工业污染及海盐等不同类型的气溶胶光学厚度进行了比较：在1020 nm波段沙尘气溶胶光学厚 (度平均值
4、约为0.39，海洋上空的气溶胶平均光学厚度为0.04；440 nm波段生物体燃烧后形成的气溶胶平均光学厚度为0.38；城市工业排放的气溶胶平均光学厚度为0.27。申彦波等 19利用CE-318资料分析了2001年春季中国北方沙尘气溶胶光学厚度的时空分布特征，并探讨了大气气溶胶光学厚度与水平能见度以及沙尘天气之间的关系。刘玉洁等 20用CE-318太阳光度计资料研究了银川地区气溶胶光学厚度的分布特征。本文用CE-318太阳光度反演了敦煌地区春季不同天气天气条件下的光学厚度变化特征，可为沙尘天气的短时预报提供重要的依据，同时能够为环境监测和同期质量预报提供参考。2 仪器介绍及资料选取CIMEL公司
5、制造的全自动跟踪扫描太阳辐射计 CE-318滤光片 8个波段中心波长位于340nm、380nm、440nm、500nm、670nm、870nm、940nm 和 1020nm，各波段宽度为 10nm，它的光学头上装有四象限探测器，可以自动跟踪太阳做太阳直接辐射测量、太阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫描。CIMEL 公司的 CE-318光度计测得的太阳直接辐射数据可用来反演计算大气透过率、消光光学厚度、气溶胶光学厚度、大气水汽柱总量和臭氧总量，它的天空扫描数据可以反演大气气溶胶粒子尺度谱分布及气溶胶相函数。因为太阳光度计是目前最精确的光学厚度监测仪器之一， CE-318太阳光度计
6、不仅用于大气气溶胶光学特性及大气环境质量监测，同时用于遥感卫星传感器辐射资料的光学参数定标。地基遥感气溶胶和臭氧的方法是利用了透射过无云大气的直接太阳辐射光束，通常选用可见光和紫外波谱的特定波长来使臭氧和气溶胶的反演效果尽量达到比较理想的效果。本文利用中国科学院大气物理研究所于 2001年春季在敦煌用 CIMEL Electronique公司制造的全自动跟踪扫描太阳辐射计 CE-318观测资料，得到了敦煌地区春季大气气溶胶光学厚度日变化特征。观测场位于 40o02N、94 o47E,拔海高度 1300m，观测场地比较开阔，可根据敦煌气象站（40 o15N、94 o68E，1140m）地面观测资
7、料对天气状况进行判别，剔除了云对观测数据的影响；此外，敦煌市经济以旅游业和农业为主，因此受人为排放的影响较小。在 42份测数据中，选择了资料序列比较完整且进行无云处理之后的晴空条件和沙尘天气条件下的资料，用以分析敦煌地区大气气溶胶的变化特征。文中所给时间均为北京时。3 仪器标定及反演方法地面测得的直接太阳辐射强度 (W/m2)在给定的波长上，根据比尔-布格-朗伯定律，(E则有：（1）gTmR)(exp)(20其中 是波长为 的大气外界太阳辐射强度（太阳常数） ； 为测量时的日地距离校)(0E R正量（平均日地距离/实际测量时日地距离） ；空气质量因子 ， 与太阳赤0sec)(m纬角、及太阳天顶
8、角有关； 大气垂直总光学厚度； 为吸收气体透过率。)(gT太阳光度计输出信号为电压，可表示为 ，光度计定标值 ，采用 Langley)(V)(0V法定标。若以 代替 、 代替 时（1）式两端同时要乘一项比例常数，)(VE)(00E但 与 之间和 与 之间的比例常数相同，故在（1）式两边同时取对数，)(0则大气总光学厚度可表示为：(2) )(ln)()(02VRm大气总的消光光学厚度 由分子散射光学厚度 （Rayleigh 散射）,大气中吸收气体R的光学厚度 （如臭氧、水汽）和大气气溶胶光学厚度 三部分组成，a aero(3)()(aeroR其中 Rayleigh 散射光学厚度 可根据地面气压值
9、计算出来。计算得表达式如下 11：（4）05.408.)(PR其中 为标准大气压， 为观测时的实际大气压。0PCE-318全自动太阳光度计在设计当中，充分考虑了分子吸收特性，在 440nm、670 nm 、870nm、1020nm 波段气体分子吸收对光学厚度几乎无影响 9。本文在计算光学厚度时，选取了 440nm、870nm、1020nm 波段。因此，在不考虑气体分子吸收时，式（3）中的，总光学厚度 与 之差就是大气气溶胶的光学厚度。可表示为：0)(a )(R（5）)(Raero4 气溶胶光学厚度日变化分析4.1 晴空大气光学厚度日变化特征根据图 1a、1b 可知，在晴空大气条件下，敦煌地区四
