湖泊上空气溶胶厚度及特点

大气气溶胶是指由自然或人为活动排放的，悬浮在大气中固态的和液态的，具有稳定性、沉降性、尺度范围在0.001～100μm之间的颗粒［1］．受周围环境、排放源以及本身性质等多种因素的影响，无论是在组成成分、尺度谱分布还是在时空分布上，气溶胶的变化都很大．气溶胶的时空不确定性是影响遥感影像大气校正精度的重要原因［2］，获取不了较为真实的气溶胶辐射信息，很难从根本上提高大气校正的精度，准确的气溶胶时空变化参数成为湖泊水色遥感大气校正精度提高的关键［3］．气溶胶光学厚度(AOT)与ngstrm参数(波长指数α)是描述大气气溶胶光学特性的最基本的参数;其中，AOT是影响大气气溶胶光学性质的一个重要因素［4］，是计算大气中气溶胶含量、研究气溶胶气候效应以及遥感影像大气校正的关键参数［5，6］;ngstrm波长指数α是气溶胶光谱属性的第一级指标，是判断气溶胶类型的重要依据［7］．系统地研究大气气溶胶，较为精确的方法就是利用地基遥感的观测手段，而地基遥感观测手段常用的仪器是全自动太阳光度计(CE-318)．NASA在全球布设的由数百个站点组成的用于监测全球气溶胶的AERONET气溶胶观测网络，采用的就是该设备［8］．目前，通过该仪器获得的点上高精度的测量数据，已经被广泛的应用于AOT遥感反演［9］和精度验证中［10］．

太湖是我国第三大淡水湖泊，位于我国经济发展最具活力的长三角地区，属于典型的亚热带东南季风气候区，夏季高温多雨，冬季温和少雨．近30年来由于该地区经济持续快速的增长导致环境问题显著，诸如空气质量下降［11］、大气水平能见度降低［12］．近年来已有不少学者对该地区的气溶胶进行研究，主要集中在气溶胶粒子谱分布［13］、卫星遥感反演AOT的验证［10，14］、AOT时空分布［6，14，15］、气溶胶对太阳辐射影响［6］等4个方面．虽然从NASA的MODIS气溶胶产品能够直观地表明长三角地区上空有高浓度的气溶胶存在［16］，但由于其较低的空间分辨率以及难以实时的监测，使得该产品不适用于太湖水色遥感大气校正的研究．太湖站点作为AERONET全球观测站点之一，积累了太湖地区宝贵的实测数据，近年来有学者利用AERONET资料对太湖的气溶胶较短时间序列变化规律进行研究［6，10，14，17，18］，但一般为1a;为了揭示太湖上空气溶胶变化规律，获取更为精确的气溶胶参数信息，多年长时间序列的地基观测及其研究分析显得十分必要．本研究基于AERONET太湖站点CE-3182005年9月～2010年10月的level1.5数据，通过①反演AOT和ngstrm参数;②揭示太湖上空AOT和ngstrm参数长时间序列的变化规律;③探讨AOT和ngstrm参数的频率分布;④分析AOT与ngstrm参数的关系;以期为太湖水色遥感大气校正提供基础数据和依据．

1材料与方法

1.1数据获取

CE-318观测站点位于太湖北部的中国科学院太湖湖泊生态系统野外观测研究站内(31°25''''15″N，120°12''''55″E)，紧邻太湖(图1)，海拔约10m，周围无建筑物阻挡、空气流通顺畅、视野开阔．本研究所使用的数据:2005年9月～2009年10月level1.5数据来自CE-318-A，从AERONET网站直接获取;2009年11月～2010年10月level1.5数据，通过对CE-318-Blevel1.0数据自行处理获得．CE-318-A和CE-318-B分别于2005年9月和2009年11月安装在中国科学院太湖湖泊生态系统野外观测研究站内(图1)，相距约15m，该仪器以1.5°的视场角每3min获取340、380、440、500、670、870、936、1020和1640nm通道的太阳直射光谱辐射测量值［6］，其中936nm通道的测量值用来获取大气中总的水汽含量，其余通道的测量值用来反演AOT，反演误差在0.01～0.02左右［19］．CE-318-A每年由NASA定标1次;CE-318-B购买于2009年10月，按照生产厂家的建议在持续观测的1a中仪器不需要进行额外定标，在安装及运行过程中，该仪器均为正常状态．因此在数据处理的过程中使用了仪器出厂时的定标数据．

