利用CALIPSO资料对中国两大城市群霾过程中气溶胶粒子的特征进行比较外文翻译资料

 2022-11-30 16:14:30

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利用CALIPSO资料对中国两大城市群霾过程中气溶胶粒子的特征进行比较

摘要：利用CALIPSO在2007年1月至2008年12月的雾霾期间的垂直观测数据，我们分析了中国京津冀地区（地区A）和长三角地区（地区B）近地面及对流层中部气溶胶特征的差异。一个显著的差异是地区A的霾污染与当地及非当地的气溶胶都有关联，而地区B的霾污染则主要由当地人工排放源引起。在近地面和更高的高度，除了秋季，其他所有季节地区A的霾污染都要比地区B严重。在地区A，春夏冬0-4km高度主要是非球形气溶胶；秋季则是0.5km以下有大量非球形气溶胶，0，5-4km是近球形气溶胶。在地区B，球形和非球形气溶胶在所有季节都很常见，此外，所有季节色比为0-0.2的气溶胶粒子在地区A都比地区B常见，这说明地区A的PM2.5污染要比地区B的严重。最后，地区A相较于地区B，与重力沉降有关的大粒子在近地面出现的更频繁。

一 引言

城市群中的霾污染问题已经成为中国最严重的环境污染问题。鉴于空气质量的下降以及它对人类健康的影响，中国政府已经采取一系列措施来减轻环境污染，但仍需要更多关于霾污染的定量信息来制定控制空气污染的计划。霾是一种复杂的污染问题，是由于包括PM2.5粒子、气态污染物以及特殊的大气环境等因素共同作用下发生的。2013年，中国发生了许多范围广且严重的霾污染事件。比如2013年1月中国东部发生霾事件的时候，北京观测到的PM2.5的最大每小时数浓度大于600mu;g/m3 ， 而一些站点的持续浓度达到了1000mu;g/m3 。2013年12月上旬，另一个严重的霾事件发生了，覆盖了几乎大半个中国，影响了25个省份的超过100个站点。上海是受到的影响最为严重的一个站点之一，PM2.5最大每小时数浓度接近500mu;g/m3 ，.这些事件证明目的在于告知公众关于区域性大气污染（尤其是城市群内的霾污染）影响的策略以及进一步的缓减方式是十分必要的。在这篇文章中，分析和比较不同城市群内气溶胶的特征是十分必要的。这类信息会增加空气质量预测的准确性，也会促进对区域性大气污染的控制。

京津冀大都市带和长三角地区都是中国最大的城市群之一。城市化，尤其是城市下垫面特征的改变会影响诸如如降水，大气温度和风速这些对大气污染物扩散而言十分基础的气象条件。因此，由工业活动引起的空气污染物经常在不利的天气条件下积聚在城市大气中。考虑到他们不同的气候和社会经济特征，在这两个城市群中的气溶胶的光学和物理特征表现出明显的不同。此外，这两个区域之间的天气条件也明显有差异。尽管之前的研究已经利用地基雷达或天基无源传感器分析了这些城市群内单个的城市或者区域气溶胶的特征，很少有研究会比较这两个区域之间气溶胶的垂直分布。

不同于地基雷达或者天基无源传感器的观测，先进的CALIPSO数据提供了高分辨率的气溶胶垂直分布特征，包括他们消光和微物理特征。在-0.5-8.3km高度之间，532nm的垂直分辨率是30m；1064nm的垂直分辨率是60m。此外，CALIPSO可以观测全球范围内亮面如沙漠和雪面之上的气溶胶，夜以继日。值得注意的是在明亮的白天情况下，这些数据有严重的太阳污染，因此在夜间薄云层下的气溶胶观测数据最值得信赖。为了充分利用CALIPSO数据的优势，我们使用了气溶胶的时空分布数据；这些信息对于提高模式预测的准确性和估测气溶胶的辐射效应十分有用。此外，尽管CALIPSO产品已被广泛应用于分析云和气溶胶的特征，很少有研究致力于区分城市群内雾霾期间大气气溶胶的特征。鉴于CALIPSO已经成为在同一时刻观测不同城市气溶胶垂直分布信息的有效工具，而且不需要大量资金，我们使用CALIPSO数据来评测中国两大主要城市群雾霾期间的时空分布。

