基于遥感观测的折射指数光谱特性反演大气气溶胶中沙尘组分含量

第３第６期　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析２卷，　２０１２年６月　　　　　　　　　　　　ＳｅｃｔｒｏｓｃｏａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ　　　　　　ｐｐｙｐｙ　Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．６，１６４９１６４４－ｐｐ

，Ｊｕｎｅ２０１２　

基于遥感观测的折射指数光谱特性反演大气气溶胶中沙尘组分含量

２

，李正强２＊，李东辉２，李凯涛２，田庆久１，李　莉２，张　莹２，吕　阳２，顾行发２王　玲１，

１．南京大学国际地球系统科学研究所，江苏南京　２１００９３　　　　　　　　　２．中国科学院遥感应用研究所国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京　１００１０１

摘　要　矿物沙尘是气溶胶的重要化学组分，对气候和环境都有重要影响。本文基于２０１０年的北京ＡＥＲＯＮＥＴ站点的气溶胶产品资料，分析了复折射指数在４４０～１０２０ｎｍ范围内的变化特性，发现实部（ｎ）　

在各个波段的取值差异不大；而虚部（由于受到矿物沙尘吸收的影响从４ｋ）４０到６７０ｎｍ呈现出明显下降的趋势。据此，将ｋ（与其他波段的值分开考虑，增加了一维信息量，从而能将目前基于复折射指数反４４０ｎｍ）演气溶胶化学组成的三组分模型（水、黑碳、硫酸铵）扩展为包含矿物沙尘的四组分模型，解决了以往在粗粒子较多时无法进行化学成分反演的难题。针对北京沙尘、灰霾、晴朗三种典型天气进行了气溶胶中沙尘组分的反演试验，获得的体积比例分别为８８％，３７％和４８％，与基于气溶胶粒子体积谱分布计算的粗粒子比例的相对大小具有很好的一致性。

关键词　沙尘；气溶胶组分；复折射指数；遥感反演

：／（）中图分类号：ＴＰ７９　　文献标识码：Ａ　　　ＤＯＩ１０．３９６４０５９３２０１２０６１６４４０６．ｉｓｓｎ．１０００－－－ｊ

６］

。含量分布的估计［

引　言

直　　气溶胶是悬浮在大气中的微小液体和固体微粒体系（

，依据来源和成分主要包含以径范围约为０．００１～１００μｍ）下几类：硫酸盐气溶胶、碳气溶胶（黑炭气溶胶和有机碳气、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶、海盐气溶胶和沙尘气溶溶胶）

胶等。在这几种气溶胶里面，据估计沙尘可占对流层气溶胶

１］

，因此其辐射特性和气候效应引起了广泛的研总量的一半［

１，２］

。但是目前这方面仍存在很大的不确定性，其中一个究［

气溶胶复折射指数是描述大气气溶胶散射和吸收特性的一个主要参量，是研究气溶胶中散射组分（如硫酸盐、铵盐）和吸收组分（如沙尘和黑碳）的含量的基础数据。全球气溶胶在世界范围内观测网ＡＥＲＯＮＥＴ（ａｅｒｏｓｏｌｒｏｂｏｔｉｃｓｎｅｔｗｏｒｋ）　　拥有超过５００个站点，统一采用法国ＣＩＭＥＬ公司的ＣＥ３１８型太阳－天空辐射计，同时提供高精度的定标以及成熟的气溶胶参数反演产品，其中包括４４０，６７０，８７０和１０２０ｎｍ四　

［［，］７］

个标准波段的气溶胶复折射指数。近年来，Ｓｃｈｕｓｔｅｒ１８，

［９］ＤｅＥＲＯＮＥＴ的气溶胶复折射指数数据，对气溶ｙ等利用Ａ

原因就是对真实大气中沙尘气溶胶含量的时空分布及其特性缺少足够的理解

［３］

胶中黑碳和水分含量进行了反演研究，反演结果与地面观测资料表现出很好的一致性。然而在他们反演中没有考虑复折射指数的光谱变化特性，采用４４０～１０２０ｎｍ波段处的平均　

值进行反演，由于已知的信息量只有两个，即一个实部值和一个虚部值，所以选取了黑碳、硫酸铵、水三种组分作为气溶胶化学混合模型。以上三组分模型没有考虑以粗粒子为主的沙尘气溶胶，因此他们在反演的过程中剔除了粗粒子的体积比例超过５０％的观测数据。而对于我国北方广大地区，尤其在气候干燥、大风天气较多的冬春季节，经常会受沙尘气溶胶的影响，很容易出现粗粒子的体积比例大于５０％的情

