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1、 敦煌地区春季气溶胶光学厚度的变化特征分析 岳 平1,2,3 牛生杰2 1.中国气象局兰州干旱气象研究所 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃 兰州 730020;2.南京信息工程大学气象灾害国家重点实验室培育点,江苏 南京 210044; 3.酒泉市气象局,甘肃 酒泉 735000.) 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
2、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
3、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3-5。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
4、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 项目基金: 国家自然科学基金项目(40365002,及干旱气象科学研究基金项目(IAM200414)资助.第一作者简介:岳平(1974),男(汉族),甘肃静宁人,工程师,博士研究生,主要从事沙尘天气与沙尘气溶胶研究.E-mail: 度平均值约为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
5、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10
6、20nm，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
7、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、94o47E,拔海高度1300m，观测场地比较开阔，可根据敦煌气象站（40o15N、94o68E，1140m）地面观测资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
8、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，则有： （1）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，与太阳赤纬角、及太阳天顶角有关；大气垂直总光学厚度； 为吸收气体透过率。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法定标。若以代替、代替时（1）式两端同时要乘一项比例常数，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，则大气总光学厚度可表示为
9、： (2) 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， (3)其中Rayleigh 散射光学厚度可根据地面气压值计算出来。计算得表达式如下11： （4）其中为标准大气压，为观测时的实际大气压。CE-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。
10、可表示为： （5）4 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
11、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。 图1(a、b)敦煌春季晴空大气
12、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2a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
13、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
14、。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。 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
15、。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
