内蒙古半干旱区气溶胶散射特性及影响因素

doi:10.13866/j.azr.2024.05.02

干旱区研究 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (5): 730-741.doi: 10.13866/j.azr.2024.05.02 cstr: 32277.14.j.azr.2024.05.02

内蒙古半干旱区气溶胶散射特性及影响因素

叶虎¹^,²(), 裴浩²^,³(), 姜艳丰²^,⁴, 那庆²^,⁵, 张立伟²^,⁶

1.内蒙古自治区气象服务中心，内蒙古呼和浩特 010051
2.内蒙古自治区荒漠生态气象中心，内蒙古呼和浩特 010051
3.内蒙古自治区气象局，内蒙古呼和浩特 010051
4.内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古呼和浩特 010051
5.内蒙古自治区气象数据中心，内蒙古呼和浩特 010051
6.锡林郭勒盟气象局，内蒙古锡林浩特 026000

收稿日期:2023-08-29 修回日期:2023-11-06 出版日期:2024-05-15 发布日期:2024-05-29
通讯作者: 裴浩. E-mail: peihao5217@sohu.com
作者简介:叶虎（1980-），男，高级工程师，主要从事气象服务技术研究与应用. E-mail: yehu_135@sina.com.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(41065003)

Properties of aerosol scattering and its influencing factors in semiarid areas of Inner Mongolia

YE Hu¹^,²(), PEI Hao²^,³(), JIANG Yanfeng²^,⁴, NA Qing²^,⁵, ZHANG Liwei²^,⁶

1. Inner Mongolia Service Center of Meteorology, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
2. Inner Mongolia Desert Ecological Meteorological Center, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
3. Inner Mongolia Meteorological Bureau, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
4. Inner Mongolia Meteorological Science Research Institute, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
5. Inner Mongolia Meteorological Data Center, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China
6. Xilin Gol League Meteorological Bureau, Xilinhot 026000, Inner Mongolia, China

Received:2023-08-29 Revised:2023-11-06 Published:2024-05-15 Online:2024-05-29

摘要/Abstract

摘要：

利用2020年7月9日至2023年7月8日锡林浩特市散射系数、黑碳（BC）、PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂质量浓度以及气象要素观测资料，从气溶胶散射特性的时间变化、概率密度分布、与不同类型气溶胶和气象因子的相关程度等方面展开分析，并针对该地区开展散射系数等级划分。结果表明：（1）该地区气溶胶散射能力整体水平较低，但是春季沙尘输送、冬季及夜晚逆温出现频率较高会造成该地区气溶胶散射能力的明显增强。（2）粒径越小的气溶胶与散射系数的相关程度越高，与散射系数的相关系数大小依次为BC>PM_2.5>PM₁₀，但同时具有季节差异性，此外秋、冬季硝酸盐颗粒是造成该地区散射能力增强的重要因素，夏、秋、冬季硫酸盐颗粒对该地区的散射能力也具有一定贡献。（3）以相关系数的增幅作为当前气象因素对散射系数的贡献率，得到当前气象因素对散射系数的贡献率在1%~2%之间。

关键词: 半干旱区, 气溶胶, 散射系数, 等级划分, 贡献率, 内蒙古

Abstract:

From observational data of scattering coefficients, the mass concentrations of aerosols and pollutants, and meteorological elements, collected from July 9, 2020 to July 8, 2023 in Xilinhot, the characteristics of aerosol scattering coefficients—including the variation over time, probability density distribution, and correlation with different types of aerosols and meteorological impact factors—are studied. Consequently, the scattering coefficient levels are classified. The results show that: (1) the overall level of aerosol scattering is relatively low, but the transport of dust aerosol in spring and the high frequency of temperature inversions in winter and at night may increase aerosol scattering. (2) The smaller the aerosol, the higher the correlation between aerosols and scattering coefficients, with the correlation coefficients following the order BC>PM_2.5>PM₁₀, although seasonal differences are observed. In addition, NO₂ is an important factor in increasing scattering in autumn, whereas SO₂ contributes to scattering in summer, autumn, and winter. (3) The increases in correlation coefficients are considered as the contribution rates of current meteorological factors to scattering coefficients, with contribution rates of between 1% and 2%.

