文摘

一年观察附近的尘埃气溶胶特性从偏振测量获得了河西走廊地面sunphotometer民勤的县从2012年3月至2013年2月在中国西北部。我们观察到一个年度平均大气气溶胶在0.50μm和埃指数0.1 - -1.0配件bimode正态分布集中在0.18和0.50,分别。的有效半径(0.13 - -0.17μ米)和粗(2.49 - -3.49μ米)模式被发现稳定在所有季节一起三分之一的外观模式的粒子半径0.4 - -1.0μ当大气气溶胶大于0.6米。值得注意的是,真正的(1.5 - -1.7)和虚(0.0005 - 0.09)的部分复杂折射率高于其他研究中国其他沙漠地区进行,而单一散射反照率相对较低(-0.89 ~ 0.84)波长的0.44,0.67,0.87和1.02μm。这部分是由于方解石或土壤中的赤铁矿在民勤或人为气溶胶含有碳的影响。此外,从小说偏振测量散射相函数()和事件非偏振光的线偏振度()的尘埃气溶胶也获得了在这个荒凉的地区。

1。介绍

沙尘气溶胶是常见的自然粒子悬浮在地面大气。根据矿物学,有成千上万的矿物物种在全球地壳如伊利石、高岭土、石膏、蒙脱石、石英、方解石、赤铁矿,每个都有一个特定的化学成分、分子结构和物理形态(1]。丰富的矿物质通常时空变化。沙尘气溶胶来自侵蚀岩石在沙漠或干旱的土壤和被上升气流发出光表面,然后以远程方式运输,最后由重力沉积或表演等。大气粉尘气溶胶与光和交互影响辐射强迫在全球/区域范围内(2]。然而,中国的尘埃气溶胶光学特性的知识是不够的,也是不知道辐射的影响。这部分是由于矿物粉尘气溶胶的特性的复杂性取决于大小,形状,和方向(3),在一定程度上由于缺乏长期严格的观察在这个地区。

许多研究人员已经改善了我们的知识的尘埃气溶胶在全球的位置。Sokolik et al。4,5]而大气尘埃气溶胶折射率从不同的地理位置,然后模拟了辐射属性占他们的作品。数据库包含实验开发矿物粉尘粒子的散射矩阵(6,7]。除了这些高质量的实验室测量,沙尘气溶胶的光学和物理特性可以通过地面sunphotometer检索(8- - - - - -10]。撒哈拉沙漠的沙尘气溶胶的光学特性(11)、中东(12),和亚洲地区(13)进行了研究。在中国,有几个观测在塔克拉玛干沙漠(等刺鼻的北部地区14)和Hunshan戴克沙漠(15]。

目标的研究沙尘气溶胶的光学和微物理性质,我们部署陆基sunphotometer在中国西北。位置被沙漠包围的气溶胶特性和气候学矿物粉尘被认为是显而易见的。我们花了一年的观察从2012年3月到2013年2月,结果和分析以下部分所示。

2。测量和数据

2.1。偏振Sunphotometer测量

sunphotometer (CIMEL CE318-DP)是一种偏振仪器九频道为0.34,0.38,0.44,0.50,0.67,0.87,0.93,1.02和1.64μm。辐射计能够测量阳光直射光芒和diffuse-sky光芒满1.2°的视野(16]。自动模式执行时,准直器sunphotometer追踪太阳每15分钟,扫描后高度方位仪(ALM)和太阳能飞机原理(SPP)几何过程大约每小时。SPP过程,仪器测量天空辐射在不同太阳高度角固定太阳能方位角度和大中午散射角是可以实现的。此外,sunphotometer新的极化版本,可以测量极化乐队通过结合旋转偏振器和过滤器的轮子(17]。

这个网站(称为民勤网站以后)位于38.6°N, 103.1°E甘肃在中国(图1通过河西走廊),它毗邻。它有一个特殊的地理位置,因为它位于交界处Badain Jaran沙漠、腾格里沙漠第三和第四大沙漠在中国,分别。气候学是典型的大陆性干旱气候,充足的太阳能,稀缺的降雨,和大的蒸发。因此,这个网站是容易受到沙尘气溶胶。根据气象记录自2006年以来,平均每年沙尘暴发生的19倍。仪器安装在市区人口约300000。

