利用激光雷达探测兰州地区沙尘和黑碳气溶胶的研究

【摘要】：大气气溶胶通过其直接、间接和半直接效应对区域和全球气候都有重要影响。地处中国西北半干旱区的兰州市是一个受沙尘天气影响较多、空气污染较严重的工业城市,因此对这种典型地区的沙尘和黑碳气溶胶进行长期观测,分析其分布特征,对进一步研究该区域气候变化,具有重要的科学意义和应用价值。本文利用微脉冲激光雷达(CE370-2)在兰州的观测资料,分析一次持续时间较长的沙尘过程气溶胶的垂直分布和演变特征,结合多角度吸收光度计(MAAP5012)、偏振激光雷达(L2S-SMⅡ)观测资料,分析获得兰州地区采暖期黑碳气溶胶浓度的日变化、逐日变化和季节变化,以及采暖期气溶胶消光系数和退偏比的垂直分布等定量结果,为检验数值模式模拟能力,调整参数化方案,进一步提高模式模拟精度,提供有力的支撑。主要结果如下：(1)无沙尘个例分析表明,兰州市无沙尘条件下气溶胶主要集中在1.5km以下,激光雷达后向散射信号垂直剖面图与气溶胶垂直廓线结果对应较好。气溶胶光学厚度全天整体较小,最大值为0.85,全天波动较小,平均为0.42。(2)对2013年3月8日-2013年3月15日的沙尘过程气溶胶垂直分布的分析表明,气溶胶消光系数的变化与沙尘过程的发展能够很好的对应,激光雷达探测高度基本在3km以内,沙尘气溶胶整体分布在lkm以下,沙尘过境前光学厚度值较小,平均为0.8左右,沙尘过境,AOD值急剧增加,最大达到3.0,之后转为浮尘天气,AOD值自9日开始又有所降低,直至3月13日,这期间气溶胶AOD值呈波动变化,减小-增大-减小,最小达到了0.5,与气溶胶消光系数的波动变化基本一致。(3)分析同期SACOL榆中观测站温度、相对湿度的垂直廓线。在低层温度从270K左右随高度降低,500-1000m高度存在一个逆温,之后基本随高度呈降低的趋势,而相对湿度的变化具有波动性。沙尘初期,相对湿度在低层最大值可达40%以上,到了沙尘过程中后期,低层的相对湿度最大值为35%左右。此外,相对湿度垂直廓线与同期消光系数垂直廓线变化趋势比较相似。(4)利用多角度吸收光度计观测分析了采暖期黑碳气溶胶浓度日变化、逐日变化和季节变化,结果显示,2009年、2010年及两年平均冬季黑碳浓度日变化总体呈现双峰结构,且2009年、2010年及两年平均日变化的总体趋势一致,第一个峰值出现在10：00至12：00之间,2009年最高值达到3000ng/m3,第二个峰值出现在20：00至23：00之间,2010年最高值2900ng/m3,谷值都出现在18：00左右。黑碳气溶胶逐日变化呈U型分布。(5)对比分析SACOL榆中综合观测站与城市观测站同时期黑碳浓度日变化发现,榆中站和城市站黑碳浓度都呈现出双峰结构的变化特征,城市站黑碳浓度总体高于榆中站,且城市站黑碳浓度变化波动大,采暖期黑碳浓度高于非采暖期。(6)利用偏振激光雷达(L2S-SM Ⅱ)观测分析了采暖期气溶胶消光系数和退偏比的垂直分布以及期间光学厚度的时间演变。兰州远郊采暖期气溶胶主要分布在2km以下,在低层1064nm的消光系数大于532nm的消光系数,反映了低层颗粒的粒径较大,污染型粒子的退偏比基本小于0.2,退偏比超过0.2的可能为沙尘粒子。(7)2009年采暖期光学厚度平均值为0.4,比采暖前期增加了60%；2010年采暖期光学厚度平均值为0.32,增加了23%；2011年采暖期光学厚度平均值为1.1,采暖前期光学厚度平均值为0.3,增加了200%多,说明人为源气溶胶在采暖期占主导作用。