10、月的大气气溶胶光学厚度在没有吸收的波段小于 0.3。但是 440nm的光学厚度值明显大于 870nm和 1020nm波段的反演结果；同时可以发现，在敦煌地区，由 870nm和 1020nm波段的太阳辐射观测资料反演的光学厚度，除个别时间（如 2001年 4月 27日 08时）具有差异，绝大多数时间的结果非常接近。4 月16日的曲线几乎没有起伏，这是由于当天大气层结稳定，风速较小，因此光学厚度没有明显的变化。4 月 27日的气溶胶光学厚度起伏较大，但是平均大气光学厚度与 4月 16日相比没有显著变化，一方面是因为当天的风速不大，另一方面可能存在比较明显的大气湍流运动。此外，敦煌地区春季晴空条件下
11、 440nm波段平均光学厚度在 0.25-0.3之间。李韧 14等反演的 1982年敦煌地区春季晴空条件下气溶胶光学厚度平均值为 0.29，与本文结果符合；与刘玉洁等 20给出的银川地区 440nm波段的光学厚度 0.22接近，但比邱金桓等 14反演的北京地区春季晴空条件下的平均光学厚度 0.18小。这是因为春季我国西北地区多大风沙尘天气，位于河西走廊西端的敦煌地区和处于腾格里沙漠和毛乌素沙地附近的银川地区都是我国北方春季沙尘暴天气的多发地带，所以大气气溶胶光学厚度明显高于北京地区。2001年 4月 16日00.050.10.150.20.250.30.358:009:0010:0011:00
12、12:0013:0014:0015:00时 间光学厚度440nm 870nm 1020nm2001年 4月 27日00.050.10.150.20.250.30.3508:0010:0012:0014:0016:0018:00 时 间光学厚度440nm 870nm 1020nm图 1(a、b) 敦煌春季晴空大气气溶胶光学厚度Fig. 1a, 1b Variations of clear sky aerosol optical depth over Dunhuang in spring season4.2 沙尘天气大气光学厚度日变化4.2.1 由沙尘（浮尘）天气向晴空大气转变时光学厚度特征图 2
13、a 和 2b 中大气气溶胶光学厚度在 440nm、870nm 和 1020nm三个波段的值非常接近，变化趋势完全一致。根据敦煌气象站地面观测资料，在 2001年 4月 12-13日分别出现了扬沙和浮尘天气现象，因此，用 2001年 4月 13太阳光度计资料反演的大气气溶胶光学厚度虽然在上午 11时有明显降低，但是由于大气中仍然悬浮着大量的沙尘气溶胶粒子，这些沙尘气溶胶粒子的散射作用，使得大气气溶胶光学厚度比晴空大气时的高出 3倍以上。图 2b中，23 日当地发生了扬沙，截至 24日清晨已经减弱成为浮尘天气，所以 24日 15时之前气溶胶光学厚度比晴空大气时高出一倍多；随着大气中沙尘粒子的干沉降
14、清除，午后出现明显的回落，光学厚度基本接近春季晴空大气状态。与张文煜等 11利用多波段太阳光度计遥感得到的腾格里沙漠 450nm波段的大气气溶胶光学厚度在 0.4-3.2相比，图 2给出的敦煌地区沙尘条件下沙尘气溶胶光学厚度在 0.4-2.0范围内，两者比较一致。因为春季腾格里沙漠和敦煌沙漠地带都易受到强冷空气入侵影响，多大风沙尘天气，空气中沙尘粒子浓度较高。文献 18给出的美国西部沙漠区 1020波段沙尘气溶胶光学厚度平均值约为 0.39，这一结果明显小于东亚地区沙尘条件下的光学厚度，表明东亚地区是沙尘天气的多发区，沙尘气溶胶浓度较高。2001年 4月 13日11.21.41.61.829:
15、0010:0011:0012:0013:0014:0015:00 时 间光学厚度440nm 870nm 1020nm2001年 4月 24日00.20.40.60.819:0011:0013:0015:0017:0019:00 时 间光学厚度440nm 870nm 1020nm图 2a、2b 沙尘暴和浮尘天气后大气气溶胶光学厚度变化特征Fig. 2a, 2b Variations of aerosol optical depth in dust-storm and dust conditions over Dunhuang in spring season 4.2.2沙尘天气前后大气气溶胶光学