。

目前有关大气中沙尘含量的测定主要集中在现场采样观，，测，通过测定气溶胶中ＡｌＳｉＣａ等代表沙尘组成的化学元

４］

，和基于起沙机制、输送和干湿素含量来推算沙尘的含量［

１］

。然而这沉降等一系列物理和化学过程的模式模拟的方法［

５］

。本工作依据地基遥感两种方法都存在着一些不足和缺陷［

观测的气溶胶复折射指数光谱特性，反演真实大气气溶胶中沙尘成分的含量，具有不破坏观测样本、直接获得沙尘成分含量等优势，还可能扩展到卫星观测获得大范围内沙尘成分

，修订日期：２０１１１２１９２０１２０３０３　收稿日期：－－－－

），科技部全球变化重大科学计划项目（），遥感科学国家重点实验室４１０７５０１８，４０９７１１８６２０１０ＣＢ９５０８０１　基金项目：国家自然科学基金项目（

）自由探测项目（和江苏高校优势学科建设工程项目资助２１０ＺＹ０２－

：１９８６年生，南京大学国际地球系统科学研究所博士研究生　　ｅａｉｌｗｌ８３９４７２２＠１２６．ｃｏｍ　作者简介：王　玲，女，－ｍ

：ａｉｌｌｉｚｉｒｓａ．ａｃ．ｃｎ＊通讯联系人　　ｅ－ｍ＠ｑ

第６期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析况。为了能反演这些情况下的气溶胶化学组分，了解沙尘在气溶胶中的含量，利用ＡＥＲＯＮＥＴ北京站的气溶胶复折射指数资料，对其光谱特性进行了分析，讨论了引入沙尘组分将目前的三组分气溶胶模型扩展为更符合内陆地区气溶胶组成的四组分模型的可能性。在此基础上提出了利用该模型，利用复折射指数资料和ＭＧ理论进行沙尘组分含量的反演方案。并选取了沙尘、灰霾、晴朗三种典型天气下北京ＡＥＲＯＮＥＴ站点的观测个例进行了气溶胶中沙尘含量的反演试验。

１６４５

其中虚部的相对误差为３０％～５０％，实部的绝对误差大约是

［］

０．０４７。因此选择ＡＯＤ（４４０ｎｍ）．４的反演质量有保障的＞０

）数据（进行研究。ＡＥＲＯＮＥＴｌｅｖ２．０　

２　复折射指数的谱特征及反演沙尘组分的依

据

２．１　气溶胶复折射指数的光谱特征

基于２０１０年北京市气溶胶复折射指数资料，统计了复、虚部ｋ（在４折射指数实部ｎ（４０，６７０，８７０，１０２０ｎｍλ）λ）　）波段处的平均值和取值范围，如图１（所示。可以看出，实ａ部均值变化比较平缓，对波长的变化不敏感；而虚部值有明显的光谱变化特性：从４４０～６７０ｎｍ迅速降低，之后从６７０

０２０ｎｍ变化不明显。由于６７０～１０２０ｎｍ波段的虚部相～１　　差不大，用６７０ｎｍ处的虚部值代表６７０～１０２０ｎｍ三个波　段的值，统计了ｋ（与ｋ（比值分布情况，如４４０ｎｍ）６７０ｎｍ）（）／图１所示。可以看出，北京地区ｋ（的ｂ４４０ｎｍ）ｋ（６７０ｎｍ）约７值主要在１．０～２．３之间，但绝大多数情况下（５％以上）这两个波段虚部值的比值大于１．５，说明对于北京地区只有少数情况下能够忽略虚部在各个波段的差异

。

１　数据资料

ＥＲＯＮＥＴ站点，该站点位于　　气溶胶的数据来自北京Ａ

北京市北四环的中国科学院大气物理研究所。站点安装了ＣＥ３１８型太阳－天空辐射计，通过对直射太阳辐射和天空辐射的测量来推算反演大气气溶胶的气溶胶光学微物理特征参、单次散射反照率、复折射指数，如气溶胶光学厚度（ＡＯＤ）数、粒子尺度谱分布等。其中复折射指数参数是基于天空辐

［］射的测量根据Ｄｕｂｏｖｉｋ算法７反演获得。当ＡＯＤ较大时（＞

可以获得较好的复折射指数反演结果，０．４，波长为４４０ｎｍ）

：Ｆｉ．１　Ｓｅｃｔｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｅｒｏｓｏｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ（Ｄａｔａｓｏｕｒｃｅｓｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｏｆ　　　　　　　ｇｐ

）ＢｅｉｉｎＡＥＲＯＮＥＴｓｉｔｅｆｒｏｍＪａｎｕａｒｔｏＤｅｃｅｍｂｅｒ２０１０　　　　　ｊｇｙ　　

（）：；ａＳｅｃｔｒａｏｆｉｍａｉｎａｒａｎｄｒｅａｌｏｆａｅｒｏｓｏｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｉｃｅｓｗｈｉｃｈａｒｅｔｈｅａｖｅｒａｅｖａｌｕｅｓｄｕｒｉｎｔｈｅａｒｔａｒｔｅｒｉｏｄ　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｙｇｇｐｐｐ　　

（）：ａｒｔｂＴｈｅｆｒｅｕｅｎｃｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｉｍａｉｎａｒａｔ４４０ａｎｄ６７０ｎｍ　　　　　　　　　　ｐｑｙｇｙ　　

２．２　沙尘类型气溶胶复折射指数的光谱特征

气溶胶的复折射指数虚部表征了气溶胶吸收特性，是气溶胶中不同组分吸收特性的综合表现。黑碳是气溶胶中首要

１０，１１］

的、吸收最强的吸收性组分，但众多研究［都表明黑碳在

整个太阳光谱范围内（均有强烈的吸收，吸４００～２５００ｎｍ）　收大小基本是一个常数，因此仅考虑黑碳这一吸收组分无法解释气溶胶复折射指数的虚部的光谱变化特性。

除了黑碳，气溶胶中的矿物沙尘也是一类重要的吸收性组分。针对矿物沙尘的复折射指数国外开展了大量的实验室

］１２１８－，其中具有代表性的就是最近两次在撒和野外观测研究［

哈拉地区开展的大型沙尘气溶胶观测试验ＳＡＭＵＭ－１和

［２］１５－。实验中通过光学测量和实验室化学分析两ＳＡＭＵＭ－２１种方式研究了３５０～９００ｎｍ范围内的沙尘气溶胶复折射指数虚部的光谱变化特征，结果如图２所示。

可以看出矿物沙尘

Ｆｉ．２　Ｉｍａｉｎａｒｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｓｅｃｔｒａｏｆｍｉｎｅｒａｌｄｕｓｔ　　　　　ｇｇｙｐ　的复折射指数虚部从紫外到６００ｎｍ波段附近有一个明显的下降过程，而在６００ｎｍ波段以后基本保持不变，与之前