Key words: the semiarid area, aerosol, scattering coefficient, gradation, contribution rate, Inner Mongolia

叶虎, 裴浩, 姜艳丰, 那庆, 张立伟. 内蒙古半干旱区气溶胶散射特性及影响因素[J]. 干旱区研究, 2024, 41(5): 730-741.

YE Hu, PEI Hao, JIANG Yanfeng, NA Qing, ZHANG Liwei. Properties of aerosol scattering and its influencing factors in semiarid areas of Inner Mongolia[J]. Arid Zone Research, 2024, 41(5): 730-741.

图/表 15

表1

表2

表3

图1

图2

图3

表4

图4

图5

表5

表6

图6

表7

图7

图8

参考文献 28

[1]	唐孝炎, 张远航, 邵敏. 大气环境化学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.
	[Tang Xiaoyan, Zhang Yuanhang, Shao Min. Atmospheric Environmental Chemistry[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006.]
[2]	崔芬萍. 南京地区大气气溶胶光学特性的观测研究[D]. 南京: 南京信息工程大学, 2017.
	[Cui Fenping. Observational Study on Optical Properties of Aerosol in Nanjing[D]. Nanjing: Nanjing University of Information Science & Technology, 2017.]
[3]	Kawecki S, Henebry G M, Steiner A L. Effects of urban plumeaerosols on a mesoscale convective system[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 2016, 73(12): 4641-4660.
[4]	李德平, 程兴宏, 孙治安, 等. 北京不同区域气溶胶辐射效应[J]. 应用气象学报, 2018, 29(5): 609-618.
	[Li Deping, Cheng Xinghong, Sun Zhi'an, et al. Radiative effects of aerosols in different areas of Beijing[J]. Journal of Aoolied Meteorological Science, 2018, 29(5): 609-618.]
[5]	Miller R L, Tegen I. Climate response to soil dust aerosols[J]. Journal of Climate, 1998, 11(12): 3247-3267.
[6]	Miller R L, Tegen I. Radiative forcing of a tropical direct circulation by soil dust aerosols[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1999, 56(14): 2403-2433.
[7]	王开燕, 邓雪娇, 李海洋, 等. 不同天气状况下气溶胶散射系数变化特征分析[J]. 气象与环境科学, 2014, 37(2): 29-32.
	[Wang Kaiyan, Deng Xuejiao, Li Haiyang, et al. Variation characteristics analysis of aerosol scattering coefficient in different weather conditions[J]. Meteorological and Environmental Sciences, 2014, 37(2): 29-32.]
[8]	杨寅山, 倪长健, 邓也, 等. 成都市冬季大气消光系数及其组成的特征研究[J]. 环境科学学报, 2019, 39(5): 1425-1432.
	[Yang Yinshan, Ni Changjian, Deng Ye, et al. Characteristics of atmospheric extinction coefficient and its components in winter in Chengdu[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2019, 39(5): 1425-1432.]
[9]	周变红, 曹夏, 张容端, 等. 宝鸡高新区冬季大气消光系数及其组成特征[J]. 大气与环境光学学报, 2020, 15(3): 196-206.
	[Zhou Bianhong, Cao Xia, Zhang Rongduan, et al. Characteristics of atmospheric extinction coefficient and its components in Baoji high-tech zone in winter[J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2020, 15(3): 196-206.]
[10]	时政, 邰菁菁, 龚克坚, 等. 南京北郊秋冬季气溶胶散射特征研究[J]. 生态环境学报, 2019, 28(3): 531-539. doi: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2019.03.013
	[Shi Zheng, Tai Jingjing, Gong Kejian, et al. Observation of aerosol scattering properties during autumn and winter in the northern suburbs of Nanjing[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2019, 28(3): 531-539.]
[11]	宋丹林, 陶俊, 张普, 等. 成都城区颗粒物消光系数特征及其与PM_2.5的关系[J]. 中国科学院大学学报, 2013, 30(6): 757-762. doi: 10.7523/j.issn.2095-6134.2013.06.007
	[Song Danlin, Tao Jun, Zhang Pu, et al. Seasonal characterization of particle extinction coefficient and its relation with PM_2.5 mass concentration in Chengdu[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences, 2013, 30(6): 757-762.] doi: 10.7523/j.issn.2095-6134.2013.06.007
[12]	王天舒, 牛生杰. 内蒙古东部春季三类沙尘天气气溶胶散射系数及其与PM₁₀、能见度相关性分析[J]. 大气科学, 2017, 41(1): 121-131.
	[Wang Tianshu, Niu Shengjie. Dust aerosol scattering coefficient under three types of sand storm in eastern Inner Mongolia in the spring and its correlations with PM₁₀ and visibility[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2017, 41(1): 121-131.]
[13]	颜鹏, 刘桂清, 周秀骥, 等. 上甸子秋冬雾霾期间气溶胶光学特性[J]. 应用气象学报, 2010, 21(3): 257-265.
	[Yan Peng, Liu Guiqing, Zhou Xiuji, et al. Characteristics of aerosol optical properties during haze and fog episode at Shangdianzi in northern China[J]. Journal of Aoolied Meteorological Science, 2010, 21(3): 257-265.]
[14]	周旭, 张镭, 陈丽晶, 等. 沙尘暴过程中沙尘气溶胶对气象场的影响[J]. 高原气象, 2017, 36(5): 1422-1432. doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00110
	[Zhou Xu, Zhang Lei, Chen Lijing, et al. Influence of the dust aerosols on meteorological fields during dust storm[J]. Plateau Meteorology, 2017, 36(5): 1422-1432.] doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00110