1.2数据处理

根据Smironov等［20］的理论，使用ASTPwin软件的AOT计算模块，对CE-318-B从2009年11月～2010年10月总计15730次观测获取的实测数据进行处理，得到了各通道共计185dlevel1.5的AOT数据，每月有记录的天数见图2．根据Che等［21］的研究，从ASTPwin软件计算得到的AOT值比AERONET的AOT稍大，但差距较小(约0.01)，因此近似认为两者一致．通常，我国东部地区近地层气溶胶谱服从Junge分布［13］，假设气溶胶复折射系数与波长无关，气溶胶光学厚度τa(λ)与波长λ的关系满足公式:（略）

2结果与讨论

2.1AOT(500nm)、ngstrm参数的月变化

将CE-318-A(2005年9月～2009年10月)和CE-318-B(2009年11月～2010年10月)的AOT(500nm)和ngstrm参数α值作日平均处理以代表该天的情况，然后再利用这些日均值作月平均，得到如表1所示的AOT(500nm)和ngstrm参数α的月变化以及每月的观测天数情况．从表1得知，2～4月和5～6月AOT(500nm)值逐渐增加，7～8月AOT有不同程度的降低;9～11月AOT值较低，而且较为稳定;12月～次年1月，AOT处于最低值区．其中AOT(500nm)最大最小值分别为6月的1.29±0.73和12月的0.70±0.40．另外综合5a的观测资料发现，AOT的高值区出现在6、7月，低值区出现在秋冬季节的10月～次年1月．

太湖上空AOT这种变化主要与该地区的天气形势有关．3～4月太湖地区正值春季，受北方频发的沙尘天气的影响，致使AOT(500nm)增大［18］;5～6月太湖地区进入夏季，空气相对湿度增大，吸湿性的气溶胶粒子吸收空气中的水分后体积膨胀［23］;大气中水溶性气溶胶粒子增加［24］，使得AOT(500nm)值在5～6月持续升高;夏季光照强烈，光化学反应也会增加大气中气溶胶的含量［25］;另外6月初太湖周边农作物秸秆的燃烧释放大量的烟尘颗粒，导致6月的AOT(500nm)达到全年的最大值;7～8月，AOT(500nm)值有不同程度的降低，与该地区频发的强降雨对大气中气溶胶粒子清除作用有关［1，25］;9～11月，太湖地区进入秋季，降雨量减少，多为晴好天气，AOT(500nm)值低而且较为稳定;12～1月，冬季发生的降雨和降雪对气溶胶粒子有一定的湿清除作用，使得该时间段的AOT处于最低值区．从表1得知，6、7、8月这3个月的AOT的标准偏差均高于其他月份的，表明夏季剧烈变化的天气会引起AOT发生巨大的变化，同时也导致了7月的观测天数明显少于其他月份．另外，综合5a的观测资料，12个月的AOT(500nm)的标准偏差均超过各自的一半，表明太湖上空的AOT随时间变化很大．

从α值分布来看(表1)，除了处于四季交替的月份如3、5、9、11月的α值变化较大以外，其余分布于12～2月、3～4月、6～8月、9～11月这4个时期的α值虽然大小不一致，但变化不大;其中，α的最大最小值则分别为9、10月的1.33和4月的1.0．另外从5a的观测资料发现，α的低值区和高值区分别出现在3～4月和9～11月．其中，3～4月，α值达到全年的最小值，由于受北方沙尘天气影响，此时太湖上空所包含的大颗粒的气溶胶粒子高于其他月份的;5～8月，太湖地区降雨量逐渐增多，降雨对大颗粒的气溶胶粒子的清除作用，α略微增加;但与此同时，随着相对湿度的增加，大气中水溶性的细粒子增加［24］，导致该阶段AOT仍然偏高;另外受到季风气候影响，从海洋上空带来的大量的细粒子气溶胶［25］，以及本地区大量生物质燃料燃烧等影响［26］，使得太湖上空的细粒子气溶胶增加，致使α值持续增加．9～11月，太湖地区进入秋季，出现大风天气的概率较低，多为晴好天气，使得α的值明显偏高，而且值较为稳定．12月～次年1月，北方冷空气活动频繁，南下的过程中常伴有的大风天气使得干燥地面的尘土粒子大气中［25］，致使α的值降低．