2.2。数据处理

我们用一年期测量从2012年3月到2013年1月在民勤网站调查矿物粉尘气溶胶的特性。未屏蔽的测量往往受到云或阻塞。所以我们应用云筛查程序包括三重测量(一系列的三个阳光直射测量相距30年代采取每波长(16])和检查ALM的对称性度量。后者的方法是适合找到天空是否清楚,因为云的存在会导致差异对称双ALM测量。这些方法后,升级从1.0到1.5级的数据。为了确保质量,三种校准测量应用于阳光直射,diffuse-sky测量,和极化测量(16- - - - - -19),分别。阳光直射测量的不确定性使得该误差小于0.01 - -0.02,而天空光芒的不确定性估计为3%左右。DOLP测量的最大不确定性估计不到~ 0.01。

在现实中,粉尘不球,很少各向同性和均匀。Dubovik et al。9)建立了球体模型占nonsphericity气溶胶的地面遥感。因此,在本研究中我们使用这个模型检索属性的尘埃气溶胶光谱和强度和偏振角观察。节将讨论的结果3,包括大气气溶胶、埃指数、大小分布、复杂的折射率,单一的散射反照率,相位函数()和线性极化的程度()。

在这项工作中,我们完全选择7040年大气气溶胶和埃指数记录(1.5水平)的15309个测量(1.0水平)。检索气溶胶的粒径分布、复杂的折射率,单一的散射反照率,相位函数,线性极化的程度,我们只选择478条记录过滤5%的残差阈值根据Dubovik et al。9]。

3所示。结果与讨论

3.1。大气气溶胶和埃指数

3.1.1。直方图和每月的大气气溶胶的变化

Beer-Lambert-Bouguer定律后,气溶胶光学深度可以通过排除大气分子光学深度和气体吸收光学深度由sunphotometer总光学深度测量。约百分之四十五,7040条记录(1.5水平),在民勤的瞬时测量用于调查。

图2显示了大气气溶胶的频率分布为0.5μ米()相对频率和累积频率在左和右轴,分别。分布是安装的正常功能集中在0.22 (与0.22(标准差))。它是明确的,最经常发生的概率超过16%。当(例如,),累积频率超出80%,而当(例如,),达到97%。此外,其他波长的大气气溶胶的分布是相似的。格瓦拉et al。14)表现出大气气溶胶的频率分布在中国塔克拉玛干沙漠。直方图是由两座山峰上;,相对应的模式可能集中在~ 0.23 nondust大气和模式集中在~ 0.50高矿物粉尘负担造成的大气。我们的平均非常接近他们的第一个高峰。在图2我们可以发现,大气气溶胶0.4 - -0.7的范围内明显高于拟合曲线可能对应于他们的第二个高峰。同样,在波长为1.02μ大气气溶胶是0.21米,意味着接近Dubovik et al。10)研究的意思是大气气溶胶在沙特阿拉伯波斯湾的0.22和0.17。

沉重的沙尘暴是一个明显的气象过程,但从图2,很难分辨出他们,因为我们使用数据1.5水平。高质量的数据和尘埃活动不兼容导致选择的影响。首先,大型aod对应活跃云污染尘埃事件可能被排除在外。第二,沙尘暴与湍流风条件可能会导致不稳定的测量。例如,在厚重的灰尘加载的情况下,由于视场不确定性,大气气溶胶的错误可以向前散射的意义重大,因为大的大型粒子(19]。第三,由于默认的数字增加了CE318在自动模式下,最大AOD建议不超过4.0。另一个例子,当一个活跃的沙尘暴发生在3月20日,2012年,在民勤,我们的地面sunphotometer只有完全取下48记录。1.0数据显示,今年迄今的日成交均值水平大气气溶胶()是2.3,最高甚至达到4.7。因此,从这个角度来看,我们很可能失去这个机会调查升沉尘埃气溶胶负担在这方面如果我们想确保数据质量。

大气气溶胶的月度变化()如图3。误差线代表一个标准差范围()的月平均大气气溶胶。整个观测期间(从2012年3月到2013年2月)可分为四季,春天(从2012年3月到2012年5月。),夏季(从2012年6月到2012年8月),秋天(从2012年9月到2012年11月),和冬季(从2012年12月到2013年2月)。在图的底部3,每月的数量记录(对应于正确的坐标)。每个月都有大约相同数量(~ 500 - 800)的大气气溶胶除了(83)12月和1月(23项)。这是因为我们在北京进行仪器校准从12月8日,2012年1月30日,2013年。