16、厚度变化特征根据敦煌基准气象站地面观测资料，在 2001 年 4 月 28 日 15 时 36 分当地发生了沙尘暴天气现象。图 3 中给出了用 CE-318 太阳光度计观测资料反演的 2001 年 4 月 28 至 29 日沙尘暴前后敦煌地区大气气溶胶光学厚度的分布特征。从中可以发现，在 28 日 11 时之前，尤其是 08 时到 10 时期间，440nm、870nm 和 1020nm波段的气溶胶光学厚度都小于 0.3，这一结果与前面给出的当地晴空大气气溶胶光学厚度非常吻合；但是在 12时之后，上述波段大气气溶胶光学厚度明显增加，截至 15时，三个波段的观学厚度均大于 0.4，高于当地晴空大气
17、气溶胶光学厚度。引起这一变化的原因是：受到高空冷空气的入侵，地面冷锋过境前夕地面水平气压梯度逐步加大，地面水平风速增加，沙尘粒子进入大气使光学厚度增加。15时以后由于高空云系较多，加之沙尘天气的影响，太阳光度计自动停止观测。但是次日（2001 年 4月 29日）太阳光度计观测资料反演的结果表明，由于沙尘结束后空气中悬浮的大量沙尘粒子的散射造成的衰减作用，光学厚度在 2001年 4月 29日 09时之前比较大；09时之后开始迅速降低，这种变化在 440nm尤为明显。可以推断出，沙尘暴前后及过程当中，大气气溶胶光学厚度的变化因该是单峰态分布，光学厚度峰值应该与沙尘暴最强时断相对应。邱金桓等 14利
18、用激光雷达遥感得到了 1988年 4月 11日 08:00-16:00的沙尘暴期间的光学厚度平均值为 5.27，这一结果远远大于北京和敦煌地区春季晴空条件下的光学厚度。2001年 4月 28-29日00.20.40.60.811.208:0010:0012:0014:0007:0009:00 时 间光学厚度440nm 870nm 1020nm图 3. 扬沙前后大气气溶胶光学厚度变化特征Fig.3 Variations of aerosol optical depth during dust browning4.3 边界层特征分析敦煌地区是我国西北地区沙尘暴的多发地区，沙尘暴发生和发展输送到大气
19、中的沙尘气溶胶主要通过边界层来传输 21。因此分析不同天气条件下敦煌地区边界层的特征对研究当地气溶胶光学厚度变化有一定帮助。本文将分析敦煌气象站在上述 6天 07时 15分的探空资料，包括风向、风速、和温度等多个气象要素。敦煌气象站海拔高度 1140m，地面年平均气压为 873hPa,观测场为裸地。根据资料分析的需要，将观测的温度转化为位温。春季敦煌地区春季晴空条件下空气较干，而热力和动力条件是形成沙尘暴的两大主要因子。因此本文在分析敦煌地区春季大气边界层结构特征时主要以温度和风向、风速为主。图 4a是不同天气条件下 07时 15分探空资料计算的位温廓线。4 月 13、24、28 及 29日混
20、合层厚度均在 600hPa以上高度层（约为 3000m）,与张强等 21初夏在敦煌地区观测的高度 3000m一致，形成深厚的混合层主要是受干旱地表加热作用比较明显。热力作用恰是发生沙尘天气的主要因子，与之相对应，用 CE-318太阳光度计资料反演的气溶胶光学厚度均比较大。4 月 16日具有稳定的边界层特征；4 月 27日在 780hPa(400m)以下形成了逆温层，张强等人 21在敦煌地区观测结果表明,初夏在当地常有近地层逆温现象。图 4b、4c 分别是用敦煌地区 07时 15分探空资料计算的水平风速。图中西风正，东风为负；南风为正，北风为负。6 天的观测资料表明，800hPa 以下低层东风，
21、与张强等初夏观测结果一致；但中高层东西风所占比例大体相当，与文献结果不一致，主要是春季特别是 4月，经向和纬向环流在调整期，冷空气活动频繁，因此高空风变化较大。同时，在低层常有西风急流出现，与给出的结果一致；另外，沙尘暴日（29 日）低空西风急流最强。从风的南北分量风速（图 4c）分布特征来看，低层风速明显小于东西分量风速，但在发生沙尘暴的 29日 07时 15分，低层同时出现了北风急流，急流强度达到 19m/s。南北分量的高层除沙尘暴日（29 日） ，其余各天的南北分量比对应日期的东西风量略小。a100200300400500600700800285 300 315 330 345位 温 (