[15]	彭艳梅, 王舒, 肖高翔, 等. 塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区大气气溶胶散射系数影响因子[J]. 中国沙漠, 2018, 38(2): 384-392. doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2017.00004
	[Peng Yanmei, Wang Shu, Xiao Gaoxiang, et al. Impact factors of atmospheric aerosol scattering coefficient in the Tazhong Area if the Taklimakan Desert[J]. Journal of Desert Research, 2018, 38(2): 384-392.] doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2017.00004
[16]	陈学刚, 魏疆, 任泉, 等. 乌鲁木齐冬春季气溶胶散射吸收特性的差异性及其影响因素[J]. 干旱区研究, 2014, 31(7): 591-595.
	[Chen Xuegang, Wei Jiang, Ren Quan, et al. Scattering/absorptin properties of aerosol and its affecting factors over Urumqi in spring and winter[J]. Arid Zine Research, 2014, 31(7): 591-595.]
[17]	姚青, 韩素芹, 蔡子颖, 等. 天津城区春季大气气溶胶消光特性研究[J]. 中国环境科学, 2012, 32(5): 795-802.
	[Yao Qing, Han Suqin, Cai Ziying, et al. Study on characteristic of aerosol extinction at Tianjin City in the spring[J]. China Environmental Science, 2012, 32(5): 795-802.]
[18]	徐冉, 张碧辉, 安林昌, 等. 2000—2021年中国沙尘传输路径特征及气象成因[J]. 中国环境科学, 2023, 43(9): 4450-4458.
	[Xu Ran, Zhang Bihui, An Linchang, et al. Analysis of sand and dust storm transport paths characteristics and meteorological causes in China from 2000 to 2021[J]. China Environmental Science, 2023, 43(9): 4450-4458.]
[19]	贾瑞, 李君, 祝清哲, 等. 中国西北地区气溶胶的三维分布特征及其成因[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 34-43. doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00008
	[Jia Rui, Li Jun, Zhu Qingzhe, et al. Three-dimensional distribution and formation causes of aerosols over Northwest China[J]. Journal of Desert Research, 2021, 41(3): 34-43.] doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00008
[20]	周海军, 文秀, 刘涛, 等. 2019年锡林浩特市大气污染特征分析[J]. 内蒙古大学学报(自然科学汉文版), 2020, 49(6): 475-482.
	[Zhou Haijun, Wen Xiu, Liu Tao, et al. Air pollution characteristics of Xilinhot in 2019[J]. Journal of Inner Mongolia Normal University (Natural Science Editon), 2020, 49(6): 475-482.]
[21]	刑丽珠, 张方敏, 黄进, 等. 1961—2018年内蒙古6级及以上大风日数时空变化特征[J]. 干旱区地理, 2021, 44(5): 1290-1298.
	[Xing Lizhu, Zhang Fangmin, Huang Jin, et al. Spatial and temporal changes of high wind days over category 6 and above in Inner Mongolia from 1961 to 2018[J]. Arid Land Geography, 2021, 44(5): 1290-1298.]
[22]	王慧清, 裴浩, 孙玉, 等. 内蒙古典型草原2010—2021年黑碳气溶胶浓度变化及影响因素分析[J]. 中国环境科学, 2024, 44(1): 83-92.
	[Wang Huiqing, Pei Hao, Sun Yu, et al. Analysis of black carbon aerosol concentration changes and influencing factors in typical steppe of Inner Mongolia from 2010 to 2021[J]. China Environmental Science, 2024, 44(1): 83-92.]
[23]	齐冰, 杜荣光, 徐宏辉, 等. 杭州市区大气气溶胶散射特性观测分析[J]. 高原气象, 2014, 33(1): 277-284. doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2012.00186
	[Qi Bing, Du Rongguang, Xu Honghui, et al. An observational study on aerosol scattering properties in urban site of Hangzhou[J]. Plateau Meteorology, 2014, 33(1): 277-284.] doi: 10.7522/j.issn.1000-0534.2012.00186
[24]	Li Y, Lei L, Sun J X, et al. Significant reductions in secondary aerosols after the three-year action plan in Beijing summer[J]. Environmental Science & Technology, 2023, 57(42): 15945-15955.
[25]	闫涵, 高会旺, 姚小红, 等. 沙尘传输路径上气溶胶浓度与干沉降通量的粒径分布特征[J]. 气候与环境研究, 2012, 17(2): 205-214.
	[Yan Han, Gao Huiwang, Yao Xiaohong, et al. Size dependent mass and dry deposition fluxes of atmospheric aerosols along dust transport routes[J]. Climate and Envionmental Research, 2012, 17(2): 205-214.]
[26]	封秋娟, 牛生杰, 李培仁, 等. 山西夏季气溶胶散射特征的飞机观测研究[J]. 气候与环境研究, 2019, 24(4): 482-492.
	[Feng Qiujuan, Niu Shengjie, Li Peiren, et al. Aircraft measurements of the scattering properties of aerosols in Shanxi Province in summer[J]. Climatic and Environmental Research, 2019, 24(4): 482-492.]
[27]	中国环境监测总站, 中国环境科学研究院, 大连市环境监测中心, 等. 环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ633—2012)[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2012.
	[China National Environmental Monitoring Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Dalian Environmental Monitoring Center, et al. Technical Regulation on Ambient Air Quality Index (on trial) (HJ633—2012)[S]. Beijing: China Environmental Press, 2012.]
[28]	章秋英, 牛生杰, 沈建国, 等. 半干旱区气溶胶散射特性研究[J]. 中国沙漠, 2008, 28(4): 755-761.
	[Zhang Qiuying, Niu Shengjie, Shen Jianguo, et al. Observational study on aerosol scattering properties in semiarid area[J]. Journal of Desert Research, 2008, 28(4): 755-761.]

