文摘
霾的强调意义的影响危害对人类活动和观测的气溶胶垂直分布的重要性。本研究旨在分析气溶胶垂直分布在薄雾在时间和空间方面,利用太空和地面激光雷达观测在金华盆地,浙江省以及混合单粒子拉格朗日综合轨迹(HSPLIT)模型和光学原位监测在金华。上面的结果突出三个污染高峰位于上、下表面边界层在金华盆地。轨迹分析显示了内部和外部的污染物来自不同来源的行星边界层。行星边界层高度(PBLH)从太空获得激光雷达观测与从地面激光雷达观测。这两个工具之间的绝对误差约0.193公里。插图,星载激光雷达是一种有效的垂直节仪器获取气溶胶污染的区域。地面附近的污染传输与地形条件密切相关。
1。介绍
气溶胶粒子是大气的主要成分,作为云凝结核和因为这个原因影响云的属性(1]。据政府间气候变化专门委员会的结果(2),目前的科学理解气溶胶在全球气候系统的影响被认为是中等到低。大气气溶胶粒子的影响依赖于空间和气溶胶的垂直分布,光学和微物理属性,底层表面的反射率和云的存在3]。
近年来,霾污染引起了世界范围内的日益关注,特别是在发展中国家(4]。这些年来越来越多的空气污染突出的迫切需要一个高效的监测污染的大气粒子,这仍然是一个艰巨的任务由于高气溶胶在时间和空间非均质性5]。然而,地面激光雷达可以显示大气时空变化(在一个固定的位置),而星载激光雷达可以获得大气空间的变化(在大规模的地区)。从激光雷达数据,我们可以得到行星边界层(PBL)。和行星边界层是一个重要的参数,分析了气溶胶粒子垂直分布。PBL是湍流层接近地球表面的。它的高度,可以改变主要从1到2公里,中午对天气和气候的许多方面是至关重要的(6]。
使用多个方法来确定PBLH和经常给不同的结果7),如模型产品、无线电探空仪和激光雷达技术。现代地面激光雷达技术的使用遵循PBLH似乎前途的昼夜变化8]。然而,地面激光雷达只能显示大气时态变化。“激光雷达和红外探路者卫星观测卫星(卡利普索)有可能大大扩展可用的数据。它可以遵循大气分层的地区差异几乎在同一时间。本研究旨在分析气溶胶垂直分布在阴霾。总减毒后向散射系数的垂直分布概况分析是根据能见度水平。本文的组织如下。数据和方法提出了部分2阴霾的一天,气溶胶分布分析中描述部分3,半年PBLH观测数据原位在部分用于讨论吗4,分别。摘要和结论部分给出5。
2。数据和方法
2.1。数据和仪器
卡利普索有“与正交偏振激光雷达(CALIOP)工具,它可以测量大气的垂直结构三个频道。两种渠道,在532海里,是正交极化和一个频道措施总背散射信号在1064海里。CALIOP沿着轨道的空间分辨率为333米的道路。卫星重复周期是16天9]。总减毒后向散射系数资料CALIOP级别1和大气气溶胶云层在2级用于这项研究。
地面激光雷达的特点,本研究中使用类似于CALIOP的两个正交偏振频道在532海里,一个频道在1064海里。激光雷达是在金华的浙江师范大学。该网站的高度是71米。从2013年5月到现在为止观察扩展。
2.2。PBLH从激光雷达观测方法
PBL的高度估计使用减毒后向散射系数。重要的是要记住,这不是一个传统的、基于从气象学角度看的定义。无线电探空仪的传统定义使用温度资料估计湍流通过识别整个反转的程度。该方法识别aerosol-rich层或边界层限制云估计湍流的程度(10]。
有三种方法可以用来从激光雷达获取PBLH观察:一个梯度技术,Haar小波技术,和最大方差技术(11]。在本文中,我们考虑了Haar小波技术和最大方差技术全面。最大方差技术由约旦et al。11)来估计PBLH来自CALIOP使用减毒后向散射系数的波长532 nm。这种方法被用来分析全球McGrath-Spangler行星边界层的季节性变化和丹宁(2012年6,12]。这项技术是基于一个想法通过Melfi et al。10)和依赖于一个强大的气溶胶浓度梯度的存在PBL的顶部,可以检测到寻找的最大垂直激光雷达后向散射的标准差。这最大标准偏差的存在,因为在夹带区,在清晰的条件下,湍流边界层艾迪混合了对流层气溶胶拉登与清洁空气自由空气。这个明确的和肮脏的空气的混合物产生大量标准差的后向散射(11]。与边界层条件下云,标准偏差的最大值发生在或略高于云,这取决于具体情况。估计的差异取决于云的厚度(6]。
