气溶胶通过直接和间接作用改变地气系统的辐射平衡,进而影响全球和区域气候(Charlson et al.,1992;Hansen et al.,1997;张晶等,2011)。气溶胶还会影响能见度和人类健康(范新强和孙照渤,2009;于兴娜等,2013;谢元博等,2014)。由于气溶胶的种类多样性和时空多变性,使得对其的观测和模拟存在较多差异,进而导致气候预测中的诸多不确定(Dubovik et al.,2002;IPCC,2013)。这些都促使学者们持续不断深入开展全球各地气溶胶的光学特性研究。

沙尘作为大气气溶胶的重要种类之一,对生态环境和气候变化都具有重要影响(Miller and Tegen,1998;石广玉和赵思雄,2003)。在北非、亚洲、美国西南部及澳大利亚等地,沙尘暴是常见的自然灾害之一(Prospero et al.,2002;钱正安等,2002)。在西亚阿拉伯半岛,由于土地沙漠化严重,沙尘成了该地区最主要的气溶胶类型。与东亚沙尘多发生在春季不同(周秀骥等,2002),西亚沙尘在春季和夏季都很常见(Prospero et al.,2002)。已有不少学者针对阿拉伯半岛沙尘进行了分析,例如分析了阿拉伯半岛沙尘暴期间的颗粒物浓度(Shahsavani et al.,2012)、沙漠气溶胶光学特性(Derimian et al.,2006)、沙尘辐射强迫作用(Alam et al.,2014)、沙尘气溶胶指数的时空分布(王民俊等,2012)、沙尘起沙量和干湿沉降量(刘建慧等,2013)以及大气环流对沙尘排放量的影响等(刘冲等,2015)。此外,西亚沙尘还能东移至中国西部,影响天山和青藏高原等地区(Tanaka et al.,2005;Lau et al.,2006)。

除了沙尘气溶胶,也有研究指出人为气溶胶对欧洲和地中海地区的气候变化具有显著影响(Nabat et al.,2014)。其中,地中海盆地是该地区气溶胶来源范围最广泛,种类最多的区域。地中海是欧、亚、非三洲之间交通要道,其气溶胶包括来自欧洲的人为气溶胶、北非和其他沙漠地区的沙尘气溶胶、地中海的海盐气溶胶以及由生物质燃烧产生的气溶胶等(Bougiatioti et al.,2014;Lyamani et al.,2015;Perrone and Burlizzi,2016)。其中,东地中海地区受人为气溶胶影响较大,而西地中海地区受沙尘气溶胶影响较大(Rea et al.,2015;Georgoulias et al.,2016)。

尽管已经有不少学者对西亚的气溶胶进行了研究,但其中多数都仅对单个站点展开分析,对该地区气溶胶分布和变化的长期整体特征仍然了解不足。本文基于西亚地区10个AERONET站点2010—2017年观测数据,对该地区多个气溶胶光学参数(光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)、吸收光学厚度(Absorption Aerosol Optical Depth,AAOD)、波长指数α、粒子体积谱和单次散射反照率(Single Scattering Albedo,SSA))展开分析,初步获取了该区域气溶胶光学特性变化的总体特征。

1 资料与方法

1.1 站点和数据

AERONET(Aerosol Robotic Network)是美国国家宇航局和法国国家科学研究中心共同组建的由全球数百个太阳光度计组成的气溶胶监测网。AERONET观测数据精度较高,其中AOD观测误差约为0.01~0.02(Eck et al.,1999),SSA的误差约为0.03。因此,其观测值常作为真实值用来验证和评估卫星产品的精度(Huang et al.,2016;王宏斌等,2016;金囝囡等,2019)。

本文所用资料为西亚地区2010—2017年10个AERONET站点观测的Level2气溶胶光学参数产品。除SPA站外,其余站点均有两年以上的连续观测数据。图1和表1分别是10个站点的地理位置分布和站点详细信息。

由图1和表1,站点SVI、MEZ和SPA等三个站位于沙漠中,站点MAS位于城市中心,均属于热带沙漠气候,终年炎热干旱,昼夜温差大。站点SPA和SVI位于城市边缘,其离最近的城市的距离分别为100km和50km。站点IAS位于高原上,其离城市中心约2km,夏季炎热,冬季寒冷,降水较多。