二 资料和方法

2.1 CALIPSO数据

由NASA CALIPSO科学团队提供的Level 1B数据产品来源于搭载于CALIPSO上的CALIOP星载激光雷达。云-气溶胶偏振激光雷达（CALIOP）是一个双波段的正交偏振雷达，它提供532nm和1064nm全天的后向散射垂直廓线。经过北京和上海的最近的CALIOP轨道是在每天的当地标准时间02：00和14：00。在本研究中，我们使用了三个描述气溶胶光学和微物理学特征的参数：总衰减后向散射系数（TABC）、体积退偏比（VDR）和色比（ACR）。TABC是表征气溶胶含量的参数。当TABC的值很大的时候说明有更多的气溶胶存在于大气中，污染也就更为严重。TABC使用下面的公式进行计算：

式中表示双向大气透过率：

其中、、分别为气体分子，气溶胶粒子和臭氧的消光系数，是卫星高度。

VDR和ACR反应了气溶胶形状的规则程度和气溶胶粒子的尺度。VDR定义为532nm垂直后向散射系数与平行后向散射系数之比，而ACR的定义则是1064nm与532nm总后向散射系数之比。

2.2 方法

为了从这些观测到的数据中得到明确的信息，我们引入了“雾霾时”这个概念。即当平均可见度低于10km和平均相对湿度小于95%，且没有降水、浮尘、烟雾、灰尘或雪暴时的时刻。我们在2007年1月至2008年12月雾霾期间卫星经过区域A或者区域B的数据里选取了60个案例。当只有很少的探测点或当激光因薄云层而未能探测到对流层低层时将剔除该数据。总体来说，云有着更大的后向散射系数和更高的色比值。因此，当TABC大于，ACD大于2时相对应的高度将被记录下来。所有在该高度以下的数据都被认为是不可信赖的并被排除掉。

为了探究气溶胶特征的季节变化差异，数据将被分为4个季节来分析（春季：3-5月，夏季：6-8月，秋季：9-11月 冬季：12-2月）。

三 结果与讨论

3.1两个区域之间总衰减后向散射系数的差异

根据之前的一项研究，532nm的TABC在~为气溶胶颗粒，除了当存在明显的薄气溶胶层或云层（尤其是层云）时。Fig 2是两个地区TABC的季节变化。X轴给出了4个TABC值的范围，而Y轴则给出了每个范围的出现频率。

对于地区A来说，在图2（a）、（b）和(d）中可以看到春夏冬季TABC出现频率最高的是3.5 times; 10minus;3到4.5 times; 10minus;3kmminus;1srminus;1之间，频率最低是在8times;10-4到1.5times;10-3km-1sr-1之间。而从图2（c）上可以看到在秋天，TABC的值主要集中在1.5times;10-3到2.5times;10-3km-1sr-1 之间，却很少有3.5times;10-3-4.5times;10-3km-1sr-1 之间的值。对地区B来说，春夏秋冬季的分布趋势较为一致：1.5times;10-3到2.5times;10-3km-1sr-1 之间最少，3.5times;10-3-4.5times;10-3km-1sr-1 之间最多。相较于区域A，区域B在春夏冬季比秋季有更多的气溶胶。

认识气溶胶的垂直结构可以帮助我们了解到他们的来源。四季TABC的垂直分布展现在图3中。在垂直方向上，区域A的TABC的值要大于区域B的值，尤其是在夏天和冬天。与区域A相比，区域B的TABC值随着高度增加而减小。因此，每个季节1.5km以下的平均TABC要大于1.5km以上的。以冬天为例，1.5km以下的平均TABC是24.6plusmn;1.5km-1sr-1 ；而1.5km以上的评价TABC是21.9plusmn;0，5km-1sr-1 。与之相反，在区域A（除了秋季）TABC的平均值在0-4km都几乎一样，这说明当地和非当地的气溶胶都是霾污染的成因。正如图3（c）所示，表征气溶胶含量的TABC秋天在近地面层非常低。在秋天，云更高而且大部分时间都天气状况良好。在这些情况下，城市热岛效应造成了污染物积聚量的减少；结果秋季的气溶胶含量远小于其他季节。但夏季不同，夏季通常炎热多雨，利于污染物扩散。在这种条件下城市热岛效应引起城市上空低压，引起城市和郊区之间的空气运动，又将污染物输送回城市。Song等人研究出的结论表明PM2.5粒子的数浓度在持续高温的情况下是低温情况下数浓度的2-3倍。冬季非常寒冷，因此燃煤等供热现象产生大量气溶胶。Sun，Wang和Zhang等人的结果显示北京雾霾期间PM10浓度相对而言较高。