１６４６

光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３２卷

）算如式（２

［８］

（）图２有很好的一致性。综合这些ＯＰＡＣ推荐的沙尘模型１

研究来看，矿物沙尘在４４０ｎｍ波段处的复折射指数虚部值ｋ

（主要集中在０主要集中在４４０ｎｍ）．００７～０．０１２，ｋ（６７０ｎｍ）

与ｋ（的比值主要集０．００２～０．００４之间，ｋ（４４０ｎｍ）６７０ｎｍ））中显示的气溶胶复折射指中在２～３之间。由此可见图１（ａ数虚部在４４０与６７０ｎｍ波段处的巨大差异可以由沙尘吸收的波段特性来解释，这正是本工作利用气溶胶复折射指数的光谱特性反演气溶胶中沙尘组分含量的依据。

ｎ＝

其中ｎ和ｋ分别为气溶胶混合模型的复折射指数的实部与虚部，εεｒ和ｉ分别是气溶胶等效介电常数的实部与虚部。

３．３　应用ＭＧ理论反演沙尘组分含量

相对沙尘和黑碳，硫酸铵几乎没有吸收，对折射指数虚部没有贡献，因此我们先考虑折射指数虚部，设定硫酸铵的体积比为０，改变黑碳和沙尘的体积比ｆＢＣ和ｆｄｕｓｔ，根据式

ｃａｌ（））（，通过和式（模拟出相应组合下的折射指数虚部ｋ１２λ）

ｒｔｒｖ

（进行比较，当满足与太阳－太空辐射计反演的虚部值ｋλ）ｂｅｓｔｂｅｓｔ

）时，就能获得沙尘及其黑碳的最佳体积比ｆ式（３ＢＣ和ｆｄｕｓｔ。

ｒｉｒ，ｋ＝

２

ｒｉｒ２

（）２

３　沙尘组分反演方法

３．１　气溶胶化学组分混合模型的确定

通过对４４０～１０２０ｎｍ范围内的气溶胶复折射指数的分　析可知４４０ｎｍ的虚部值与６７０～１０２０ｎｍ的值相差明显，　因此可将４４０ｎｍ波段的虚部值与其他三个波段的值分开考的方法相比增加了一个信息量，从而我们虑，与文献［８，９］可以将气溶胶混合模型由目前的三组分扩展为四组分，即不随波段变化的吸收性组分－黑碳、随波段变化的吸收性组分－沙尘、非吸收性组分和水。这一假设更符合实际大气气溶胶

］１６２４－。其中非吸收性组分的组成情况比较复杂，的组成情况［

利用相似的方式，基于折射指数实部还可以获得硫酸铵的体

ｂｅｓｔ

积比ｆＡＳ。

４

ｒｔｒｖｃａｌ２

（ｍｍｌｌ）

ｒｔｒｖｍｌ

χ＝

２

∑

ｌ＝１

（）３

）式（中ｌ３＝１，２，３，４分别表示太阳－太空辐射计用于反演复

折射指数的４个波段：４４０，６７０，８７０和１０２０ｎｍ，ｍ代表气　溶胶复折射指数的实部ｎ或虚部ｋ。

在这里用气溶胶中含量较大的硫酸铵作为非吸收性组分代、沙尘（）、硫酸铵（））表。黑碳（和水（的复折ＢＣ）ｄｕｓｔＡＳｗａｔｅｒ射指数如表１所示。

Ｔａｂｌｅ１　Ｓｅｌｅｃｔｅｄａｅｒｏｓｏｌｃｏｍｏｎｅｎｔｓａｎｄ　　　　ｐ

＊

ｔｈｅｉｒｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｉｃｅｓ　　

４　沙尘组分反演示例

４．１　反演结果

）、灰霾（分别选取晴朗（和沙尘（天气ｃｌｅａｒｈａｚｄｕｓｔｙ）ｙ）（、２０１１年２月１８日０１：０４（ＵＴＣ）２０１１年２月２２日０３：３０

（）和２太阳－天空辐射计ＵＴＣ）０１１年４月１６日００：５３（ＵＴＣ）的观测作为研究对象。这三天的天气情况和气溶胶光学特性

气溶胶化

学组分黑碳沙尘硫酸铵水

实部ｎ４４０，６７０，８７０，１０２０ｎｍ　

１．９５　１．５７　１．５３１．３３

４４０ｎｍ０．６６　０．０１０　－－

虚部ｋ

６７０，８７０，

１０２０ｎｍ　０．６６０．００４－－

参考

文献［］１０［］１２［］２０［］２１

见表２。可以看出灰霾和晴朗天气的Ａｎｓｔｒｏｍ波长指数大ｇ

于１，以细粒子居多；沙尘天气下小于１，以粗粒子居多。

沙尘粒子一般较大，主要集中分布在粗模态（半径ｒ＞１中，因此粗粒子在气溶胶中的体积比例一定程度上反映ｍ）μ

了沙尘组分的含量情况。沙尘、灰霾和晴朗天气下，根据粒子体积谱分布计算的粗粒子体积比例分别为９５％，３９％和，说明沙尘天气的沙尘组分含量最大，晴朗天气图略）４８％（

