印度河-恒河平原上空紫外线辐射的时空变化及其与不同类型气溶胶的关系

《Atmospheric Pollution Research》：Spatio-temporal variation of ultraviolet radiation (UVR) and its relationship with distinct aerosol types over the Indo-Gangetic Plain

　　

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  对IGP地区气溶胶-状态相关的紫外线变异性进行了多站点观测特征化研究。
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  从气溶胶光学特性推断出四种气溶胶光学状态。
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  AOD每增加一个单位，在不同气溶胶状态下，UVA通量减少1-6 W/m²，UVB通量减少0.01-0.4 W/m²。
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  SZA范围在4°-26°和22°-43°的波段显示AOD对紫外线通量的最大影响，适用于所有站点。
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  通过CWT分析不同气溶胶类型，以确定潜在来源。

引言

地球大气通过大气气体、云和气溶胶的吸收和散射，调节传入太阳辐射的传输。紫外线辐射（UVR；100–400 nm）是到达地球表面的太阳辐射谱中的一个较小部分，但对人类健康、生态系统、大气光化学和气候具有至关重要的意义（WMO, 2014）。UVC光被大气中的氧气和臭氧完全吸收。UVA（315–400 nm）和UVB（280–315 nm）进入大气后，根据大气条件的不同，以不同量到达地面。

在过去二十年中，我们通过地面观测、卫星反演和辐射传输模型，对大气气溶胶对地表紫外线辐射的影响有了显著的认识进展。此前的研究表明，随着气溶胶光学厚度（AOD）的增加，地表紫外线辐照度会下降，这是由增强的散射和吸收所导致的（Krotkov等人，1998；Kazantzidis等人，2007；Pandithurai等人，2008），使得气溶胶负荷成为影响紫外线变异性的重要因素之一，与臭氧、云、水汽和太阳几何因素齐名。除气溶胶负荷外，紫外线衰减的程度还强烈依赖于粒径分布、化学组成、折射率、吸收效率、吸湿增长和大气老化等，这些共同决定了AOD、AE、SSA、FMF和不对称参数等光学特性（Lyamani等人，2010；Oh等人，2013；You等人，2020）。因此，具有相同光学厚度的气溶胶可以根据其主要光学特性和混合状态，产生非常不同的辐射效应。

这种复杂性在印度-恒河平原（IGP）地区尤为显著，该地区的气溶胶光学厚度不仅是全球观测到的最高值之一（例如Ramachandran和Rupakheti，2022），而且全年都是矿物粉尘、生物质燃烧烟雾、工业排放、机动车污染物、二次无机气溶胶和有机气溶胶的复杂混合物，受该地区高度变化的气象条件影响。多个研究报告了IGP地区气溶胶光学特性的季节变化，并将其与区域排放、农业残留物燃烧、沙漠粉尘传输和大气环流联系起来（Mishra和Shibata，2012；K.K. Shukla等人，2022；Vijayakumar等人，2024）。还报告了利用卫星、地面观测和建模方法观测到的UVA和UVB变异性（Singh等人，2018；Zhao等人，2021；Mall和Singh，2025）。长期AErosol Robotic NETeork（AERONET）气溶胶产品和Clouds and the Earth's Radiant Energy System（CERES）地表辐射数据集的可用性，进一步促进了印度地区气溶胶-辐射相互作用的研究（Subba等人，2022；X. Li等人，2019；Mall和Singh，2025）。

由于气溶胶混合物及其辐射和化学效应的异质性，根据气溶胶的化学或辐射特性对其进行表征非常重要。化学表征通常基于地表测量进行；然而，光学特性更多地依赖于柱状气溶胶浓度。根据光学特性或主导光学状态对气溶胶进行分类，便于研究大气或地表的辐射强迫等影响。Li等人（2025）最近的一项工作研究了气溶胶组成对全球地表漫射辐射的影响，其中气溶胶根据其粒径分布（消光?ngstr?m指数，AEA）和吸收及散射特性（单次散射反照率，SSA）进行分类。然而，该研究并未涵盖IGP地区。在IGP和其他南亚地区，已有许多研究基于气溶胶光学特性，利用分析方法对气溶胶进行表征（D. G. Kaskaoutis等人，2009；A. K. Srivastava等人，2014；Pathak等人，2012；Kedia等人，2014；Tiwari等人，2015；Liu和Yi，2022；Ansari和Ramachandran，2023；Liaqut, Tariq和Younes，2023）。只有少数研究还基于气溶胶的细模分数（FMF）和SSA对气溶胶进行分类（Lee等人，2010；Tiwari等人，2015）。需要注意的是，这种方法表征的是主导光学状态，而非独特的化学组成。在没有直接化学组成测量的情况下，光学状态中的气溶胶类型通常是从AOD、AE、FMF、SSA和不对称参数的组合中推断出来的，以适应气溶胶的柱状光学特性。该方法本身有其局限性，因为吸湿增长和内部与外部混合可能以非直观的方式改变AE和SSA（Curci等人，2015）。此外，不同的化学组成可能产生相似的光学特征，导致误分类；即使精心定义的基于来源的气溶胶类型从光学数据中推导也可能存在显著的错误分配（Kacenelenbogen等人，2022）。对气溶胶混合状态本身的观测约束可能也不够充分（Riemer等人，2019）。因此，光学分类提供的是有价值的但必然是有限的组成代理。尽管存在这些局限性，它仍然是基于柱状光学特性表征气溶胶的首选方法，特别是对于IGP这样缺乏长期化学表征的大区域。