数据类型	样本容量/个	有效样本量/个	有效样本率/%
散射系数	26280	25513	97.1
黑碳质量浓度	26280	25735	97.9
大气污染物质量浓度	1095	1020	99.5
日平均气温	1095	1088	99.4
日平均相对湿度	1095	1088	99.4
日平均风速	1095	1088	99.4
日最大风速风向	1095	1091	99.6
日降水量	1095	1079	98.5

计算方法	标准差	峰度	偏度	变异系数	置信度（95.0%）
M₁	109.18	259.49	12.82	1.82	1.34
M₂	106.01	275.84	13.30	1.87	1.30

计算方法	PM₁₀	PM_2.5	BC	SO₂	NO₂
M₁	0.481^**	0.652^**	0.814^**	0.045	0.198^**
M₂	0.487^**	0.661^**	0.815^**	0.045	0.190^**

取值区间 /（M·m^-1）	样本总数	春季占比/%	夏季占比/%	秋季占比/%	冬季占比/%
（400,1000]	153	39.9	3.9	11.8	44.4
>1000	32	100	0	0	0

大气污染物	春季	夏季	秋季	冬季
NO₂	-0.105	-0.132	0.401^**	0.649^**
SO₂	-0.141	0.215^**	0.210^**	0.246^**

内蒙古半干旱区气溶胶散射特性及影响因素

Properties of aerosol scattering and its influencing factors in semiarid areas of Inner Mongolia

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 28

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0

季节	拟合关系	相关系数
春季	Y=-0.303X_PM10+3.333X_PM2.5+0.519X_BC-13.755	0.931
夏季	Y=-1.172X_PM10+5.741X_PM2.5+0.178X_BC+1.556X_SO2-8.227	0.803
秋季	Y=0.173X_PM10+2.763X_PM2.5+0.334X_BC+0.973X_SO2+1.379X_NO2-30.410	0.821
冬季	Y=0.386X_PM10+0.525X_PM2.5+0.344X_BC-0.968X_SO2+4.267X_NO2-13.997	0.848