站点ERD、TEP和NZI均为沿海站点。站点AGI位于山顶,远离城市。站点SED位于内盖夫沙漠中,距离人口密集区约有30km。这些站点属于地中海气候,夏季炎热干燥,冬季温和多雨。总体来看,ERD、TEP、AGI、NZI和SED等站点位于环地中海区域,其余站点位于阿拉伯半岛中南部,两者气候和环境特征存在显著差异,因此文中将分别讨论。

1.2 反演方法

大气气溶胶光学厚度AOD是描述气溶胶对大气辐射总消光(散射和吸收)的一个参数,可反映大气污染程度。根据Bouguer-Lambert-Beer定律,太阳光度计的大气总光学厚度可通过以下公式求出:

其中:V(λ)为波长λ时观测的电压值;V₀(λ)为波长λ时观测的大气层顶电压值;m为大气质量,d²为日地距离校正因子。于是,大气气溶胶光学厚度为:

其中:τ_a(λ)为大气气溶胶光学厚度;τ(λ)为大气总光学厚度;τ_r(λ)为大气分子瑞利散射光学厚度;τ_ab(λ)为大气中吸收气体的光学厚度。

波长指数α可反映气溶胶粒子的谱分布特征,值越大表示气溶胶中细粒子越多。波长指数和气溶胶光学厚度的关系如下(Ångström,1964):

其中:β为Ångström浑浊度系数。将该式带入两种不同波长,则得到波长指数的反演公式:

文中波长指数α是通过对440~870nm波长范围内多个AOD的对数值与相应波长计算线性回归得到。

气溶胶体积谱通常反映单位面积上垂直大气柱内气溶胶粒子体积(V)随粒径(r)变化的情况,可用对数正态分布来表示(Schuster et al.,2006),即

其中:R_i是中位数半径或几何平均半径;σ_i是方差;n是对数正态模个数;C_i是粒子体积浓度。

单次散射反照率SSA是散射系数与总消光系数的比值,计算公式如下:

$S_{\mathrm{S}\mathrm{A}}={\frac{k_{\text{scatt}}}{k_{\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{s}\mathrm{p}}+k_{\text{scatt}}}}^{\circ }$

其中:k _scatt为散射消光系数;k _absp为吸收消光系数。

气溶胶吸收光学厚度AAOD反映了气溶胶吸收对太阳辐射的直接衰减,是反映气溶胶吸收特征的一个重要的参数。计算公式如下(Russell et al.,2010):

本文讨论的AOD、AAOD和SSA分别为550、550和440nm波长处的结果。本文中季节划分标准为:3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月—次年2月为冬季。

2 结果分析

2.1 光学厚度(AOD)和波长指数(α)

图2给出了2010—2017年西亚十个站点气溶胶光学厚度(AOD)和波长指数(α)的季节平均和年平均值。2010—2017年西亚各个站多年平均的年平均AOD范围是0.121~0.385,所有站多年总平均AOD是0.245±0.094。如图2a所示,阿拉伯半岛站点的年平均AOD为0.312±0.090,其中SVI站的年平均AOD最大,为0.385,该站紧靠世界上最大的流动沙漠——鲁卜哈利沙漠(Notaro et al.,2013),受沙尘影响较大。位于高原上的IAS站的年平均AOD最小,为0.177,该站点受沙尘影响小(Prospero et al.,2002),且雨水充沛,气溶胶湿沉降能力强(Almazroui et al.,2012)。其他站点的年平均AOD范围为0.291~0.364。从季节特征来看,阿拉伯半岛各站点的AOD均为春夏季大,秋冬季小,其中夏季最大,冬季最小。究其原因,这可能与夏季混合层较高且降水少,而冬季混合层高度低且降水多有关(Babu et al.,2011)。此外,从图3a来看,阿拉伯半岛站点夏季水汽含量最多,有利于气溶胶吸湿增长,而冬季水汽含量最少,气溶胶吸湿增长较弱。这使得相应的AOD季节平均值受到影响。