2.2AOT(500nm)、ngstrm参数季节变化

按照北半球平均气温将太湖地区的四季做如下划分:11月下旬至次年2月底为冬季、3月上旬至5月中旬为春季、5月底至9月上旬为夏季、9月中旬至11月中旬为秋季．将CE-318-A(2005年9月～2009年10月)和CE-318-B(2009年11月～2010年10月)的AOT(500nm)和ngstrm参数α值作日平均处理以代表该天的情况，然后再利用这些日均值作季节平均，从而得到如表2所示的2005～2010年AOT(500nm)和ngstrm参数α的季节变化．从5a的观测资料中得知，夏季的AOT(500nm)达到全年的最大值，这与和Zhang等［25］和Guo等［27］的研究结果一致;最小值基本出现在秋冬季节．5a的观测资料中还显示春季太湖的AOT(500nm)值均在0.77以上，大于我国东海海域春季的AOT(约0.50)［28］，表明除了沙尘天气的影响之外，生物质燃烧，周围城市大气污染物的排放等，也会使太湖上空的AOT增大［18］．四季中AOT(500nm)的标准差较大，除2005～2006年春季情况以外，其余均超过各自平均值的50%，表明四季中AOT(500nm)值变化幅度较大;另外综合5a的观测资料显示，四季的AOT(500nm)均超过0.5，表明太湖地区的大气较为浑浊．α的最小值均出现在春季，最大值基本出现在秋季．表明春季太湖上空大颗粒的气溶胶粒子最多，秋季太湖上空的气溶胶粒子主要以小颗粒为主、大气较为清洁．另外表2还显示，春季α的标准偏差均大于其他3个季节的，表明春季太湖上空气溶胶粒子的粒径变化幅度较大．

2.3AOT(500nm)和ngstrm参数的频率分布

2005年9月～2010年10月AOT(500nm)和ngstrm参数α日均值的频率分布(图3)表明，AOT(500nm)只有1个峰值，α有2个峰值．如图3(a)所示，在5a的观测中AOT(500nm)出现的最高频率值在0.4～0.6之间，约占26%，在0.6～1.8区间，AOT频率递减，但趋势较缓，落在较大值区间(AOT＞0.8)的AOT占总样本约42%，在极端高值区间(AOT＞1.8)的AOT约占总样本的5%［图3(a)］．AOT(500nm)5a的平均值为0.80，是最小值(0.10)的约7倍，与中国其他观测点相比，大于浙江临安地区的0.61［29］，香河观测站的0.77［30］，小于四川盐亭观测站的0.90［15］，表明太湖上空的AOT值较大．根据Beer-Bouguer-Lambert定理［31］计算不同AOT下的透过率可知，在太湖地区目前的平均AOT(500nm)情况下，气溶胶造成的太阳直射辐射的透过率衰减为50%以上，致使该区域的大气透明度差、空气较为混浊，并可引起严重的雾霾天气，这可能与该地区发达的工农业生产释放较多的气溶胶有关［10］;另外由于该站点紧靠太湖，而据Zhang等［25］的研究，AOT主要取决于研究区域的相对湿度，因此太湖湖面释放的大量水汽对该地区AOT的影响也不能忽视．如图3(b)所示，α在0.5～1.3区间的频率递增，最高频率区间为1.1～1.3和1.3～1.5，分别占总样本的30%，落在大值区间1.1～1.7的α值占总样本的70%左右，综合5a的观测资料得知α的年均值为1.17，略大于胶州湾的1.11，与黑龙江三江平原的1.16相当，小于西双版纳的1.4［15］，表明太湖上空气溶胶粒子平均有效半径较小，属于城市-工业型气溶胶［32］．