等级	散射系数阈值 /（M·m^-1）	可能影响
低	≤30	PM_2.5空气质量分指数为优，BC质量浓度基本在100 ng·m^-3以下
中	（30,70]	PM_2.5空气质量分指数为良，BC质量浓度基本在200 ng·m^-3以下
高Ⅰ	（70,100]	污染物浓度可能达到轻度污染等级，短时可达中度或以上污染等级
高Ⅱ	（100,600]	污染物浓度可能达到中度污染等级，短时可达重度或以上污染等级
高Ⅲ	>600	PM₁₀污染物浓度可能达到重度或以上污染等级

[1]	王佳爽, 高晓瑜, 李为萍, 池曌男, 张家鹏, 吴怡萱. 塔布河流域潜在蒸散量时空变化特征及成因[J]. 干旱区研究, 2024, 41(9): 1538-1547.
[2]	刘鑫, 王利群, 李昊然, 李永红, 乔文光, 李丽娟, 王晨旭. 基于“服务重要性-生态敏感性-生物多样性”的内蒙古生态网络识别及优化[J]. 干旱区研究, 2024, 41(7): 1207-1216.
[3]	李冰洁, 范志韬, 曲芷程, 姚顺予, 宿夏姝, 刘东伟, 王立新. 基于InVEST-PLUS模型的黄河流域内蒙古段生态系统碳储量评价及预测[J]. 干旱区研究, 2024, 41(7): 1217-1227.
[4]	赵立超, 张成福, 贺帅, 苗林, 冯霜, 潘思涵. 复杂山区地表温度模拟及影响——以内蒙古大青山为例[J]. 干旱区研究, 2024, 41(5): 765-775.
[5]	裴志林, 曹晓娟, 王冬, 李迪, 王鑫, 白艾原. 内蒙古植被覆盖时空变化特征及其对人类活动的响应[J]. 干旱区研究, 2024, 41(4): 629-638.
[6]	刘如龙, 赵媛媛, 陈国清, 迟文峰, 刘正佳. 内蒙古黄河流域1990—2020年生境质量评估[J]. 干旱区研究, 2024, 41(4): 674-683.
[7]	王鑫, 海山. 基于能值分析的典型农牧交错带可持续发展规模研究——以内蒙古乌兰察布市为例[J]. 干旱区研究, 2024, 41(4): 706-715.
[8]	康国强, 马敏劲, 曹译丹, 陈然. 2013—2023年兰州山谷持续性冷池空气污染特征[J]. 干旱区研究, 2024, 41(3): 375-386.
[9]	陶际峰, 包玉龙, 郭恩亮, 金额尔德木吐, 呼斯乐, 包玉海. 近40 a内蒙古冬旱时空演变特征[J]. 干旱区研究, 2024, 41(3): 387-398.
[10]	衣娜娜, 苏立娟, 郑旭程, 辛悦, 蔡敏, 李慧, 靳雨晨. 冰雹天气的环境参量及预报模型[J]. 干旱区研究, 2024, 41(1): 13-23.
[11]	胡亚男, 裴浩, 姜艳丰, 苗百岭, 贾成朕. 1991—2021年内蒙古降水酸碱度时空变化特征分析[J]. 干旱区研究, 2023, 40(4): 552-562.
[12]	石建周, 刘贤德, 田青, 于澎涛, 王彦辉. 六盘山半干旱区华北落叶松林坡面土壤含水量的降雨响应[J]. 干旱区研究, 2023, 40(4): 594-604.
[13]	吴万民, 刘涛, 陈鑫. 西北干旱半干旱区NDVI季节性变化及其影响因素[J]. 干旱区研究, 2023, 40(12): 1969-1981.
[14]	程红霞, 林粤江, 陈鹏, 梁凤超, 王勇. 塔里木盆地沙尘天气日数变化及影响因素[J]. 干旱区研究, 2023, 40(11): 1707-1717.
[15]	党慧, 荣丽华, 李伊彤, 赵名君. 农牧交错区三生空间时空演变特征与影响因素——以内蒙古呼和浩特市为例[J]. 干旱区研究, 2023, 40(10): 1698-1706.