如图2b所示,环地中海站点的AOD与阿拉伯半岛有明显不同。环地中海站点的年平均AOD为0.178±0.040,约为阿拉伯半岛的1/2。相比于阿拉伯半岛,该区域沙尘暴更少(Shao et al.,2013),而降水更多(Adler et al.,2003)。ERD站的年平均AOD达0.219,为该区域最大值,这可能与该站所在省份工业发达,人口密集(Özsoy and Örnektekin,2009),以及水汽含量多,有利于气溶胶吸湿增长有关。AGI站年平均AOD仅为0.121,是该区域最小值,这可能与它坐落于山顶,离城市较远有关。与阿拉伯半岛类似,环地中海站点的AOD也呈春夏季大,秋冬季小的特点,但各站点AOD最大值出现的季节却有所不同。ERD、TEP和AGI站的AOD夏季最大,这主要是受到夏季北风输入带来的来自中欧和东欧的污染气溶胶影响(Basart et al.,2009;Kushta et al.,2018)。另外,由图3b知,ERD、TEP和AGI站夏季水汽含量显著增加,有利于气溶胶吸湿增长,从而增大夏季AOD。而SED和NZI站的AOD春季最大,可能是受到春季撒哈拉沙尘暴频发的影响(Ganor,1994)。与阿拉伯半岛类似,环地中海站点的AOD冬季最小,这可能与冬季为雨季且混合层高度降低等有关。

2010—2017年西亚各个站多年平均的年平均α范围为0.537~1.214,所有站多年总平均α为0.889±0.247。如图2a所示,受沙尘影响,阿拉伯半岛的年平均α为0.696±0.147。与AOD数值相反,该区域中IAS站的年平均α最大(0.929),SVI站的年平均α最小(0.537)。从春季到秋季,各个站的α均随季节逐渐增加。这与各季节沙尘来源和发生频率不同有关。春季和夏季虽同为沙尘季,但春季沙尘主要来自阿拉伯半岛北部和鲁卜哈利沙漠,夏季沙尘主要来自美索不达米亚平原(Notaro et al.,2013;Mohammed et al.,2015;Masoumi et al.,2019)。有研究表明,后者的沙尘半径小于前者(Almazroui,2013;Masoumi et al.,2019),因此夏季α较春季大。到了秋季,沙尘活动明显减少(Prospero et al.,2002),故α继续增大。IAS站冬季AOD最小,但α为季节最大值,达1.293。这可能是因为IAS站冬季温度低,冰雪天气多,而地面覆盖的冰雪抑制了风沙扬起,空气中粗粒子减少,故城市工业气溶胶占总气溶胶的比例增大(Farajzadeh and Matzarakis,2009;Masoumi et al.,2010)。Masoumi et al.(2013)和Gharibzadeh et al.(2017)在该站也发现类似的现象。

除了AOD外,环地中海站点的α与阿拉伯半岛也有显著的差异。如图2b所示,环地中海站点的年平均α为1.083±0.149,远大于阿拉伯半岛。这与环地中海地区人口比阿拉伯半岛更密集,人类活动更剧烈,释放更多的人为气溶胶有关。在环地中海站点中,工业站ERD的年平均α最大,为1.214,沙漠站SED的年平均α最小,为0.894。从季节分布来看,各站点的α随季节(夏季秋季冬季春季)下降。夏季α最大,主要是受欧洲污染气溶胶输入的影响。春季α最小,则是因为撒哈拉沙尘的原因(Floutsi et al.,2016)。Eck et al.(2005)认为当α大于0.8时,细粒子占优。ERD站春季沙尘天气频繁(Eker-Develi et al.,2006),但其春季α仍然达到1.056,说明即使在沙尘季该站依然以细粒子为主。这可能是因为ERD站所在省份人口密集、工业发达(Özsoy and Örnektekin,2009),其中春季工业活动较多(Demirel,2007),使其人为气溶胶占优。

