利用新型全自動太陽光度計研究氣溶膠光學和物理特性

 大氣氣溶膠是由固態或液態的質粒分散到空氣中形成的分散體系，雖然大氣氣溶膠粒子質量僅占大氣質量的十億分之一，但它對大氣輻射傳輸、氣候變化、環境質量、云和降水過程以及水文循環過程都有重要影響，從而構成氣溶膠的輻射氣候效應、環境健康效應和云物理效應。因此，研究氣溶膠的物理化學性質和光學特性及其時空變化規律成為大氣科學的一個熱點問題。 本文根據全自動太陽分光光度計CE-318測得的太陽直接輻射數據，計算了銀川地區的大氣氣溶膠光學厚度，反演了該地區的粒子譜分布和氣溶膠消光系數特征，并利用計算的結果對銀川地區的光學厚度、粒子譜分布和消光系數的變化特征做了比較系統的分析。 CE-318是一種高精度野外太陽和天空輻射測量儀器，具有易攜帶易安裝、自動掃描、太陽能供電、可自動傳輸數據等特點。CE-318主要用于測量太陽和天空在可見光和近紅外的不同波段、不同方向、不同時間的輻射亮度。利用CE-318測得的直接太陽輻射數據可以反演計算大氣透過率、消光光學厚度、氣溶膠光學厚度、大氣水汽柱總量和臭氧總量；天空掃描數據則可以反演大氣氣溶膠粒子尺度譜分布及氣溶膠相函數。目前國內沙塵暴監測預警系統布設有該種設備。 在進行計算時首先選擇了天空晴朗無云、大氣層結很穩定的天氣條件下的太陽直接輻射數據，利用Langley法對太陽光度計進行了定標。隨后由太陽直接輻射數據利用Bouguer定律反演了大氣氣溶膠光學特性；在計算所得的光學厚度的基礎上，利用Monte carlo方法反演了氣溶膠的粒子譜分布。計算了銀川地區的大氣氣溶膠光學厚度，反演了該地區的粒子潛分布和氣溶膠消光系數特征，并利用計算的結果對銀川地區的光學厚度、粒子譜分布和消光系數的變化特征做了比較系統的分析。 銀川位于我國西北地區東部，其西北部有巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠，東部有毛烏素沙地，這些沙漠和沙地是銀川地區沙塵氣溶膠的重要源地。由于沙源充足，加上冬、春兩季降水偏少，氣候干旱，大風偏多，造成銀川地區冬、春兩季沙塵暴頻繁發生，其中4～5月是全年沙塵天氣的高發期。本文使用的研究資料就來自于全自動太陽分光光度計CE-318所測得的銀川地區2002年1月、4月、7月、10月四個月的太陽直接輻射數據。這四個月的資料可以代表冬、春、夏、秋四季，不同的氣候條件下的太陽直接輻射強度，對計算所得的大氣氣溶膠光學厚度和粒子潛分布的計算結果的分析，可以初步了解該地區大氣氣溶膠的物理和光學特性。 通過對計算所得結果進行分析，可得到以下的結淪： (1)．在某一給定的波長上，大氣氣溶膠的光學厚度隨不同氣象條件和觀測點地理位置的不同而有很大的差異，甚至可能有完全不同的變化規律。由此可知，在可見光和近紅外波段，大氣氣溶膠在不同波段上的消光特性各不相同：在可見光波段氣溶膠的消光能力比在近紅外波段大，并且在可見光波段氣溶膠 光學厚度的變化隨氣溶膠理化特征的變化很明顯:不同的波段對氣溶膠成分的 變化的反應也各不相同。 (2).該地區大氣氣溶膠光學厚度具有明顯的日變化和季節變化。日 變化有四種類型(9:00一一16:00)，它們分別是:1).大氣氣溶膠光學厚 度的日變化相對穩定，這種情況下87Onm、936nm和1020 nm的T:日平 均值小于0.1，由于大氣氣溶膠在可見光波段的吸收比在近紅外波段的 大，44onm處的T。值在 0.1一0.2之間;2).大氣氣溶膠光學厚度的日變 化整體上呈上升的趨勢;3).大氣氣溶膠光學厚度早晚小，中午大;4).9一 11時出現峰值，其它時間變化比較小。在大氣比較渾濁的情況下， 日平均值比干凈大氣的日平均值大1.5倍左右。對于季節變化而言，則 是冬春季節大，秋季次之，夏季最小:夏季T:在觀測期間87Onm、936nm 和1020nm的月平均值分別為0.104，0.110，0.119，440nm處為 0.226。 春季大氣中的主要成分是沙塵，冬季大氣的主要成分是人類活動排放的 大量顆粒物，而夏季由于降水的清除作用明顯，氣溶膠數濃度較低，氣 溶膠光學厚度較小。 (3).該地區的不同種類的氣溶膠粒子譜分布特征各不相同。煙煤和 水溶性粒子的譜分布呈偏態，沙塵粒子則呈比較標準的正態分布，它們的這種 分布是與粒子半徑和氣溶膠的成分密切相關的。水溶性粒子幾乎以核模態存在， 其中水溶性粒子半徑在0.001一1.Opm占的比例很大，最大濃度分別高達10，一 10飛m刃，占氣溶膠總數的95%或更多;煙煤粒子以核模態和集聚模態存在，是 大氣中比較穩定的成分，數濃度比水溶性粒子小一個量級。沙塵粒子基本上以 粗模態存在于空氣中，山于體積比較大，容易通過干、濕沉降從大氣中移出， 所以含量極少，其數濃度僅占總濃度的2.61 x 10一，%。沙塵粒子數濃度的峰值 出現在1.Opm左右，平均濃度為168/c耐。 氣溶膠的數濃度具有明顯的日變化(9:00一16:00)。水溶性粒子的日變 化呈雙峰型，煙煤粒子和沙塵粒子變化呈單峰型變化，水溶性粒子數濃度的峰 值出現在上午9時和下午巧時，煙煤性粒子的峰值出現在H時一13時之間， 沙塵粒子的峰值出現在9一11時之間。造成氣溶膠的這種變化規律的原因很 復雜。