青島近岸海域氣溶膠光學厚度的日變化

青島近岸海域氣溶膠光學厚度的日變化

氣溶膠是指漂浮在相上的固體和液體顆粒，它們可以吸收和散射陽光的短波輻射，并向外發(fā)射長波輻射，影響氣候變化。此外，小于10ml的氣溶膠顆粒是壓力污染的重要來源。因此有效的監(jiān)測及分析氣溶膠對于了解其對氣候、環(huán)境等方面的影響具有重要意義。在黃海區(qū)域,李正強等利用多波段太陽輻射計對黃海海域氣溶膠光學厚度進行了測量和研究,黃海海域550nm波段氣溶膠光學厚度在0.1左右,?ngstr?m波長指數(shù)約為1.2,大氣渾濁度系數(shù)在0.05左右。趙葳等利用2003年春季的觀測數(shù)據(jù)研究了黃、東海氣溶膠光學厚度,在春季無云的情況下黃、東海上空550nm波段氣溶膠光學厚度分布在0.2～0.4;霾層較厚時海區(qū)上空氣溶膠光學厚度達到0.8。馬玉娟等對青島市嶗山區(qū)氣溶膠光學厚度進行了分析,冬季440nm波段氣溶膠光學厚度一般分布在0.4～0.6和1.5～1.6,渾濁度系數(shù)一般分布在0.15～0.45,?ngstr?m指數(shù)分布在1.0～1.4。其它針對青島地區(qū)氣溶膠的研究則主要集中在海鹽源的貢獻、沙塵暴的影響、氣象條件的影響以及季節(jié)變化等方面。本文利用2008年4月到2009年3月間在青島小麥島獲得的CE318太陽光度計觀測數(shù)據(jù),從氣溶膠光學厚度的光譜性質及日變化和季節(jié)變化特征方面對青島近岸海域氣溶膠特性進行了分析。1數(shù)據(jù)和方法1.1觀測數(shù)據(jù)與污染事件的處理采用的儀器為CE318太陽光度計,該儀器設有8個觀測通道,分別為440nm,670nm,870nm,870P1,870P2,870P3,936nm,1020nm,其中P1,P2,P3為3個極化通道,936nm為水汽通道。利用440nm,670nm,870nm,1020nm進行氣溶膠光學厚度測量,地點設在青島的小麥島海洋觀測站(120.42°E,36.05°N),海拔大約為10m。從2008年4月到2009年3月每天進行觀測,每次觀測的時間間隔為15min。對觀測數(shù)據(jù)進行預處理,剔除瑞利散射和臭氧的影響以及受云污染的數(shù)據(jù),云污染事件的剔除一般有以下2種方法:晴空天氣中出現(xiàn)云時,觀測數(shù)據(jù)會突然變大,圖1為2008年9月7日觀測數(shù)據(jù)的時序變化,在11時40分左右數(shù)據(jù)突然增大,超出了觀測值正常的變化范圍,認定該點異常,予以剔除。圖2為2008年5月15日觀測數(shù)據(jù)的時間序列變化,藍光波段氣溶膠光學厚度在10點到16點之間一直保持在1.5以上,觀測數(shù)據(jù)普遍偏大,此時需借助其它輔助手段來判斷是否被云污染。在天氣網(wǎng)站上查看該日的天氣情況,該日從早5點到晚8點一直有云和霧靄,因此該時間范圍內的數(shù)據(jù)應全部剔除。預處理后,經(jīng)統(tǒng)計,從2008年4月到2009年3月共有60d的觀測數(shù)據(jù),各月份的有效觀測天數(shù)見表1。2氣溶膠光學厚度的測定實測60d的日均氣溶膠光學厚度隨波長的變化見圖3。由圖3可見,氣溶膠光學厚度最大的通道是440nm,其次分別為670,870和1020nm,光學厚度隨波長的變化總體上呈負冪指數(shù)分布。?ngstr?m提出了一種用大氣渾濁度參數(shù)κ和?ngstr?m指數(shù)υ表示氣溶膠光學厚度的關系式,τ=κλ-υ(1)其中κ是大氣渾濁度系數(shù),代表顆粒粒徑為1μm的氣溶膠的光學厚度,υ描述了氣溶膠的光譜特征,與粒徑尺寸有關。