3.2 两个区域之间体积退偏比的差异

VDR的值表示了气溶胶粒子形状的不规则程度。四种常见的气溶胶类型（沙尘、海洋气溶胶、烟雾和大陆性气溶胶）的VDR值为：海洋和大陆性气溶胶一般为0%-5%，烟雾为0%-8%而沙尘则范围最大，为5%-40%。在图4中可以看到，春夏冬三季各季节对应的各VDR范围所占的比重几乎是一致的，而秋季则明显表现出与其他三季的差异。在秋天，大约67.01%的气溶胶有着较小的VDR值（0%-10%）。较高的VDR值与北京春季多发的扬尘有关，引起了更多有着不规则形状的气溶胶。而区域B的粒子VDR四季都主要出现在0%-5%范围。区域B的气溶胶粒子很明显比区域A的粒子更规则。

如图5所示，两个区域的VDR有着不同的季节垂直变化差异。很明显，区域A0-4kmVDR季节平均值要比区域A的小。区域A和区域B的退偏比垂直分布在春夏冬季节较为相似，而秋季则有所不同。秋天区域B的退偏比更接近于0，说明在该季节海洋和大陆性气溶胶是主要的气溶胶类型；而在区域A，0.5km以上的VDR值明显比0.5km以下的VDR值要小，说明近地面的污染物包含着来自当地污染源的不规则气溶胶粒子。相较于地区A，地区B全年的VDR值都更小，而且0-4kmVDR的波动相对而言更稳定。总的来说，当雾霾发生时地区A4km以下的气溶胶形状都比地区B更不规则。

3.3 两个区域之间色比的差异

区域A和区域B四个季节的色比频率分布显示在图6上。一般来说，色比越大粒子的尺度越大。在区域A，夏秋冬色比频率在0-0.2范围内最大，春季色比频率最大的范围是0.6-0.8.可见大气溶胶粒子春季出现的更为频繁，这可能与来自中国北方或东北的沙尘有关。而在区域B，四个季节色比频率都是在0-0.2范围内最大，因此PM2.5在区域B的雾霾天气中更为常见。

图7展示了不同高度色比值的的季节差异。在区域A，春季色比高值出现在1.5-2km，夏季色比高值出现在0-1.2km，秋季色比高值出现在1-1.5km，冬季色比高值出现在1.5-2.2km。而区域B的各季节色比垂直分布则明显与A不同。四个季节色比高值都出现在近地面以上0.5km以下。另外，气溶胶尺度随着高度增高而逐渐减小，这可能与重力沉降有关。在区域B低层也有比区域A同高度处气溶胶更大的气溶胶粒子（春季在1.5km以下，夏季是0.2km以下，秋季是0.8km以下，冬季时1.2km以下）。除去这些高度的气溶胶，区域A总体上有更多色比较小的粒子。

根据之前的研究，包含黑炭粒子大陆性和烟雾气溶胶大部分都是尺度很小的球形。与之相反，海洋气溶胶则是粗糙不齐的粒子。体积退偏比大于17%，色比峰值达到0.8，有着以上特征的沙尘气溶胶相较于其他气溶胶明显更不规则，尺度也更大。根据我们的分析，我们认为大陆性、烟雾和沙尘气溶胶是区域A气溶胶的主要类型，而区域B气溶胶的主要类型则是大陆性、烟雾和海洋气溶胶。然而，为了确定这些地区特定气溶胶类型的数量，需要利用地基激光雷达和卫星做更进一步的研究。

四 结论

我们分析了京津冀（区域A）和长三角地区（区域B）2007年1月-2008年12月雾霾期间气溶胶光学和微物理参数（总衰减后向散射系数、体积退偏比、色比）的特征。特别比较了他们两个城市群季节和垂直分布上的差异。以下是主要结论

  1. 尽管在雾霾期间两个地区0-4km都有大量的气溶胶积聚，但这些气溶胶有一些不同。本文的主要发现之一是区域B气溶胶更多的是来源于本地人工排放源，而不是非当地源；而当地和非当地的排放源对区域A的雾霾的产生有同样的作用。相对于区域B，区域A的污染在春夏冬季要比秋季更严重。
  2. 总体上区域A粒子的体积退偏比要比区域B的大。这意味着不规则气溶胶在区域A出现的更频繁。在区域A，春夏冬的气溶胶污染有规则和不规则气溶胶粒子的影响；秋季则在0.5km以上大量出现形状规则的气溶胶。而在区域B，形状规则的气溶胶在全年都占主要地位。
  3. 在区域A，色比大的气溶胶粒子在春季夏季和冬季出现的更为频繁，这可能与北京高浓度的沙尘或来自中国东北的沙尘有关。与之相反，在区域B——全年都是相对而言较小粒子占主导地位的区域， PM2.5污染事件出现的更加频繁。此外，区域B气溶胶色比的垂直分布说明了高层（1.5-4km）的气溶胶比低层（0-1.5km）的气溶胶要小。

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