必须考虑的算法也有一些局限性。首先,光或气溶胶层厚云减弱信号防止观察激光雷达减毒后向散射下面这样的一层(10]。对于这种情况,我们选择noncloud数据来减少这种缺陷。第二,白天减毒后向散射系数较低信噪比(信噪比),尤其是对星载激光雷达CALIOP。我们使用平均水平(超过17公里(6])卡利普索减毒后向散射系数资料来提高信噪比。
3所示。一个案例研究
3.1。区域背景
中国已经认识一个非常快速的经济增长自1978年开始的经济改革,导致一个强大的能源消耗增加影响空气污染和相关的健康影响。在中国,大量排放都集中在大城市集群,如京津冀(蓝芽),珠江三角洲(PRD),长江三角洲(三角洲)地区13,14]。在我们的研究中,我们选择了金华盆地作为研究区域。金华(29.0°N, 119.5°E)位于中国东部的长江三角洲地区,在浙江省的中间。金华的气候属于亚热带季风气候。浙江金华的丘陵盆地中部,地势南北高,中间低。
2013年12月15日,6月7日,2014年,一个地面粒子光学性质的观察实验在金华,包括太阳光度计,激光雷达,颗粒物原位监控消费者谱仪和自动气象站,等等,旨在获得典型的冬季气溶胶表面属性的长江三角洲。在此期间,2一致*可能是针对卡利普索,13:26点,2013年12月24日上午02秒,2013年12月27日(当地时间)。在这项研究中,我们已经选择了白天的情况下,13:26点,12月24日,2013年,分析因为大气运动是一个艰苦的活动在白天。
图1海洋颜色是同步成像仪(GOCI) 12月24日,金华地区的图片2013,下午12:16。很明显,灰色区域呈现高水平的污染。卡利普索越过红线所示。这条线是通过受污染的区域。蓝点显示金华,地面观测站点。一个可以观察到这样一个污染分布,因为面积群山环绕,防止一个高效清洁的大气粒子的运输。在冬天这个运输而且慢。
在图1云,白色区域是面具。我们可以清楚地看到一半的轨道是云在金华流域的污染。虽然云存在,它可以清楚的看到,浅灰色区域主要来自气溶胶粒子灭绝在图1。然而,图2表明,几乎没有云在卡利普索穿过13点,看到云在蓝色竖线。
3.2。后向散射系数的空间分布
图2(a)是减毒后向散射的altitude-orbit截面在532 nm各自PBLH和可见性水平13:26点,12月24日,2013年,在金华。巧合点上(29.2°N, 119.9°E)卡利普索穿越的距离约32公里的地面站点,和图2(一个)显示轨道的一部分在1°N,在大约5分钟~ 100公里。我们考虑到大气结构略有变化。减毒后向散射能同样表达大气气溶胶粒子的浓度。黑线代表PBLH。由于温暖的封面逆温层的影响,大多数的大气气溶胶粒子集中在行星边界层。因此,行星大气边界层和自由之间,大气气溶胶粒子的浓度将急剧变化15- - - - - -19]。在图2(一个),在大多数情况下,气溶胶green-yellow-orange彩色特性和red-gray-white彩色特性是云20.),除了光学厚气溶胶层和光学薄云层,尤其是卷(19,20.]。可以看出,在图2最大(a),从气溶胶后向散射系数主要发生在高度约1公里,由黄橙色的颜色显示。黑灰色的颜色可能在1公里厚的气溶胶,主云已被移除,看到蓝色竖线。然而,最薄的可能依然存在。在地表附近,一些黄色显示了气溶胶,有点后向散射系数强度。在PBL地区气溶胶主要聚集在1.8 - -3.5公里的高度。