κ越大,表示大氣越渾濁;υ為負或者接近0時,表明空氣中所含大粒子較多,當υ大于1.5時,空氣中所含小粒子較多;人為形成的氣溶膠主要是小顆粒氣溶膠,自然氣溶膠主要是大顆粒氣溶膠。將60d的實測數(shù)據(jù)分別進行擬合得到參數(shù)κ和υ,然后取平均,結果如下:κ=0.22±0.07,υ=1.26±0.23。因此,κ的平均值表明青島近岸海域空氣較渾濁;υ的平均值說明氣溶膠組成中小粒子較多,空氣中除含有大氣本底氣溶膠外,還有人為氣溶膠粒子的加入。3隨著時間的推移，氣溶膠的光學厚度變化3.1氣溶膠光學厚度上升型和下降型凸型通過分析2008年4月到2009年3月的氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù),得到了3種主要的氣溶膠光學厚度隨時間的變化趨勢,如圖4所示。圖4(a)為上升型,即一天之中氣溶膠光學厚度呈上升趨勢,該情形多出現(xiàn)在冬季,出現(xiàn)時風向多為南風或者東南偏南風,即風由海洋吹向陸地,將海面上的水汽吹送到測點上空,導致氣溶膠光學厚度增大;圖4(b)為下降型,即氣溶膠光學厚度呈下降趨勢,其可能原因是早晨天空有霧霾存在,中午隨著霧霾的消失氣溶膠光學厚度相應減小;圖4(c)為凸型,即氣溶膠光學厚度早晚低、中午高,可能的原因是:中午太陽照射地面使得大氣層不穩(wěn)定,且人類活動增加,使得地面的灰塵容易進入空氣中,氣溶膠光學厚度變大。經(jīng)統(tǒng)計,凸型的日變化情形出現(xiàn)的頻率最高,約占40%,上升型和下降型發(fā)生頻率大體相當,各約為30%。張玉平等研究了合肥地區(qū)的氣溶膠光學厚度日變化,有5種變化類型,分別是上升型、下降型、凸型、凹型和平穩(wěn)型,而青島近岸海域的氣溶膠光學厚度日變化類型只有前3種,這可能與測點的地理位置和氣候有關,具體原因有待進一步研究。3.2日變幅對應的累積天數(shù)統(tǒng)計不同波段氣溶膠光學厚度的日變幅,結果如圖5所示。圖5中縱坐標表示不同氣溶膠光學厚度日變幅對應的累積天數(shù),四種顏色分別代表4個不同的波段,440nm波段日變幅大多分布在0.2～0.3;670nm波段日變幅一般分布在0.1～0.2;870nm和1020nm波段日變幅一般分布在0～0.1;總體來看,波長越長,氣溶膠光學厚度的日變幅越小。3.3氣溶膠光學厚度實測數(shù)據(jù)從2008年4月到2009年3月共有12個月,其中2008年7月沒有有效數(shù)據(jù),將11個月每天的氣溶膠光學厚度值取平均,得到氣溶膠光學厚度月變化結果,如圖6所示。由圖6可見,青島近岸海域的氣溶膠光學厚度在4～6月最大,冬季最小(11月、12月、1月)。春季通常沙塵天氣較多,空氣會有一定程度的渾濁,導致氣溶膠光學厚度偏大;夏季青島多“桑拿”天氣,空氣比較潮濕,且人類戶外活動較多,氣溶膠光學厚度偏大;冬季,天氣較冷,地面冰凍,進入空氣中的塵埃及小顆粒物較少,海面水汽也較少,且冷空氣過境對氣溶膠有稀釋作用,所以氣溶膠光學厚度較小。4氣溶膠光學厚度angstrom指數(shù)(1)青島近岸海域氣溶膠光學厚度隨波長增加而減小,基本滿足?ngstr?m關系,其中大氣渾濁度系數(shù)κ=0.22±0.07,?ngstr?m指數(shù)υ=1.26±0.23。(2)青島近岸海域氣溶膠光學厚度日變化主要有3種變化趨勢:上升型,下降型和凸型;隨波長的增加,日變幅減小:44