2.4AOT(500nm)和ngstrm参数的关系

通常选取各观测时段的AOT(500nm)和α的日均值，得到了AOT(500nm)与α的散点图(图4)．从总体趋势来看两者呈负相关关系．当α分布在0～0.3、0.3～0.6、0.6～0.9、0.9～1.2、1.2～1.5、1.5～1.8区间时，对应的AOT(500nm)的均值分别为1.40±0.65、0.84±0.50、0.87±0.50、0.88±0.59、0.80±0.45、0.82±0.41，两者的相关性较差，主要与太湖上空存在着不同组分的气溶胶粒子(例如:细粒子、沙尘粒子等)有关，从α的日均值变化范围较大(0.18～1.70)中得到证实，除了受到天气因素、排放源等因素之外，还与气溶胶粒子碰撞凝结有关［30］．IOCCG的研究报告［33］指出，气溶胶类型以及组分是影响遥感反演水体反射信号精度的重要因素之一，当大气中含有吸收性气溶胶(对入射辐射具有较强的吸收作用，主要来源于化石燃料和生物燃料的不完全燃烧［34］)时，将会给遥感反演水体反射信息造成约35%～60%的误差，因此弄清太湖上空气溶胶的组分对水色遥感大气校正精确的提升起到重大作用．虽然依据α可以判定气溶胶的类型［9］，但不同类型气溶胶粒子的AOT值在大小上并不是严格区分的［32，35］;即使是同一类型下的气溶胶，以生物质燃烧释放的气溶胶为例(α＞1.5)［35］，其对应的AOT的标准偏差为AOT值的一半以上，表明AOT的变化较大，分布在其他区间内α对应的AOT值也出现类似的情况，这就给判断气溶胶的组分带来困难．弄清太湖上空各种气溶胶粒子的组分，除了需要结合气溶胶的其他光学性质参数(如单次散射反照率)之外，还需要采用其他分析手段，如采集各个季节的大气样本，实验室分析等等，今后将做进一步的研究．

3结论

(1)AOT(500nm)值在2～4月和5～6月逐渐增加，7～8月有不同程度的降低;9～11月AOT值较低，而且较为稳定．其中AOT(500nm)最大最小值分别为6月的1.29±0.73和12月的0.70±0.40;除了处于四季交替的月份如3、5、9、11月的α值变化较大以外，其余时期的α值虽然大小不一，但较为稳定;其中，α的最大最小值则分别为9、10月的1.33和4月的1.0．另外，AOT的高值区出现在6、7月，低值区出现在10月～次年1月;α的低值区和高值区分别出现在3～4月和9～11月．

(2)太湖地区AOT(500nm)的最大值出现在夏季，最小值基本出现在秋冬季节．四季中AOT(500nm)的值＞0.5，而且各自的标准差基本超过各自平均值的50%，表明四季中太湖地区不仅大气较为浑浊，而且AOT随时间变化的幅度的较大;α的最小值均出现在春季，最大值基本出现在秋季，表明春季太湖上空大颗粒的气溶胶粒子较多，秋季太湖上空主要以细粒子为主．太湖上空AOT(500nm)及对应的ngstrm参数α的变化主要与该地区的天气形势有关．

(3)AOT(500nm)的频率分布只有一个峰值，最高频率值为0.4～0.6，约占总样本的26%，年平均值为0.80;按平均AOT(500nm)计算，气溶胶造成的太阳直射辐射的透过率衰减至少为50%，致使太湖地区的大气较为混浊，可造成严重的雾霾天气;ngstrm波长指数α的频率分布有两个峰值，最高频率区间为1.1～1.3和1.3～1.5，分别占总样本的30%，落在大值区间1.1～1.7的α值占总样本的70%左右，综合5a的观测资料得知α的年均值为1.17，表明太湖上空气溶胶粒子平均有效半径较小，属于城市-工业型气溶胶．

(4)AOT(500nm)的日均值变化范围很大，最大值约为3.66，是最小值0.13的32倍左右;α的日均值变化范围较大(0.18～1.70)，表明太湖上空有不同类型的气溶胶粒子共存(例如:细粒子、沙尘粒子等);从总体趋势来看AOT(500nm)和α两者呈负相关关系．