尽管上述研究根据光学状态对气溶胶类型进行了表征并估算了总体辐射效应，但迄今尚未有研究——尤其是针对IGP地区——根据气溶胶的光学状态对其进行分类，并评估其对到达地表的UVA和UVB通量的影响。在本研究中，我们详细研究了不同光学分类的气溶胶状态如何影响印度-恒河平原六个研究站点地表紫外线辐射的空间和时间变异性。我们还尝试利用HYSPLIT模型中的浓度加权轨迹（CWT）分析，评估观测到的气溶胶类型中有多少是由于区域气溶胶传输路径和本地气溶胶造成的。因此，本研究旨在详细表征IGP地区气溶胶-状态相关的紫外线变异性的观测模式。此外，我们还通过使用切片方法在固定的SZA波段内研究不同气溶胶状态对UVA和UVB通量的影响，以尽量减少太阳几何因素的影响。本研究首先通过将卫星反演的CERES AOD与地面AERONET AOD进行比较来验证CERES衍生的AOD。然后，使用所有六个站点18年（2005-2022）的数据，对长期CERES衍生的AOD、UVA、UVB和柱状臭氧进行了趋势分析。由于柱状臭氧数据未显示出显著趋势，且任何站点的变异性均不显著，本研究假设其对UVA和UVB的影响可忽略不计。因此，本研究的总体目标是：(i) 考察IGP地区气溶胶和紫外线的空间与时间变异性；(ii) 表征该地区主要的气溶胶光学状态；(iii) 在尽量减少太阳几何影响后，量化其与地表UVA和UVB辐照度的关联性；以及(iv) 评估区域传输路径与观测到的气溶胶-紫外线关系之间的一致性。

章节摘要

研究站点和数据集

本研究使用IGP地区六个站点的长期卫星和地面观测数据：德里、甘地学院（Mau）、坎普尔、斋浦尔、卡拉奇和拉合尔。这些站点的选取是为了代表该地区气候和土地利用的异质性，涵盖城市、半城市和相对较低城市化程度的环境（图1）。表1总结了站点详情和所用数据的时间段。使用三个主要数据集：(i) AERONET Version 3, Level 2.0（经云筛选且

CERES和AERONET数据的时间同步与比较

AERONET反演是点测量，而CERES反演是1°×1°分辨率的栅格化数据。因此，在进行比较或合并之前，需要一个明确的匹配方案。对于本研究，我们从包含每个AERONET站点坐标的栅格单元中提取CERES栅格值。AERONET观测数据按小时取平均值，以匹配CERES的小时反演值，然后取平均值以获得日值，从而构建共位日对。日值

AERONET和CERES AOD的比较

2005年1月至2022年12月期间，IGP多个站点的AERONET和CERES AOD数据进行了比较，如图2所示。利用多种统计指标验证了两个来源的所有六个选定站点的数据，结果总结在表3中。MAE衡量误差的平均幅度，不考虑其方向，范围为0.097至0.197，最低值出现在卡拉奇（0.097），最高值出现在德里（0.197）。该

结论

本研究提供了一个综合的多站点观测评估，揭示了不同气溶胶光学状态与IGP地区地表紫外线辐射（UVR）变异性之间的关联，IGP是全球气溶胶影响最显著的地区之一。将18年的CERES衍生的UVA/UVB辐照度与六个站点的AERONET气溶胶光学特性相结合，识别并评估了四种主导气溶胶光学状态——DD、PCD、BCD和OCD——与地表紫外线的关联

CRediT作者贡献声明

Ankita Mall：撰写——原稿、可视化、验证、方法论、数据整理、概念化。Sachchidanand Singh博士：撰写——审阅与编辑、监督、概念化

未引用参考文献

Cabrera等人，2012；Coddington等人，2016；Damiani等人，2013；Giles等人，2011；Hess等人，1998；IPCC，2022；Jin等人，2023；Jin等人，2025；Kacenelenbogen等人，2021；Kazantzidis等人，2006；Singh等人，2021；Singh等人，2005；Soni等人，2015；TSrivastava和Saran，2017；Wielicki等人，1998。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢：

本工作由科学与工业研究委员会（CSIR）资助，基金编号为31/0001(18599/2024-EMR-I)，以及ULIP（单位与实验室内部项目）编号MLP002637。作者AM还感谢科学与创新研究学院（AcSIR）。作者向匿名审稿人提出宝贵建议和意见表示感激与感谢。

Ankita Mall|Sachchidanand Singh