为了讨论污染的程度,这里污染程度分类的可见性。我们使用气溶胶光学深度(AOD)从卡利普索L2上面介绍的数据和PBLH演绎的可见性(17,18),考虑到没有消光系数对卡利普索产品数据。我们使用一个索引分类的可见性:1对应于严重的阴霾天,能见度低于2公里;2对应于沉重的阴霾天,能见度范围在2 - 3公里;在3 - 5公里范围对应于温和的阴霾天,指数是3;和5 - 10公里显示轻微的阴霾天,指数4;指数5表明晴朗的日子,可见性高于10公里。与这些标准,本研究案例分类主要是一种温和的阴霾天(见图2(b))。这里介绍的空间分布可以好,盆地周围的更高的可见性和低能见度在中间。然而,应该注意两件事。首先,强烈的后向散射系数的表面,很难获得表面后向散射系数引起能见度。第二,从卡利普索应低于大气气溶胶大气气溶胶从地面观察21),这意味着真正的可见性应低于我们估计。污染水平应该比估计。
为了显示累积后向散射系数的情况下在垂直方向,我们讨论了减毒后向散射图的垂直分布3。基于l2 - 333数据,我们选择不云后向散射配置文件和平均。研究地区的平均海拔是258米,所以我们设置(图0.1公里3(一个)(图),0.3公里3 (b)(图),0.5公里3 (c)),不同海拔分类。能见度范围在0 30公里,我们设定3 - 5公里(绿线),5 - 10公里(红线),大于10公里(黑线)不同的可见性分类。表1显示海拔范围的细节在减毒后向散射系数剖面的选择。
(一)
(b)
(c)
一般来说,有两个小的后向散射系数峰值和一个后向散射系数地区每个概要文件从下到上,大约在0.3,1.0,-3.5和1.8公里。在图3峰高,水平线表示,紫色的水平线(第一高峰),蓝色的水平线(第二峰值),和橙色虚线区域在1.8 - -3.5公里(第三区域)从底部。第一和第二高峰正在PBLH(黑水平线)。在0.3和0.5公里表面高度的情况下,第一个峰值高度几乎高出约0.4公里0.1公里。第三个地区约1.8 -3.5公里表示气溶胶积累在PBLH(尽管它看起来更轻的颜色比PBLH下)。通常的气溶胶在PBLH远小于出版广播公司。它主要来自两部分。一个是逃离PBL的内心;另一个从其他地方转移。此外,在不同的海拔,峰值的高度变化:海拔越高,每个气溶胶层的高度就越高。这说明,在盆地中污染层将保持低于周围。
的价值减毒后向散射系数与能见度范围按顺序,第一个与能见度超过10公里和第二能见度5公里和10公里之间,其次是能见度范围在3 - 5公里。表面附近的后向散射是最大最多0.6公里−1老−1,紧随其后的是价值约1公里约0.006到0.01公里−1老−1。这说明表面附近发生了严重的污染,另一个在PBLH污染层。和一个清晰的层在0.3公里仍然可以清楚的看到在图3。
3.3。时间分布的后向散射系数
研究气溶胶的时间分布依赖于分析地面激光雷达观测。减毒后向散射激光雷达图像为2014年12月24日(当地时间),如图4。蓝色表示反向散射水平低(主要是分子),而光blue-red-yellow颜色显示更密集的地区(气溶胶)。大多数PBLH气溶胶后向散射系数。从上午10点钟,红色成为了黑暗。结果表明,污染变得更糟,PBLH成为更高的从1公里1.5公里。这是一个正常的行星边界层的特征和白天的太阳活动为他们提供能量。
在图4,主要集中在PBL气溶胶后向散射系数;表面附近的后向散射强度低于在边界附近。以上所学,有一些光后向散射特性在2公里3公里0:00-4:00 13:00-17:00期间和在2公里左右。这仅仅气溶胶垂直分布同意分析星载情况。以上2.5公里,也有一些噪音应该被忽视的。