2.2 粒子体积谱

图4为十个站点的粒子体积谱季节平均和年平均分布情况。如图4e所示,两区域的年平均粒子体积谱均呈双峰分布,粗粒子体积浓度的峰值范围为0.028~0.178 μm³/μm²,细粒子体积浓度的峰值范围则为0.012~0.037 μm³/μm²。各站点粗、细粒子的峰值半径范围分别为2.241~2.940 μm和0.113~0.148 μm。所有站点中,SVI(AGI)站的粗粒子体积浓度峰值最高(低),而ERD(IAS)站的细粒子体积浓度峰值最高(低)。尽管两个区域的粒子体积谱均为双峰分布,但其年平均粒子体积谱有明显的区域性差异。阿拉伯半岛的站点明显粗粒子占优,粗、细粒子体积浓度峰值差为0.031~0.155 μm³/μm²。相比之下,环地中海站点粗粒子占优的现象并不明显,粗、细粒子体积浓度峰值差仅为0.003~0.037 μm³/μm²。这表明沙尘和人为气溶胶分别对阿拉伯半岛和环地中海站点产生重要影响。

如图4所示,从季节变化来看,阿拉伯半岛沙尘春夏季多,秋冬季少,因此该区域各站点的粗粒子体积浓度春夏季高,秋冬季低。由于距离鲁卜哈利沙漠近,SVI站各季节的粗粒子体积浓度均为该区域最大值。海拔最高、降水最多的IAS站,其各季节的粗粒子体积浓度则为区域最小值。除SVI站的粗粒子体积浓度春季最大外,其余阿拉伯半岛站点的粗粒子体积浓度均为夏季最大。就细模态而言,所有阿拉伯半岛站点的细粒子体积浓度均为夏秋季大,春冬季小。其中MAS站的细粒子体积浓度最高,这可能与该站离波斯湾最近,受石油业影响最大,以及位于城市内,人类活动多有关。

与阿拉伯半岛站点的粗粒子体积浓度高值大多出现在夏季不同,环地中海站点由于受春季沙尘影响,该区域站点的粗粒子体积浓度高值均出现在春季。其中,NZI站粗粒子体积浓度最高,AGI站粗粒子体积浓度最低。到了夏秋季,粗粒子体积浓度降低,细粒子体积浓度增加。其中,ERD站变化最为明显。夏季ERD站的粗粒子体积浓度为0.048 μm³/μm²,细粒子体积浓度则高达0.050 μm³/μm²。一方面该站为工业站,周围工业排放多;另一方面,该站离欧洲最近,夏季欧洲污染传输多。此外,夏季的气粒转化也有利于细粒子体积浓度增加。值得注意的是,夏季环地中海站点的细粒子峰值半径明显比阿拉伯半岛的大,两区域平均值分别约为0.157 μm和0.113 μm。这主要是因为环地中海站点夏季空气湿润,其大量细粒子吸湿增长增大了平均半径。

总的来说,两区域的气溶胶体积谱均呈双峰分布,其中阿拉伯半岛站点的粗粒子体积浓度显著高于细粒子,而环地中海站点粗、细粒子体积浓度差异相对较小。阿拉伯半岛站点粗粒子体积浓度在春夏季均较高,而环地中海站点粗粒子体积浓度峰值主要出现在春季;两区域细粒子体积浓度均为夏季最高。

2.3 吸收气溶胶光学厚度(AAOD)和单次散射反照率(SSA)

图5为2010—2017年十个站点的AAOD和SSA季节平均和年平均值。如图所示,所有站多年总平均AAOD是0.030±0.006,其中,SVI站的年平均AAOD最大,为0.039,AGI站的年平均AAOD最小,为0.015。如图5a所示,阿拉伯半岛站点的年平均AAOD为0.032±0.005。与AOD相似,该区域年平均AAOD的最大值和最小值分别出现在沙漠站SVI和高原站IAS,两者分别为0.039和0.027。从季节特征来看,该区域站点的AAOD基本呈夏秋季大,冬春季小的特点,其中夏季最大,冬季最小。这主要与夏季沙尘多、降水少,而冬季沙尘少、降水多有关。