次之，灰霾天气最小。根据气溶胶复折射指数和ＭＧ理论反演的沙尘、灰霾和晴朗天气下气溶胶中沙尘体积百分比分别），表现为沙尘天气＞晴朗天气为：表２８８％，３７％和４８％（＞灰霾天气，与粗粒子体积比例的相对大小一致。

Ｔａｂｌｅ２　Ｔｈｅｒｅｔｒｉｅｖｅｄｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｄｕｓｔｉｎａｅｒｏｓｏｌｕｎｄｅｒ　　　　　　　　　

）ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｅａｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎＢｅｉｉｎｉｎ２０１１　　　　　ｊｇ（

气溶胶光学特性

日均相对

湿度／％

ｃｌｅａｒ（）Ｆｅｂ１８－ｈａｚｙ（）Ｆｅｂ２２－ｄｕｓｔｙ（）Ａｒ１ｐ－６

４８　５９　２６　

化学组分含量反演

体积比：％）Ａｎｓｔｒｏｍ结果（ＡＯＤｇ

ｄｕｓｔ（指数４４０ｎｍ）０．４６　３．１４　０．９１　

１．４　１．２　０．３　

４８３７８８

７０和＊注：结合气溶胶和沙尘组分复折射指数的光谱特性，假设８

１０２０ｎｍ的虚部值与６７０ｎｍ的虚部值相等　

３．２　Ｍａｘｗｅｌｌａｒｎｅｔ有效媒介近似理论－Ｇ

（有效媒介近似理论将气溶胶看作ＭａｘｗｅｌｌａｒｎｅｔＭＧ）－Ｇ由溶剂（水）和悬浮在溶剂中的溶质（黑碳、硫酸铵、沙尘）组成，根据溶剂和溶质的介电常数及体积比估算气溶胶的等效

［２２］

介电常数εＭＧ

εＭＧ＝εｗａｔｅｒ·

ＢＣｍｄｕｓｔｍＡＳｍ３＋ｆ＋ｆＡＳｄｕｓｔｆＢＣ　

ＡＳＢＣｍｄｕｓｔｍｍ

１＋

ＢＣｍｄｕｓｔｍＡＳｍ

１－ｆＢＣ－ｆ－ｆＡＳｄｕｓｔ

εεεεεＡＳ＋２εＢＣ＋２ｍｄｕｓｔ＋２ｍｍ（）１

，Ａ其中ｆ溶质的体积比例，ｋ＝ＢＣ，ｄｕｓｔＳ）εｉ为第ｉ种（ｗａｔｅｒ与ε这里为水）与第ｋ种溶质的介电常数，可以ｋ分别是溶剂（

２２］

。通过复折射指数求得［

获得气溶胶的等效介电常数后，其等效复折射指数的计

第６期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析４．２　效果评价

（）—（）图３给出了太阳－天空辐射计获得的复折射指数ａｃ（以及分别采用三组分模型（ｏｂｓｅｒｖｅｄ）ｓｉｍｕｌａｔｅｄ（ｓｅｃｔｒａｌｐ

１６４７

））和考虑气溶胶复折射指数光谱变化特性的四组ｉｎｄｅｅｎｄｅｎｔｐ

）），基于ＭＧ理论计算分模型（ｓｉｍｕｌａｔｅｄ（ｓｅｃｔｒａｌｄｅｅｎｄｅｎｔ　ｐｐ的复折射指数

。

Ｆｉ．３　ＡｅｒｏｓｏｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｉｃｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｅａｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎＢｅｉｉｎｉｎ２０１１　　　　　　　　　ｇｊｇ　

从太阳－天空辐射计的观测来看，三种天气下的折射指

数虚部在４４０～６７０ｎｍ之间都呈现明显下降的趋势，ｋ（４４０／的值都在１ｋ（６７０ｎｍ）．５以上，而６７０～１０２０ｎｍ虚部ｎｍ）　

－３

的变化相对平缓，起伏不大，最大标准偏差仅为０．８×１０（）。见表３

从模拟效果来看，采用四组分模型模拟的指数虚部在各个波段的值都比三组分模型的模拟值更接近观测值。对于三组分模型，其模拟的４４０ｎｍ处的指数虚部与观测值的相对

偏差是四个波段中最大的，说明仅考虑黒碳作为吸收组分无法解释气溶胶复折射指数在４４０ｎｍ处呈现高值的特点。沙尘、晴朗和灰霾三种天气下４４０ｎｍ处的相对偏差分别为，说明随着沙尘含量的增见表３）６１．３％，３８．７％和３２．４％（

多三组分模型的拟合效果越差。而当引入折射指数虚部随波段变化的沙尘作为另一种吸收组分时，４４０ｎｍ处的相对偏差分别下降为１２．９％、２１．１％和１４．８％，与三组分模型的相对偏差相比降低了很多。

Ｔａｂｌｅ３　Ａｃｃｕｒａｃａｎａｌｓｉｓｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｉｃｅｓｕｓｉｎ　　　　　　　ｙｙｇ　

ｆｏｕｒｃｏｍｏｎｅｎｔｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｒｅｅｃｏｍｏｎｅｎｔｍｏｄｅｌ－　　　－　ｐｐ

