1. 引言
大气气溶胶一般指在大气中悬浮的气、液、固态粒子所形成的胶体，颗粒直径在0.001 μm至100 μm之间。由于气溶胶结构来源复杂，观测数据少，所以不能准确地估算气溶胶为环境带来的具体影响 [1] 。在对气溶胶类型的分析与其演变规律的总结中，其垂直分布结构的变化可以通过影响大气中垂直加热率的分布结构而改变大气层结与动力过程，来改变气候、云层分布及其他气象要素的湍流运动以及存在时间，同时也是判断气溶胶辐射效应的关键因素之一 [2] 。
在过去的大气气溶胶观测中，主要使用的手段为地面站观测与微波雷达遥感观测，此方法观测区域小，受天气影响较大，不便于观测气溶胶的垂直分布情况。激光雷达可以监测大气气溶胶的光学性质和空间垂直分布 [3] [4] 。其灵敏度高和分辨率高的特点使其成为了观测反演气溶胶参数，分析大气垂直气溶胶结构的主要方法 [5] [6] [7] 。
在我国对海洋研究探测需求日益增长的大环境下，充分利用CALIOP星载激光雷达观测数据对我国周边海区气溶胶及其他方面进行数据处理与规律总结我国大气观测的重要一环。本文针对台湾海峡气溶胶分布特性进行重点分析，可为研究海域的大气能见度变化规律及气象变化规律提供参考。
2. 卫星数据和研究区域
2.1. CALIOP数据
CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)，即“云–气溶胶正交偏振激光雷达”，是搭载在2006年发射的CALIPSO (The Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation))卫星上的一种载荷。该卫星还具有高解析度的光学仪器，可以探测云和气溶胶粒子的分布情况和气溶胶性质，以帮助科学家研究大气环境中的细微颗粒物和热波段强度变化，从而对气候变化产生的积极或消极影响做出判断 [8] 。
CALIOP的数据产品划分为五个级别：Level 0、Level 1A、Level 1B、Level 2、Level 3、Level 4。一级数据是经过时间、地理等多方面的矫正的重组数据，并加入了多方面的从属信息。二级数据以一级数据为基础，并加入了多个CALIPSO测量仪器参与矫正，从而得到了不同水平分辨率的云信息和5 km的气溶胶信息。更高级别的气溶胶观测数据是在前一级数据基础上加工矫正误差并细化分类得到 [9] [10] [11] 。
本文选取的是CALIOP数据最新版本(V4版)所提供的Level 2级气溶胶产品。该版本的数据将气溶胶分为以下7类：清洁海洋型(Clean Marine)、沙尘型(Dust)、污染沙尘型(Polluted Dust)、污染大陆型(Polluted Continental/Smoke)、清洁大陆型(Clean Continental/background)、煤烟型(Elevated Smoke)、沙尘海洋型(Dusty Marine)。
2.2. 研究区域
从NASA网站下载了2008年1月至2018年1月这十年的台湾海峡数据共1219轨，研究区域卫星观测轨迹如图1所示。本次获取数据方形区域为117.9˚E~121.9˚E，21.5˚N~26.2˚N，包含的范围主要为台湾岛及其周边海域，主要为台湾海峡地带。台湾海峡为我国重要渔场之一，且是贯通中国南北海运的要道。通过对该海域的大气气溶胶组成信息进行遥感探测，对掌握该海域的大气环境特征有一定参考价值。
Figure 1. Schematic diagram of the study area
图1. 研究区域示意图
3. 结果和分析
3.1. 总体分布
如图2所示为十年间台湾海峡上空大气整体上各类型气溶胶的百分比占比分布。