一个明确的模式,每月变化的大气气溶胶()可以在图中找到3。在春天,尘埃气溶胶负载总是四季中最重的。AOD值变化从0.4到0.6,最大的标准差(~ 0.3)4月。一种可能的解释是,民勤遭受干旱和活跃在春天多风的事件。从夏天到秋天,该减少。去年10月,大气气溶胶是最低的,也就是说,。因为安静的天气,从9月到11月,测量非常稳定的由小标准差反映。在冬天,大气气溶胶开始略有增加,直到明年春天。应该注意的是,今年1月有最少的记录和最小标准差为了标定实验。

3.1.2。直方图和每月埃指数的变化

埃指数()反映了气溶胶的大小和它的光谱依赖性。埃指数的频率直方图,来源于大气气溶胶在波长的0.44和0.87μ米,图中可以看到4。它说明的主要范围从0.1到1.0。由bimode符合正态分布分布集中在0.18和0.50左右,与切et al。14分别为0.17和0.50)的结果。两座山峰在图4,对应于大尺寸和小尺寸粒子,可能与两种气溶胶在沙漠地区。峰值0.50可以解释为粉尘排放到大气风,而另一个峰值0.18可能与悬浮粒子流动浮尘或灰尘。同时,阈值非常一致的与其他沙漠地区如沙特阿拉伯(0.1 - -0.9)10]。还发现,峰值0.18对应的大部分大尘埃气溶胶()发现了李et al。11]5网站在非洲干旱地区之一。

沙尘气溶胶有一个明显的趋势增加大气气溶胶和减少埃指数。这种现象的产生是由于大的粒子。每月埃指数的变化绘制在图5。相比之下,图3,埃指数的行为违反了该趋势在所有季节。埃指数的最小值(4月(9月),而最大的价值是)。一般来说,粉尘气溶胶更大的大小比summer-autumn冬天春天。结合图4直方图的峰值埃指数(~ 0.2)很可能从冬天春天。当风从北到南在冬天春天的季节,尘埃颗粒比较明显的影响导致降低埃指数的值。然而,当风吹在summer-autumn从南到北,人为影响更明显导致埃指数的值会更高。

3.2。大小分布

3.2.1之上。粒度分布和大气气溶胶

沙尘气溶胶的大小通常是表达的有效半径()从几纳米到100微米。一个尘埃粒子可以分为粘土(μ米)、淤泥(μ米)、砂(μ米)分数的大小分布(3]。在OPAC系统模型(20.)(列在表1 c其中),有四个矿产模式:核模式,积累模式,mineral-transported模式,和粗模式卷半径的0.27,1.6,3.0和11.0μm,分别。事实上,尘埃粒子的大小分布与一些特征比如形状、组成、混合方式、大气气溶胶。例如,微小粒子的粘土被认为悬浮在大气中停留很长一段时间,然后可以进一步运输比大颗粒的金沙。尘埃气溶胶可能凝聚或通过物理化学聚合转换从而导致尺寸变化。

我们使用一个双峰对数正态函数建模。半径的大小分布分为22个箱子从0.05到15μ米(9]。检索的平均大小分布,有效半径的模式()是0.14μ米的标准差而粗模式()是2.82μm。Dubovik et al。10]总结几个大小分布的尘埃气溶胶在阿拉伯半岛(沙特阿拉伯和佛得角)和Bahrain-Persian海湾,这是-0.15μm和-2.54μm,分别。大的气溶胶占主导地位,因为8。我们的结果同意几位以前的观测15,21]。然而,在民勤粗模式的体积含量低于上述地区(-50)。

在这项研究中,我们将测量分为八类大气气溶胶(,,,,,,,)(图6)。一般来说,大多数系列展览大颗粒粉尘气溶胶的统治地位。当大气气溶胶的增加,细和粗模式的浓度增加。尽管大气气溶胶的变化,气溶胶粒径分布形状除了大约一致。第三个模式(细和粗模式除外)在粒子半径为0.4 - -1.0μm aod大于0.6时开始出现。这种变化是最有可能属性丰富的积累和mineral-transported组件在沙尘气溶胶22]。

