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利用新型全自动太阳光度计研究气溶胶光学和物理特性

刘玉杰  
【摘要】: 大气气溶胶是由固态或液态的质粒分散到空气中形成的分散体系,虽然大气气溶胶粒子质量仅占大气质量的十亿分之一,但它对大气辐射传输、气候变化、环境质量、云和降水过程以及水文循环过程都有重要影响,从而构成气溶胶的辐射气候效应、环境健康效应和云物理效应。因此,研究气溶胶的物理化学性质和光学特性及其时空变化规律成为大气科学的一个热点问题。 本文根据全自动太阳分光光度计CE-318测得的太阳直接辐射数据,计算了银川地区的大气气溶胶光学厚度,反演了该地区的粒子谱分布和气溶胶消光系数特征,并利用计算的结果对银川地区的光学厚度、粒子谱分布和消光系数的变化特征做了比较系统的分析。 CE-318是一种高精度野外太阳和天空辐射测量仪器,具有易携带易安装、自动扫描、太阳能供电、可自动传输数据等特点。CE-318主要用于测量太阳和天空在可见光和近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射亮度。利用CE-318测得的直接太阳辐射数据可以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;天空扫描数据则可以反演大气气溶胶粒子尺度谱分布及气溶胶相函数。目前国内沙尘暴监测预警系统布设有该种设备。 在进行计算时首先选择了天空晴朗无云、大气层结很稳定的天气条件下的太阳直接辐射数据,利用Langley法对太阳光度计进行了定标。随后由太阳直接辐射数据利用Bouguer定律反演了大气气溶胶光学特性;在计算所得的光学厚度的基础上,利用Monte carlo方法反演了气溶胶的粒子谱分布。计算了银川地区的大气气溶胶光学厚度,反演了该地区的粒子潜分布和气溶胶消光系数特征,并利用计算的结果对银川地区的光学厚度、粒子谱分布和消光系数的变化特征做了比较系统的分析。 银川位于我国西北地区东部,其西北部有巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠,东部有毛乌素沙地,这些沙漠和沙地是银川地区沙尘气溶胶的重要源地。由于沙源充足,加上冬、春两季降水偏少,气候干旱,大风偏多,造成银川地区冬、春两季沙尘暴频繁发生,其中4~5月是全年沙尘天气的高发期。本文使用的研究资料就来自于全自动太阳分光光度计CE-318所测得的银川地区2002年1月、4月、7月、10月四个月的太阳直接辐射数据。这四个月的资料可以代表冬、春、夏、秋四季,不同的气候条件下的太阳直接辐射强度,对计算所得的大气气溶胶光学厚度和粒子潜分布的计算结果的分析,可以初步了解该地区大气气溶胶的物理和光学特性。 通过对计算所得结果进行分析,可得到以下的结沦: (1).在某一给定的波长上,大气气溶胶的光学厚度随不同气象条件和观测点地理位置的不同而有很大的差异,甚至可能有完全不同的变化规律。由此可知,在可见光和近红外波段,大气气溶胶在不同波段上的消光特性各不相同:在可见光波段气溶胶的消光能力比在近红外波段大,并且在可见光波段气溶胶 光学厚度的变化随气溶胶理化特征的变化很明显:不同的波段对气溶胶成分的 变化的反应也各不相同。 (2).该地区大气气溶胶光学厚度具有明显的日变化和季节变化。日 变化有四种类型(9:00一一16:00),它们分别是:1).大气气溶胶光学厚 度的日变化相对稳定,这种情况下87Onm、936nm和1020 nm的T:日平 均值小于0.1,由于大气气溶胶在可见光波段的吸收比在近红外波段的 大,44onm处的T。值在 0.1一0.2之间;2).大气气溶胶光学厚度的日变 化整体上呈上升的趋势;3).大气气溶胶光学厚度早晚小,中午大;4).9一 11时出现峰值,其它时间变化比较小。在大气比较浑浊的情况下, 日平均值比干净大气的日平均值大1.5倍左右。对于季节变化而言,则 是冬春季节大,秋季次之,夏季最小:夏季T:在观测期间87Onm、936nm 和1020nm的月平均值分别为0.104,0.110,0.119,440nm处为 0.226。 春季大气中的主要成分是沙尘,冬季大气的主要成分是人类活动排放的 大量颗粒物,而夏季由于降水的清除作用明显,气溶胶数浓度较低,气 溶胶光学厚度较小。 (3).该地区的不同种类的气溶胶粒子谱分布特征各不相同。烟煤和 水溶性粒子的谱分布呈偏态,沙尘粒子则呈比较标准的正态分布,它们的这种 分布是与粒子半径和气溶胶的成分密切相关的。水溶性粒子几乎以核模态存在, 其中水溶性粒子半径在0.001一1.Opm占的比例很大,最大浓度分别高达10,一 10飞m刃,占气溶胶总数的95%或更多;烟煤粒子以核模态和集聚模态存在,是 大气中比较稳定的成分,数浓度比水溶性粒子小一个量级。沙尘粒子基本上以 粗模态存在于空气中,山于体积比较大,容易通过干、湿沉降从大气中移出, 所以含量极少,其数浓度仅占总浓度的2.61 x 10一,%。沙尘粒子数浓度的峰值 出现在1.Opm左右,平均浓度为168/c耐。 气溶胶的数浓度具有明显的日变化(9:00一16:00)。水溶性粒子的日变 化呈双峰型,烟煤粒子和沙尘粒子变化呈单峰型变化,水溶性粒子数浓度的峰 值出现在上午9时和下午巧时,烟煤性粒子的峰值出现在H时一13时之间, 沙尘粒子的峰值出现在9一11时之间。造成气溶胶的这种变化规律的原因很 复杂,但归根?


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