Figure 2. Histogram of aerosol sub-types statistics
图2. 各类型气溶胶总占比直方图
从图中可以得到各类气溶胶所有高度十年累计总和。可知清洁海洋型占比为0.34、沙尘型占比为0.06、污染大陆型占比为0.09、清洁大陆型占比为0.01、污染沙尘型占比为0.09、煤烟型占比为0.26、沙尘海洋型占比为0.15。其中，清洁海洋型为占比最多的气溶胶类型、其次主要类型还有煤烟型和沙尘海洋型。此三种类型占总气溶胶的0.75，是影响台湾海峡上空实际天气状况的主要气溶胶类型。其余四种占比较低，特别是清洁大陆型的占比0.01左右，故在对气溶胶的研究中几乎可以忽略该气溶胶的影响。
3.2. 各类型气溶胶占比的垂直空间分布
针对Level 2级各类型气溶胶数据，统计分析了研究区域10年间在0~8200米之间的各类型气溶胶垂直，其结果如图3阔线所示。
Figure 3. Vertical distribution profiles of aerosol sub-types
图3. 各类型气溶胶垂直廓线
从图中可以看出在十年统计中，台湾海峡上空气溶胶主要出现在0米至5500米之间，当海拔超过5500米时，各类气溶胶总量会显著下降。气溶胶总量最高点分布在300米左右，达到61万次。从趋势上看，气溶胶总量从0~300米迅速升高，在300米之后缓慢降低，在5500米之后变化趋于平稳，在此高度之上气溶胶总量相对较少。
清洁海洋型气溶胶(Clean Marine)是各类气溶胶中出现次数最高的气溶胶，占气溶胶中的主导地位，主要分布在0~2500米之间，最大值分布在100米，达到38万次。其中由于CALIOP其产品本身算法设计原因，由于海洋大气边界层(MBL)的存在位置大约为2500米，而清洁海洋型气溶胶只存在于MBL之内，故此类型气溶胶在2500米处直接降为零。总体上看可判断清洁海洋型是台湾海峡低空大气存在的主要气溶胶类型。
沙尘型气溶胶(Dust)，是气溶胶中占比较小的一类。最大值分布在600米，达到2万次左右。在600~6000米之间缓慢降低，但变化总体平缓。说明沙尘型也是台湾海峡低空存在气溶胶之一，但占比较小。
污染大陆型气溶胶(Polluted Continental)，最大值分别出现在300米和1300米，在两个最大值之间污染大陆型出现次数稍有降低但总体平稳，在2500米处由于海洋大气边界层的原因出现次数降为零。可以看出污染大陆型是台湾海峡上空300~1300米之间主要的气溶胶类型之一。
清洁大陆型气溶胶(Clean Continental)是所有类型气溶胶中占比最低的气溶胶种类，其最大值分布在2000米，约为1万次左右，其变化相对缓慢。可以看出清洁大陆型是台湾海峡上空中层高度上存在的气溶胶类型之一，且占比最低。
污染沙尘型气溶胶(Polluted Dust)在图像中存在两个极值，分别在1000米和3300米，出现次数均为3万次左右，在2300米处出现极小值，为1.5万次左右。可以看出污染沙尘型是台湾海峡上空1000米和3300米主要存在的气溶胶类型之一，其在2500米处出现较少，但仍大于清洁大陆型出现次数。
煤烟型气溶胶(Elevated Smoke)最大值出现在2500米处，为16万次左右，是在中层空间中占比最高的气溶胶类型。其在0~2500米处迅速升高，在2500米之后缓慢降低，5500米后基本不变。可以看出，煤烟型是台湾海峡中层高度主要气溶胶，并且广泛存在于各个高度，其出现次数在1500米处超过污染大陆型和沙尘海洋型，在1900米处超过清洁海洋型并成为占比最高的气溶胶类型。