太阳－天空辐射计观测

４４０ｎｍ处

的虚部值

ｄｕｓｔｙ　ｈａｚｙ　ｃｌｅａｒ　

１０．４　１１．９　１５．６　

６７０～１０２０ｎｍ

三个波段虚部的平均值４．１±０．５　８．１±０．４　９．３±０．８　

４４０与６７０ｎｍ

处的虚部比值

２．２　１．６　１．８　

四组分模型

４４０ｎｍ处的

相对偏差／％

１２．９　１４．８　２１．１　

６７０～１０２０ｎｍ

三个波段处的平均相对偏差／％

８．９±７．４　３．８±３．４　６．５±６．０　

三组分模型

４４０ｎｍ处的

相对偏差／％

６１．３　３２．４　３８．７　

６７０～１０２０ｎｍ

三个波段处的平均相对偏差／％

８．９±７．４３．９±２．９６．２±５．６

酸铵之外另一个气溶胶质量的主要贡献者，约占５０％，其复

５　误差分析

在利用气溶胶复折射指数反演其中沙尘组分含量时误差

来源可能有：

（）气溶胶化学混合模型的假设。将气溶胶简化为由黑１

碳、沙尘、硫酸铵和水四种组分组成是按照光学特性划分的。虽然气溶胶的化学组分十分复杂，除这些组分外还有硝酸盐、有机化合物等；但是根据吸收和散射特性，不同组分可以划分为吸收性和非吸收组分两大类。其中黑碳属于强吸收组分，沙尘在太阳光谱范围内具有弱吸收，除黑碳和沙尘以外基本是非吸收性组分。用硫酸铵替代非吸收性组分主要考虑到对于内陆地区，硫酸盐是气溶胶质量的主要贡献者，通常与铵盐相结合，约占亚微米气溶胶质量分数的１６％～

［３］

；另外一些非吸收性组分的复折射指数与硫酸铵的５４％２

［］

相差不大，基本在１．５１～１．５８之间９。有机化合物是除了硫

［４］

，与硫酸铵的１折射指数为１．５５２．５３较为接近。

（）气溶胶组分的复折射指数。基于复折射指数虚部获２

得了沙尘的含量，因此黑碳和沙尘的折射指数虚部的选取会影响沙尘含量的反演结果。黑碳在气溶胶中含量很少，一般从百分之几到百分之十几。我们统计的２０１０年北京市４４０．０４６９，假设只有ｎｍ处的气溶胶复折射指数虚部最大值为０　

黑碳吸收的话，转为等效的黑碳体积比仅为９％。因此黑碳复折射指数对沙尘含量的反演结果的影响应该在２０％以内。除了黑碳，沙尘的复折射指数虚部也会对反演结果产生影响。从图４可以看出，当气溶胶中黒碳含量一定时，对于相同的气溶胶折射率虚部，沙尘在４４０ｎｍ处的折射率虚部等于０ｋ４４０ｎｍ）．００７时反演的沙尘体积比例大于ｋｄｕｓｔ（ｄｕｓｔ（４４０ｎｍ）＝０．０１２时的情况，但是随着黒碳含量的增加这一差异逐渐减小。当黒碳体积比ｆＢＣ为０，沙尘折射率虚部对反演结果的影响最大约为４０％，而当ｆＢＣ达到最大值０．２时，

１６４８

沙尘折射率虚部对反演结果的影响最大仅为１５％

。

光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３２卷

背景吸收的２～３倍。

（）北京市大气气溶胶的复折射指数虚部在４２４０ｎｍ处的

值与６７０～１０２０ｎｍ处的值也呈现出一定的差异，与６７０ｎｍ处的比值在７５％的情况下都大于１．５，说明北京地区的气溶／的值随胶中沙尘组分是普遍存在的。ｋ（４４０ｎｍ）ｋ（６７０ｎｍ）着沙尘含量的增多而增大，如灰霾天气下这一比值为１．６，而沙尘天气下可以达到２．２。

）（通过考虑气溶胶复折射指数虚部在４３４０ｎｍ与其他三个波段处的光谱特征差异，与目前基于气溶胶复折射指数反演气溶胶化学组分的方法相比增加了一维信息量，从而我们黑碳、硫酸铵、水）能够引入沙尘组分将目前的三组分模型（

扩展为更符合内陆地区大气气溶胶组成的四组分模型。

Ｆｉ．４　Ｉｍａｉｎａｒｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｏｆｃｏｍｏｓｉｔｅａｅｒｏｓｏｌｓｃａｌｃｕ　　　　　－ｇｇｙｐ　

ｌａｔｅｄｕｓｉｎＭＧｔｈｅｏｒｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｍｉｘｔｕｒｅｓｏｆｂｌａｃｋ　　　　　　ｇｙ　　ｃａｒｂｏｎａｎｄｄｕｓｔ．０．００７ａｎｄ０．０１２ａｒｅｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍ　　　　　

，ｍａｘｉｍｕｍｉｍａｉｎａｒｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｉｃｅｓｒｅｓｅｃｔｉｖｅａｎｄ　　　－ｇｙｐ　，ｌａｔ４４０ｎｍｆｏｒｔｈｅｍｉｎｅｒａｌｄｕｓｔｉｖｅｎｂｍｏｓｔｕｂ　　　　　　　　－ｙｇｙｐ　ｌｉｓｈｅｄｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ　

（）从三种典型天气的化学组分反演结果看，在冬春季４

节除了沙尘天气，在一般情况下北京市大气气溶胶中也含有３０％～４５％的沙尘组分。

（）在影响沙尘组分含量反演结果的因素中，沙尘的复５折射指数虚部是最重要的因素。然而目前有关沙尘复折射指数虚部的研究由于研究地点和研究方法的差异，结果相差还比较大，最小值和最大值相差可达到１０倍，但是大部分研究都表明４４０ｎｍ处折射率虚部在０．００７～０．０１２之间。通过分析４４０ｎｍ处的沙尘折射率虚部在０．００７～０．０１２之间变化时对反演结果的影响，发现其影响大小约为１５％～４０％。因此，在将来开展中国地区沙尘气溶胶复折射指数的光谱变化特性的观测和研究，对于提高沙尘组分反演精度将有较大帮助。