3.2.2。每月大小分布的变化

每月的变化大小分布是绘制在图7和参数的平均值和标准偏差的有效半径和体积比率的模式和粗模式在表列出1。从表中,我们发现两种模式的有效半径都是稳定的从春天到冬天(-0.17μ米,-3.49μ米)。发现模式的体积浓度()减少从春天到冬天。粗的体积浓度模式(3)表现出类似的趋势如果我们漠视(0.43)和(0.15)1月。此外,是相当高的(~ 0.43)4月因为灰尘的活动。

3.3。复杂的折射率

3.3.1。复杂的折射率的柱状图

真正的直方图的部分复杂的折射率为0.44,0.67,0.87和1.02μ米图8。应该指出,阈值的部分用于我们的处理是设定为1.33 - -1.70,这是不同于AERONET的阈值(1.33 - -1.60)。在许多模型(21),真正的尘埃气溶胶经常被认为是1.53的一部分在可见光谱或伴随轻微波动范围为0.05依照原位测量(4]。然而,在图9复杂的折射率,真正的部分似乎高于预期。此外,真正的部分复杂的折射率范围(-1.7 ~ 1.6)有明显的光谱变异从可见到红外光谱。

折射率的虚部,我们的结果在图9值从0.0005到0.09在四个波长的0.44,0.67,0.87和1.02μm。在世界气象组织模型中,折射率的虚部可见光谱是0.008被认为是比测量的Dubovik et al。10]。Otterman et al。23)给0.001,有时0.003的值(24当重粉尘发生。在中国,程et al。15)观察到的值大约0.0007 - -0.0033四波长Hunshan德克沙漠。尽管如此,正如在图作了新的阐释9,虚部往往比先前的研究。只有大约30%的我们的观察分为0.001 - -0.008的本。

3.3.2。分析粉尘成分

复折射率的尘埃气溶胶是其成分有关。沙尘气溶胶总是自然的各种成分的混合物主要伊利石、高岭石、蒙脱石、方解石、石英和粘土的主要物种和石英,长石组成,方解石,赤铁矿和石膏砂浆。每个尘埃的丰富矿产取决于来源,动员过程和物理化学转换在运输。为便于比较,我们列出了各种常见物种的复折射率的尘埃矿物质表2以及引用。在可见光波长的实部矿物大约是1.4 - -1.6所有提到的物种除了石灰岩(~ 1.655只o光)和赤铁矿(~ 3.0),而虚部非常接近于零,除了赤铁矿(-0.01 ~ 0.1)。石灰石方解石(98%),由于其产权的双折射,有两个测量值的部分,而真正的部分也显示bimode的分布。这种相似性的现象,我们推测存在双折射。

回顾我们的测量,实部高于1.5。隐式,石灰石(方解石)可能是一个主要组成部分在民勤的尘埃气溶胶。根据全球高分辨率的证据是令人信服的矿物学dust-productive土壤数据库(25]。1.7的值可能是由于我们的阈值实部。因此,另一个原因是,赤铁矿的实部(~ 3.0)是独一无二的大比其他矿物质,在民勤可能存在。如表2所示,虚部比大多数矿物物种暗示的发生吸收粒子,可能人为气溶胶由于人类活动或赤铁矿。小鹏和Hai-bing26)发现,铁氧化物在民勤沙尘气溶胶的一个重要组成部分,在某种程度上展示了我们的猜测。最后,另一种可能性为什么建模折射率可能更高的表面粗糙度的影响(3)不考虑Dubovik的球状模型。

3.4。单散射反照率

单散射反照率(SSA,)是合成光学参数对粒子散射取决于它的大小,形状,方向,和组成。Dubovik et al。10)发现,SSA尘埃的价值原位测量是-0.87 0.90 0.44波长的上方μ吸收m。他的结果明显少于模型(-0.89 ~ 0.63,0.55μ米(21])。一般来说,粉尘气溶胶被认为是弱吸收除了赤铁矿。沙尘气溶胶在民勤的介绍,,,在波长的0.44、0.67、0.87和1.02μm,分别。结果是封闭的模型,但低于Dubovik et al。10观察如图10。之间的SSA谱图展览不同趋势好模式(< 1μ米)和粗模式(> 1μ米粒子。对于大的粒子,SSA相比增加的趋势李,同意与et al。11)统计数据。在nondust细气溶胶主导的情况下,我们期望显示一个下降的趋势。