沙尘海洋型(Dusty Marine)最高值出现在400米左右，为11万次。其出现次数在0~400米间迅速升高，在400~4500米间缓慢降低。其出现次数在1500米处落后于煤烟型并持续降低。可以看出，沙尘海洋型是台湾海峡底层空间的主要气溶胶类型之一，其占比仅次于清洁海洋型，并且其在0~4500米处均有存在，分布广泛。
总体观察，台湾海峡十年间气溶胶垂直分布呈现下多上少的普遍规律，其中表层和中层气溶胶主要类型分别为清洁海洋型和煤烟型，而其他种类气溶胶也在不同高度上均有存在。只有清洁大陆型的出现次数极低，对气溶胶总体情况影响微小。
3.3. 不同类型气溶胶逐月时空变化规律
如图4所示，总结了台湾海峡海域十年来每月的各类型气溶胶的出现次数，并做出相应变化曲线。
Figure 4. Monthly temporal changes in aerosol sub-types
图4. 各气溶胶类型的逐月分布
清洁海洋型气溶胶可以看出其在2~4月份变化平稳，在4月份后开始升高，升高趋势先快后慢，升高趋势延续到10月，后开始下降，一直下降至2月份。总体上其在5月~次年1月均为占比最高的气溶胶类型，在2~5月占比中等。
沙尘型气溶胶在1~5月升高，之后开始降低至6月，其余月份趋于平稳，无显著波动。4~5月份其出现次数也处于总体气溶胶的中下水平，其余时间低于大部分类型气溶胶。
污染大陆型气溶胶，总体变化为2~5月份较低，7~10月份较高，但其波动较清洁海洋型或者煤烟型相比较为平缓，在2~5月其低于除清洁大陆型外的大部分气溶胶，而在6~10月份其处于整体各类气溶胶出现次数的中上水平。
清洁大陆型气溶胶是全年占比最低的气溶胶种类，在各个月份均低于其他类型的气溶胶。总体上其在7月份和10月份有两个极大值，但总体波动较为平缓，不会对台湾海峡天气出现较大影响。
污沙尘海洋型在3~5月较高，随后降低，并一直保持平稳至次年2月。从总体上看其出现次数在全年都处于中上水平，特别是在3月其超过清洁海洋型成为占比第二的气溶胶类型，故沙尘海洋型是在台湾海峡全年都有存在的气溶胶类型，并且在3月份出现频率最高，超过大部分气溶胶类型。
煤烟型气溶胶是全年出现次数较高的气溶胶之一。在1~4月保持较高水平，之后开始下降，但在9月份又迎来一个极大值，后再次下降至11月份。在1~4月，其一直为出现次数最多的气溶胶类型，在5月份被清洁海洋型所超越，但基本维持着第二或者第三的位置。可以看出煤烟型是台湾海峡上空经常性出现的气溶胶之一，并且在1~5月相当强盛，6~12月有所减少但依旧是台湾海峡上空气溶胶的重要组成部分。
污染沙尘型气溶胶在2~5月维持较高水平，在4月份短暂超过沙尘海洋型成为出现次数第二的气溶胶类型。之后持续降低并在6月份到达极小值并趋于平稳。总体上看污染沙尘型在台湾海峡上空3~5月份出现频率较高，其余月份保持较低的出现频率。
4. 结论
本文主要采用10年(2008~2018) CALIPSO星载激光雷达资料，研究了0~8200米的台湾海峡上空气溶胶垂直分布及时空分布特征。从主导气溶胶类型来看，研究区域气溶胶占比排序自高到低依次为清洁海洋型(34%)，煤烟型(26%)和沙尘海洋型(15%)，污染大陆型(9%)，污染沙尘型(9%)，沙尘型(5%)，合计占比98%以上。易引起沙尘天气及低能见度天气的3种气溶胶类型(沙尘海洋型、污染沙尘型、沙尘型)占比约29%。从气溶胶垂直分布规律来看，各类型气溶胶在不同高度上区别明显。其中清洁海洋型、污染大陆型、沙尘海洋型主要分布在2500米之下，沙尘型、污染沙尘型、煤烟型分布在2500米之上。综合来看，台湾海峡上空气溶胶受到北方沙尘气候及季风气候的影响，但在海上沙尘情况有减弱趋势。