致谢：感谢北京ＡＥＲＯＮＥＴ站点负责人中国科学院大气物理研究所陈洪滨研究员提供的ＣＥ３１８观测资料和反演，产品以及法国里尔大学ＰＨＯＴＯＮＳ小组的ＰｈｉｌｉｅＧｏｌｏｕｂ　ｐｐ

，ＬｕｃＢｌａｒｅｌＴｈｉｅｒｒＰｏｄｖｉｎ等人在仪器维护、定标等方面所　ｙ　做的工作。

６　结　论

４０～１０２０ｎｍ范围内随波　　从分析气溶胶复折射指数在４　

长的变化特征出发提出了一个基于ＭＧ理论和表达气溶胶组成的四组分模型反演气溶胶中沙尘组分含量的方法。应用该方法对北京市的沙尘、灰霾和晴朗三种典型天气下太阳－天空辐射计的观测进行了反演实验。得到以下结论：（）矿物沙尘在６１００～１０２０ｎｍ的波段处呈现出相同的　

背景吸收特征，对于复折射指数虚部而言，基本在０．００２～０．００４之间；而从６００ｎｍ到紫外波段，矿物沙尘的吸收迅速增大，在４是４０ｎｍ处折射率虚部可以达到０．００７～０．０１２，

Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

［，（（，王　宏，石广玉，Ａ科学通报）ｕ，Ａ１］ＨｏｎＳＨＩＧｕａｎｏｋｉＴ，ｅｔａｌｏｋｉＴ，等）．ＣｈｉｎｅｓｅＳｃｉｅｎｃｅＢｕｌｌｅｔｉｎ２００４，４９：１９９３．　ＷＡＮＧ　　－　　　　　ｙｇｇ［，ＷＡＮＧ　，，（（，宿兴涛，王汉杰，宋　帅，等）高原气象）ｉｅ２］Ｕ　ＸｉｎｔａｏＨａｎＳＯＮＧＳｈｕａｉｅｔａｌ．ＰｌａｔｅａｕＭｅｔｅｏｒｏｌｏ２０１１，３０：１３００．　Ｓ－－　　　ｇｊｇｙ［，（）：３］ａｎｄｌｅｒＫ，ＢｅｎｋｅｒＮ，ＢｕｎｄｋｅＵ，ｅｔａｌ．ＡｔｍｏｓｈｅｒｉｃＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ２００７，４１３７８０５８．　Ｋ　　　　　ｐ［，４］ｕａｎＣＳ，ＬｅｅＣＧ，ＬｉｕＳＨ．ＡｔｍｏｓｈｅｒｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ２００６，８２：６６３．　Ｙ　　　　　　　ｐ

［，（）：５］ｃｈｕｓｔｅｒＧＬ，ＤｕｂｏｖｉｋＯ，ＨｏｌｂｅｎＢＮ，ｅｔａｌ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｈｓｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈ２００５，１１０Ｄ１０１．　Ｓ　　　　　　　　　ｐｙ［，６］ｕｂｏｖｉｋＯ，ｅｔａｌ．Ａｔｍｏｓ．Ｍｅａｓ．Ｔｅｃｈ．２０１１，４：９７５．　Ｄ　　

［，（）：７］ｕｂｏｖｉｋＯ，ＳｍｉｒｎｏｖＡ，ＨｏｌｂｅｎＢ，ｅｔａｌ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｈｓｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈ２０００，１０５Ｄ８９７９１．　Ｄ　　　　　　　ｐｙ［，（）：８］ｃｈｕｓｔｅｒＧＬ，ＬｉｎＢ，ＤｕｂｏｖｉｋＯ．Ｇｅｏｈｓ．Ｒｅｓ．Ｌｅｔｔ．２００９，３６３１．　Ｓ　　　　ｐｙ

［，（）：９］ｅＳ，ＴｒｉａｔｈｉＳＮ，ＳｉｎｈＲＰ，ｅｔａｌ．ＡｔｍｏｓｈｅｒｉｃＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ２００６，４０３４４５．　Ｄ　　　　　　ｙｐｇｐ　［］：Ｍ，１０ｅｓｓＭ，ＨｅｒｄＣＲ．ＣａｒｂｏｎＢｌａｃｋ．Ｎｅｗ　ＹｏｒｋｅｒｃｅｌＤｅｋｋｅｒ１９９３．　Ｈ　　　　　

［］，（）：１１ｅｒｓｔｒｏｍ　Ｒ　Ｗ，ＲｕｓｓｅｌｌＰＢ，ＨｉｎｅｔｔＰ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＡｔｍｏｓｈｅｒｉｃＳｃｉｅｎｃｅｓ２００２，５９３５６７．　Ｂ　　　　　　　ｇｇｐ［］，（）：１２ａｎｅｒＲ，ＡｔａｉＴ，ＫａｎｄｌｅｒＫ，ｅｔａｌ．Ａｔｍｏｓ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｓ．Ｄｉｓｃｕｓｓ２０１１１１２１３６３．　Ｗ　　　　ｇｊｙ［］（）：１３ｅｔｚｏｌｄＡ，ＲａｓＫ，ＷｅｉｎｚｉｅｒｌＢ，ｅｔａｌ．ＴｅｌｌｕｓＢ，２００９，６１１１１８．　Ｐ　　　　ｐ　［］（）：１４üｌｌｅｒＴ，ＳｃｈｌａｄｉｔｚＡ，ＭａｓｓｌｉｎＡ，ｅｔａｌ．ＴｅｌｌｕｓＢ，２００９，６１１７９．　Ｍ　　　　ｇ　［］（）：１５üｌｌｅｒＴ，ＳｃｈｌａｄｉｔｚＡ，ＫａｎｄｌｅｒＫ，ｅｔａｌ．ＴｅｌｌｕｓＢ，２０１１，６３４５７３．　Ｍ　　　　　