根据我们的结果,粗模式的单一散射反照率明显低于上述所有波长的研究。结果说明,民勤的灰尘可能更多的吸收。事实上,吸尘预定了赤铁矿的存在。最近的努力将矿物成分纳入模型的辐射尘的属性(5)强调赤铁矿与石英、粘土混合的方法是复杂和强烈的影响产生的吸收。

3.5。散射矩阵

sunphotometer偏振测量的优势之一是检索元素散射矩阵,穆勒矩阵,它揭示了微观物理学的重要属性的尘埃气溶胶的合奏。假设粒子有镜子的位置在相同数量和随机取向,矩阵可以简洁地编写有六个独立的无量纲元素 完整的散射矩阵是研究气溶胶的散射角的函数在实验室,通过网站发布7,31日]。两个矩阵元素作为散射角的函数,散射相函数(在30度)标准化为1,非偏振入射光的线偏振度()可以通过偏振地面观测。在反演算法10],天空亮度和偏振辐射(最大的散射角取决于太阳天顶角)安装与模型同时收益率列气溶胶微观物理学的参数,气溶胶粒度分布、折射率和形状。和也可以从这些气溶胶参数计算通过辐射传输模型,与83年从0到180°散射角。

我们都平均的瞬时测量和0.67的波长μm和阴谋一个标准差如图11。此外,我们计算的平均值和在各种条件下的埃指数(三个类:,,)。见图(11日),如尘埃气溶胶变得更大(即减少),向前散射能力增加更为戏剧性的散射角小于20°时,曲线不明显不同在90 ~ 160°的角度。在图11 (b)的大小,线偏振度随粒径的增加而减小。

选择实验室测量进行讨论。图11显示和样本的“白泥”的IAA宇宙尘埃实验室,这是一个整体的不规则粒子成分的伊利石,高岭石、蒙脱石和石英。它的大小分布是一个单一的模式μm和复杂的折射率范围估计()- ()可视波长(30.]。除了我们选择Volten et al。28样本,称为“平均”,增加了图11因为它代表平均情况下的尘埃粒子组成的长石、红粘土、黄土,撒哈拉沙漠砂、皮火山灰,Lokon火山灰。在图(11日),同意与实验室结果尽管“平均”是轻微的范围°。图11 (b)显示的形状是一致的。“白泥”是两个类(,),和相应的埃指数估计~ 2.5。相比之下,“平均”样本按照更小埃指数()。

4所示。结论

尘埃的野外观测属性仍然是罕见的在中国的沙漠地区,因为操作和维护的困难正是长期和持续的在沙漠环境中观察。在这篇文章中,我们提供了一个完整描述列粉尘性质在民勤河西走廊附近基于一年期测量从地面获得极化类型的CIMEL sun-sky辐射计(CE318-DP)。研究网站可能会吸引各种研究因其特殊的位置都Badain Jaran沙漠和腾格里沙漠为沙尘气溶胶的来源。

我们使用先进的算法来获取气溶胶光学和微观物理学的属性,包括气溶胶单scattering-albedo、粒度分布、复杂的折射率,散射相函数和线性极化度事件非偏振光(即。的角分布散射矩阵的前两个元素)。这是发现,在民勤,每年平均大气气溶胶是0.22 0.50μm和罚款(0.13 - -0.17的有效半径μ米)和粗(2.49 - -3.49μ米)模式是稳定在所有季节一起三分之一的外观模式的粒子半径为0.4 - -1.0μ当大气气溶胶大于0.6米。值得注意的是,真正的(1.5 - -1.7)和虚(0.0005 - 0.09)的部分复杂折射率高于其他研究中国其他沙漠地区进行,而单一散射反照率相对较低(-0.89 ~ 0.84)波长的0.44,0.67,0.87和1.02μm。这部分是由于方解石或土壤中的赤铁矿在民勤或人为气溶胶含有碳的影响。这些粉尘特性可以提供参考不同的研究不仅对气候变化也对环境和生态的研究。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认中国的支持国家基础研究计划(973计划)资助2010 cb950800 (2010 cb950801)和中国国家自然科学基金(没有。41222007,没有。41301391)。他们也感谢Oleg Dubovik提供检索的气溶胶参数。