与阿拉伯半岛相比,环地中海站点的年平均AAOD稍小,为0.028±0.008。虽然两区域年平均数值总体相差不大,但AAOD的季节分布则完全不同。如图5b所示,环地中海站点的AAOD冬春季大,夏秋季小。其中,在人口密集的ERD和TEP站,AAOD冬季最大,分别高达0.046和0.050,这可能与该区域居民冬季使用生物质燃料等取暖,排放大量吸收性气溶胶有关(Utlu and Hepbasli,2005;Waked et al.,2013)。而在靠近撒哈拉沙漠的SED和NZI站,AAOD春季最大,这主要是因为春季沙尘的贡献。从季节间差异来看,环地中海站点AAOD季节差异比阿拉伯半岛更大。总的来看,阿拉伯半岛站点AAOD夏秋季大,冬春季小;环地中海站点AAOD冬春季大,夏秋季小。

就SSA而言,所有站多年总平均SSA是0.918±0.016,其中,SVI站年平均SSA最小,为0.900,而AGI站年平均SSA最大,为0.959。由图5a知,阿拉伯半岛站点的年平均SSA为0.913±0.011。虽然均为沙漠站,但MEZ和SPA站的年平均SSA明显高于SVI站。这可能与MEZ和SPA站比SVI站更靠近波斯湾,受石油加工工厂排放的硫酸盐影响更大有关(Ross et al.,2005;Eck et al.,2008)。阿拉伯半岛站点的SSA总体呈春夏季大,秋冬季小的特点,但季节间差异很小,仅为0.002~0.009。

由图5b知,与阿拉伯半岛相比,环地中海站点SSA不仅年平均值更大(0.922±0.021),季节间差异值也更高(0.029~0.117)。该区域的SSA表现为夏秋季大,冬春季小,其中夏季最大,冬季最小。通过对比发现,除海拔较高的IAS站和AGI站外,其余8个站均受到春季沙尘的显著影响。其中,环地中海站点的春季SSA比阿拉伯半岛小,前者为0.902±0.011,后者为0.917±0.013。这主要是因为撒哈拉沙漠沙尘粒子的吸收性高于阿拉伯半岛的沙尘(Kubilay et al.,2003)。总的来说,阿拉伯半岛站点的SSA春夏季大,秋冬季小;环地中海站点的SSA夏秋季大,冬春季小。

2.4 各光学参数的逐年变化

在分析年变化时,各光学参数的观测年份均不少于4a,年平均值由月平均产品计算得到。各年的观测月份不少于6个月,各季节至少有一个观测月份。图6给出了满足要求站点的四个光学参数(AOD、α、AAOD和SSA)年平均值的逐年变化。

图6a为AOD的逐年变化。如图所示,在阿拉伯半岛,MEZ站和MAS站的AOD变化幅度较大,年极差范围为0.085~0.112。两站AOD最大值均出现在2015年,分别为0.378和0.427。在环地中海地区,TEP站和SED站的AOD比较稳定,各年AOD在0.17上下小幅度波动,年极差约为0.04。2015年SED站的AOD达到最大值(0.179),这可能与当地2015年9月发生的特大沙尘暴有关(Alpert et al.,2016)。ERD站的AOD变化幅度较大,年极差为0.074,其中AOD在2014年达到最大值(0.271),2015年降至最小值(0.196)。经检验,2010—2017年所有站点AOD的变化趋势均不显著。

图6b为α的逐年变化。如图所示,在阿拉伯半岛,地理位置相近的MEZ站和MAS站呈现出相似的α年均值及变化特征,但两站变化趋势均不显著。在环地中海地区,各站点的α值在2011年达到最大。其中,TEP站的α有明显下降趋势(通过信度为0.05的显著性水平检验),年降幅为-0.066,说明细粒子比例在减少。这可能与近年来当地人为气溶胶排放减少有关(Pikridas et al.,2018)。SED站的α在2011—2016年有显著的下降趋势,年降幅为-0.054。而ERD站的α无显著变化趋势。