22、K)气 压(hPa)4月 13日4月 16日4月 24日4月 27日4月 28日4月 29日b 100200300400500600700800-45 -30 -15 0 15 30 45东 西 风 分 量 (m/S)4月 13日4月 16日4月 24日4月 27日4月 28日4月 29日c 100200300400500600700800-60 -40 -20 0 20 40 60南 北 风 分 量 (m/S)4月 13日4月 16日4月 24日4月 27日4月 28日4月 29日图 4. 大气层位温和风速水平风分量廓线(a.位温,b.东西风速分量,c.南北风俗分量)Fig.4. The p
23、rofile of potential temperature and horizontal component velocity of atmosphere(a. potential temperature, b. west-east component velocity, c. south-north component velocity)5 小结由 CE-318型全自动太阳光度计反演的敦煌地区不同大气背景下的气溶胶光学厚度特征可以发现，在不考虑吸收的的情况下，440nm、870nm 和 1020nm波段晴空大气观测资料反演得到地当地春季大气气溶胶光学厚度都小于 0.3；在沙尘天气即将来临
24、时，气溶胶广学厚度会出现明显的增加，在当地发生沙尘暴前会增加到 0.4以上，这一结果对沙尘暴预报和预警具有重要意义，同时对环境质量监测和检测具有参考价值。在沙尘暴结束之后，由于沙尘气溶胶粒子影响，大气光学厚度比晴空大气高两倍以上，但是随着沉降，光学厚度逐渐减小。参考文献：1 盛立芳,耿敏,王园香等.2002 年春季沙尘暴对青岛大气气溶胶的影响J.环境科学研究,2003,16(5):11-17.2 肖辉.东亚地区沙尘气溶胶影响硫酸盐形成的模式评估J.大气科学,1998,22(3):343-353.3 Tegan, I. A.Lacis, and I. Fung, The influence on
25、 climate forcing of mineral aerosols from disturbed soilsJ. Nature, 1996,380: 419-4224 Sokolik, I., O.B.Toom, Direct radiative forcing by anthropogenic airborne mineral aerosolsJ. Nature,1996,381:681-6835 胡荣明,石广玉.中国地区气溶胶的辐射强迫及其气候响应实验J.大气科学,1998,22(6):6 Duce.R.A. Aerosol forcing of climate, charlson
26、J, Heintzenberg R.J, Eds. New York: Wiley, 1995.7 牛生杰,章澄昌,孙继明.贺兰山地区大气气溶胶光学特征研究J. 高原气象,2001,20(3):298-301.8 Cahill T A,Surovik M,Wittmeyer I.Visiblity and aerosols during the 1986 carbonaceous Species methods comparison studyJAerosol Science and Technology,1990,12:149-160.9 Holben,J.T.,Talor, F.W.,Ro
27、dgers,C.D.Remote sounding of atmospheresJ.Remote Sens.Environ,1998,66,1-16.10辛金元,张文煜,袁九毅等.消光法反演腾格里沙漠地区沙尘气溶胶谱分布J.高原气象,2004,23(5):654-659. 11张文煜,辛金元,袁九毅等.腾格里沙漠气溶胶光学厚度多波段遥感研究J.高原气象,2003,22(6):613-617.12毛节泰,李成才,张军华等.MODIS 卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计遥感的对比J.应用气象学报,2002,13(特刊):127-135.13宗雪梅,邱金桓,王普才.宽带消光法反演气溶胶光学