的原位测量是显示在图5,包括大气气溶胶表面灭绝,风速、温度和相对湿度。大气气溶胶和表面灭绝有很好的一致性从14:00至16:00(见图5(一个))。和表面灭绝的趋势是一致的相对湿度和相对温度(数据5 (b)和5 (c))。在这一时期,风速总是低,约0.3至3.8米/秒(图5 (b))。看来,高湿度、低温和风速可能污染的典型特征。
(一)
(b)
(c)
3.4。轨迹分析
上面的讨论集中在灭绝气溶胶垂直分布的主要特点。在本部分中,我们关注的是不同层次的不同来源。在图6,轨迹与一段时间的24小时使用HYSPLIT模型是描述在0.3公里(蓝色),1.0公里(绿色),2.0公里(红色)高出地面为了检测可能的链接路径的粒子对金华地区运输。三角形的图6(一)对应于地面观测时间,紫色0:00是12月24日下午13:00点灰色,黄色0:00是12月25日。在图6 (b),黑色线对应于卡利普索穿过。红线显示,气团在2.0公里的来源不同于其他两层。气溶胶低于0.3公里主要来自当地的来源,和烟雾可能是由两个原因造成的。首先,随着工业的发展,大量污染物排放的增加和城市悬浮物(如从机动车)会导致能见度下降的直接结果,使模糊的条件。第二,在冬季风速盆地低,最高的3 m / s的人物5 (b)。它不利于空气污染物的稀释和降解的城区,而这些污染物很容易积聚高浓度的盆地。
(一)
(b)
在图6(一)气团的方向和距离在0.3公里层变化缓慢而1.0公里和2.0公里层通过24小时。导致污染附近的表面很难在短时间内一个广泛区域内。在图6 (b)方向和距离的气团在三层,分别在5分钟~ 100公里。可以推断,污染的来源几乎是相同的在同一层~ 100公里2区在同一时间。
4所示。讨论
我们做了一个比较PBLH从地面激光雷达观测和星载卡利普索。为了同质化过程和专注于仪器的差异,我们处理这两种数据相同的方法:标准差方法和Haar小波技术。
地面激光雷达观测数据从2013年5月到2013年12月在本研究选择。由于混合大气边界层内大约13:00,更容易获得行星边界层白天(6]。我们专注于这一时期的比较,总结了5个采样点。比较结果表明,PBLH从地面激光雷达系统低于从星载激光雷达(约193米)看到图7。在几天的误差超过200米,地面激光雷达的主要考虑梁有时无法达到顶端的PBL如果气溶胶层致密或有一些云。从这个结果,PBLH从卡利普索可以用来分析污染在这个案例研究中。
5。结论
地面附近的空气污染与地形密切相关;高海拔会利用污染的扩散。高海拔的污染层的结构似乎一样的低海拔。小的区别是,污染层的高度会更高,和更容易消散污染。
在这项研究中,我们从不同的激光雷达数据计算PBLH来源,地面和太空。结合原位测量和HYSPLIT模型,阴霾案例12月24日,2013年,进行了分析。垂直,高度降低,后向散射增加,空气污染变得严重。培养下,强逆温层和下行空气运动的行星边界层(PBL)允许污染物积累在1公里左右。这似乎浅层稳定,防止污染扩散的盆地中。这些气溶胶主要来自江苏省金华盆地的北部。在0.3公里的高度,有明显的层,它在PBL的气溶胶分为两部分。在0.3公里下,气溶胶是本地产品和金华盆地的主要聚集在中间。在PBL,气溶胶的性格似乎不一样,在出版广播公司。他们主要来自两个方面:第一,小气溶胶输送到PBL受了风切变;第二,气溶胶的一部分来自长途运输,可能来自中国的西部,这在未来将继续研究。
一个案例研究是遥远的从理解霾形成的所有条件。作为正在进行的工作的一部分,我们计划进行更典型的气候特点的情况下,如北京、兰州,为了更深入的了解污染的形成。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
金华观察实验得到的支持杰邵博士和其他人从浙江师范大学。和作者承认的支持战略重点研究Program-Climate变化:碳预算和中国科学院的相关问题(没有。XDA05100202)和中国科学院重点部署项目(没有。KZZD-EW-TZ-18)。