［］：Ｇ：Ａ．１６ＡｌｍｅｉｄａＧ　Ａ，ＫｏｅｋｅＰ，ＳｈｅｔｔｌｅＥＰ，ｅｔａｌ．ＡｔｍｏｓｈｅｒｉｃＡｅｒｏｓｏｌｓｌｏｂａｌＣｌｉｍａｔｏｌｏａｎｄＲａｄｉａｔｉｖｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｅｓＤｅｅａｋ　ｄ’　　　　　　　　　ｐｐｇｙｐ　

，ＨＰｕｂｌｉｓｈｉｎａｍｔｏｎ，１９９１．ｇｐ

［］，（）：１７ｕｂｏｖｉｋＯ，ＨｏｌｂｅｎＢＮ，ＬａｏｎｏｋＴ，ｅｔａｌ．Ｇｅｏｈｓ．Ｒｅｓ．Ｌｅｔｔ．２００２，２９１０１４１５．　Ｄ　　　　　ｐｙｐｙ

第６期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析

１６４９

［］，（）：：／１８ｏｄｄＭ　Ｃ，ＭａｒｔｉｎｓＶ，ＷａｓｈｉｎｔｏｎＲ，ｅｔａｌ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｈｓｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈ２００７，１１２Ｄ０６２０７，ｄｏｉ１０．１０２９２００６ＪＤ００７１７０．　Ｔ　　　　　　　ｇｐｙ［］，，（（，（）：许　黎，樊小标，石广玉，等）气象学报）１９ＬｉＦＡＮ　ＸｉａｏｂｉａｏＳＨＩＧｕａｎｅｔａｌ．ＡｃｔａＭｅｔｅｏｒｏｌｏｉｃａＳｉｎｉｃａ１９９８，５６５５５１．ｕ，　ＸＵ　－　－　　　ｇｇｙ［］，２０ｅｉｎｆｅｌｄＪＨａｎｄＰａｎｄｉｓＳＮ．ＡｔｍｏｓｈｅｒｉｃＣｈｅｍｉｓｔｒａｎｄＰｈｓｉｃｓ．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｗｉｌｅ１９９８．　Ｓ　　　　　　　　ｐｙｙｙ　［］，）：２１ｅｓｉｎｓＧ，ＣｈｌｅｋＰ，ＬｏｍａｎｎＵ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｈｓｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈ２００２，１０７（Ｄ１０４０９４．　Ｌ　　　　　　ｙｐｙ

［］，２２ｏｈｒｅｎＣＦａｎｄＨｕｆｆｍａｎＤＲ．ＡｂｓｏｒｔｉｏｎａｎｄＳｃａｔｔｅｒｉｎｏｆＬｉｈｔｂＳｍａｌｌＰａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｗｉｌｅ１９９８．　Ｂ　　　　　　　　　　　ｐｇｇｙｙ　　

［］（，ＷＡＮＧ，（大气科学）何金海，王２３ａｌｌａｃｅＪＭａｎｄＨｏｂｂｓＰＶ．ＡｔｍｏｓｈｅｒｉｃＳｃｉｅｎｃｅ．ＴｒａｎｓｌａｔｅｄｂＨＥＪｉｎｈａｉＺｈｅｎｈｕｉＹＩＮ　Ｙａｎ，ｅｔａｌ　Ｗ　　　　　　　　－　－　ｐｙ　

：（，振会，银　燕，等译）北京：科学出版社）．ＢｅｉｉｎＳｃｉｅｎｃｅＰｒｅｓｓ２００８．１７８．　ｊｇ

［］，，２４ａｒｓｏｎＳ　Ｍ，ＣａｓｓＧＲ，ＨｕｓｓｅＫＪｅｔａｌ．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉ．Ｔｅｃｈ．１９８８，２２：６２９．　Ｌ　　　　　　ｙ　

ＲｅｔｒｉｅｖａｌｏｆＤｕｓｔＦｒａｃｔｉｏｎｏｆＡｔｍｏｓｈｅｒｉｃＡｅｒｏｓｏｌｓＢａｓｅｄｏｎＳｅｃｔｒａ　　　　　　　　　ｐｐ

ｏｆＲｅｆｒａｃｔｉｖｅＩｎｄｉｃｅｓＯｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　　　　　　　ｇ

Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ

１２２２２１２２２

，，ＷＡＮＧＬｉｎＬＩＺｈｅｎＬＩＤｏｎｈｕｉＬＩＫａｉｔａｏＴＩＡＮ　ＱｉｎＬＩＬｉＺＨＡＮＧＹｉｎＬＹａｎｉａｎｉｕ　　－　－　，　－－　　，　ｇ，ｇｇｇｇ，ｇ，ｑｇ＊，ｊ２

ＧＵ　Ｘｉｎｆａ－ｇ

，

，Ｎ，Ｎ１．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＥａｒｔｈＳｓｔｅｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔａｎｉｎ１００９３，Ｃｈｉｎａ　　　　　　２ｙｊｇｙｊｇ　

，ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＳａｔｅｌｌｉｔｅｓＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎＡｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆ２．Ｓｔａｔｅ　　　　　　　　　　ｙｙｇｇｐｐ　　　

，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓＢｅｉｉｎ００１０１，Ｃｈｉｎａ　　　１ｙｊｇ　

，Ａｂｓｔｒａｃｔｉｎｅｒａｌｄｕｓｔｉｓａｎｉｍｏｒｔａｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｏｎｅｎｔｏｆａｅｒｏｓｏｌｗｈｉｃｈｈａｓａｓｉｎｉｆｉｃａｎｔｉｍａｃｔｏｎｔｈｅｃｌｉｍａｔｅａｎｄｅｎｖｉｒｏｎ　Ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　－ｐｐｇｐｍｅｎｔａｌｃｈａｎｅｓ．Ｔｈｅｓｅｃｔｒａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｅｒｏｓｏｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｉｃｅｓａｔｆｏｕｒｗａｖｅｌｅｎｔｈｓｆｒｏｍ４４０ｔｏ１０２０ｎｍ　ｗａｓａｎａｌｚｅｄｂａｓｅｄ　　　　　　　　　　　　　　　　ｇｐｇｙ

ｏｎｏｎｅｅａｒｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍＢｅｉｉｎＡＥＲＯＮＥＴｓｉｔｅ．Ｔｈｅｒｅａｌａｒｔｓｏｆｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ（ｎ）ｉｎｅａｃｈｂａｎｄｄｉｄｎｏｔｄｉｆｆｅｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｙｊｇｐ　，ａｒｔｓ（ｒｅａｔｌｈｏｗｅｖｅｒｔｈｅｉｍａｉｎａｒｋ）ｓｈｏｗｅｄａｓｉｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｄｕｅｔｏｔｈｅａｂｓｏｒｔｉｏｎｏｆｍｉｎｅｒａｌｄｕｓｔｉｎａｅｒｏｓｏｌ．Ｆｒｏｍ　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｙｇｙｇｐ　

，，，６７０ｎｍｋｄｅｃｒｅａｓｅｄｒａｉｄｌｗｈｉｌｅｆｒｏｍ６７０ｔｏ１０２０ｎｍｆｅａｔｕｒｅｄａｌｏｗｅｒｃｏｎｓｔａｎｔｖａｌｕｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｌｋ（４４０ｎｍ）ｃｏｕｌｄ４４０ｔｏ　　　　　　　　　　　　ｐｙｇｙ，ｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｓｅａｒａｔｅｌｗｉｔｈｏｔｈｅｒｔｈｒｅｅｂａｎｄｓ．Ｈｅｎｃｅｗｅａｄｄｅｄｍｉｎｅｒａｌｄｕｓｔｉｎｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｌｕｓｅｄｔｈｒｅｅｃｏｍｏｎｅｎｔａｅｒｏｓｏｌ　　　　　　　　　　　　－　ｐｙｙｐ　　

）ｗｃｈｅｍｉｃａｌｍｏｄｅｌｔｏｆｏｒｍａｎｅｗｆｏｕｒｃｏｍｏｎｅｎｔｍｏｄｅｌ（ｉ．ｅ．ＢＣ，ＡＳ，ｄｕｓｔａｎｄｗａｔｅｒｈｉｃｈｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｒｅｒｅｓｅｎｔｔｈｅ　　　　　　－　　　　　　　　　ｐｐｒｅｓｅｎｔｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎｗｅａｍｅｔｈｏｄｔｏｒｅｔｒｉｅｖｅｄｕｓｔｃｏｎｔｅｎｔｉｎａｅｒｏｓｏｌｓｕｓｉｎｔｈｉｓｆｏｕｒｃｏｍｏｎｅｎｔｍｏｄｅｌａｅｒｏｓｏｌ　　　　　　　　　　　　　　－　ｐｐｇｐ　ａｎｄｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｉｃｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｕｎｈｏｔｏｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．Ｆｉｎａｌｌｔｈｅｄｕｓｔｃｏｎｔｅｎｔｉｎａｅｒｏｓｏｌｗａｓｉｎｖｅｓｔｉａｔｅｄｕｎｄｅｒ　　　　　　　　　　　　　　ｐｙｇ　

，，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｅａｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉ．ｅ．ｃｌｅａｒｈａｚｅａｎｄｄｕｓｔｉｎＢｅｉｉｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｄｕｓｔｃｏｍｏ　　　　　　　　　　　　　　　－ｊｇｐ，，ｎｅｎｔｗｅｒｅ８８％，３７％ａｎｄ４８％ｆｏｒｃｌｅａｒｈａｚａｎｄｄｕｓｔｄａｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌｗｈｉｃｈｗａｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｃｏａｒｓｅｍｏｄｅｒｏｏｒｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　　ｙｙｙｐｙｐｐ　　　ｉｎａｅｒｏｓｏｌｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｆｒｏｍａｅｒｏｓｏｌｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ．　　　　　　

；Ａ；；ＫｅｗｏｒｄｓｕｓｔｅｒｏｓｏｌｃｏｍｏｎｅｎｔＲｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘＲｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｄ　　　ｐｇｙ　

（）ＲｅｃｅｉｖｅｄＤｅｃ．１９，２０１１；ａｃｃｅｔｅｄＭａｒ．３，２０１２　　　　ｐ

ｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎａｕｔｈｏｒ＊Ｃｐｇ　

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