28、厚度与 AERONET北京站探测结果的对比研究J.大气科学,2005，29(4):645-653. 14邱金桓,孙金辉.沙尘暴的光学遥感及分析J.大气科学,1994,18(1):1-10.13张玉香,胡秀清,刘玉洁等.北京地区大气气溶胶光学特性监测研究J.应用气象学报,2002,13(特刊) :136-143.14李韧,季国良.敦煌地区大气气溶胶光学厚度的季节变化J. 高原气象,2003,22(1):84-87.15廖国男.大气辐射导论(第二版)M.北京:气象出版社,2004.16Smironv.A.,Holben.B.N,Dubonik.O.et.al.Maritime component
29、in aerosol optic models derived from Aerosol Robotic Network dataJ.J.G.R.2003,108,D1,4033,doi:1029/2002JD002701.17Smironv.A.,Holben.B.N,Savoie.D.et.al.Releationship between column aerosol optical thickness and in situ ground based dust concentrations over BarbadosJ.J.G.R.2000,27(11):1643-1646.18Dubo
30、nik.O., Smironv.A.,Holben.B.N,et.al.Accuracy assessments of aerosol optical properties retrieved from Aerosol Robtic NetworkSun and sky radiance measurementsJ.J.G.R.2000,105(D8):9791-9806.19申彦波,沈志宝,汪万福. 2001年春季中国北方大气气溶胶光学厚度与沙尘天气J. 高原气象,2003,22(2):185-190.20刘玉杰,牛生杰,郑有飞.用 CE-318太阳光度计资料研究银川地区气溶胶光学厚度特性J
31、.南京气象学院学报,2004,27(5):615-622.21张强,卫国安,侯平.初夏敦煌荒漠戈壁大气边界层特征的一次观测研究J.2004,23(5):587-597.Aerosol Optical Depth of different Weather conditions in Spring of Dunhuang AeraAbstract: Based on the data of surface automatic sun photometer CE-318 multi-band solar radiation were used to retrieval AOD（atmosphere
32、optical depth） in channel 440nm,870nm and 1020nm.The results show that the aerosol optical depth is very deference in different weather condition in Dunhuang in spring season. In clear sky atmosphere aerosol optical depth is smaller than 0.3.AOD of dust weather is about 2 to 3 times of clear sky,s. AOD of Dust-blowing condition is about 2 to 3 times of dust weather condition. AOD will be a noticeable increase before sand-storm happened. Keyword: AOD; sun photometer; Solar Radiation