图6c为AAOD的逐年变化。如图所示,在阿拉伯半岛,MEZ站的AAOD在2014—2017年存在明显下降趋势,年降幅为-0.004。而MAS站AAOD年变化呈倒“U”型,且变化较激烈,最大值约为最小值的两倍。在环地中海地区,ERD站的AAOD在2013—2016年间显著下降,年降幅为-0.002。SED站AAOD年变化基本呈倒“U”型,但变化幅度比MAS站小。

图6d为SSA的逐年变化。如图所示,在阿拉伯半岛,MEZ站2014—2016年的SSA呈上升趋势,年增幅为0.016。而MAS站的SSA在2013—2016年明显减少,年降幅为-0.009。在环地中海地区,SED站的SSA在2011—2016年间呈显著下降趋势,年降幅为-0.006。ERD站的SSA无显著变化趋势,年均值范围为0.913~0.939。

2.5 AOD的日内变化

图7为十个站点的季节和年平均AOD的日内变化。由图7a—j可知,SVI、MEZ和SED站等三个沙漠站的AOD日内变化比较相似,各季节AOD均呈现早晚高、中午低的特点。这与中国塔克拉玛干沙漠的AOD日内变化类似(Che et al.,2013)。这可能是因为沙漠早晚温度低,风速小,大气比较稳定,有利于气溶胶积累,而中午前后温度和风速增加,有利于气溶胶扩散,从而引起AOD下降(Rehman and Ahmad,2004;Che et al.,2013)。其他大部分站点秋冬季AOD也表现为早晚高、中午低的特征。位于山顶的AGI站AOD日内变化特征与其他站点有所不同,各季节总体表现出较为显著的AOD随时间增加的特征,这与其他一些高山站(如Manora Peak和Mauna Loa)的AOD日内变化类似(Shaw,1979;Reddy et al.,2015)。其原因可能与AGI站位于山顶,受山谷风影响较大有关。白天,随着山坡不断受热,暖空气不断上升,谷底的冷空气沿山坡爬升补充,从而形成从山谷吹向山坡的上升气流,可将谷底的污染物带到山顶(Shaw,1979;Reddy et al.,2015)。AGI站夏秋季AOD随时间增加的现象比较明显,这可能与夏秋季山坡和谷底受热不均的现象更明显,山谷风更强有关。NZI站的AOD除冬季外均表现为早上最高,晚上最低的特征。图7k—l分别为阿拉伯半岛和环地中海站点年平均AOD的日内变化。由图可知,阿拉伯半岛站点年平均AOD的日内差异普遍比环地中海站点明显,这可能与沙漠地区昼夜温差大,气象要素变化剧烈有关。

3 讨论和结论

利用2010—2017年十个AERONET站点的气溶胶产品对西亚地区多个气溶胶光学特性参数(AOD、AAOD、α、粒子体积谱和SSA)的季节、年和日变化特征进行了分析。主要结论如下:

1)西亚所有站点的多年总平均AOD是0.245±0.094,多年总平均α是0.889±0.247。AOD总体表现为春夏季大,秋冬季小。阿拉伯半岛站点的α春季最小,冬季最大;环地中海站点的α春季最小,夏季最大。

2)西亚站点气溶胶体积谱均呈双峰分布,其中阿拉伯半岛站点的粗粒子体积浓度显著高于细粒子,而环地中海站点粗、细粒子体积浓度差异相对较小。阿拉伯半岛站点的粗粒子体积浓度在春夏季均较高,而环地中海站点粗粒子体积浓度峰值大多出现在春季;两区域细粒子体积浓度均为夏季最高。

3)西亚所有站点的多年总平均AAOD是0.030±0.006,多年总平均SSA是0.918±0.016。其中,阿拉伯半岛站点AAOD夏秋季大,冬春季小,环地中海站点则与之相反。阿拉伯半岛站点的SSA春夏季大,秋冬季小,环地中海站点的SSA夏秋季大,冬春季小。

4)总体而言,西亚10个站点的AOD变化趋势均不显著。其中,TEP站的α值和ERD站的AAOD值呈显著下降趋势。阿拉伯半岛站点年平均AOD的日内差异普遍比环地中海站点明显,其中沙漠站点呈现出早晚高、中午低的特点。

致谢:感谢AERONET网站提供的观测数据。

参考文献