《Atmospheric Pollution Research》：Aerosol characterization using dynamic columnar properties over a remote station in the Meghalaya Plateau
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气溶胶光学深度季节变化与多模态混合特性研究（2018-2023）基于印度Meghalaya高原地面观测，揭示AOD在预季风（1.18±0.12℃日?1）和冬季达峰值，Angstrom指数显示细颗粒物主导，光谱曲率分析显示24.18%预季风符合Junge分布，其他季节呈现复杂多模态混合。人为影响从后季风16.6%增至预季风42.9%，生物质燃烧贡献率达27.1%。气溶胶-云相互作用及沙尘污染事件影响显著，辐射强迫季节差异达4倍（0.26-1.18℃日?1），凸显区域气溶胶动态对气候的调控作用。
作者名单：Arban S. Youroi、Arup Borgohain、Arundhati Kundu、Rohit Gautam、Shyam S. Kundu、Anurup Gohain Barua、S.P. Aggarwal
研究机构：印度梅加拉亚邦政府空间部东北空间应用中心
摘要
本研究利用2018年12月至2023年11月的地面光学观测数据，分析了梅加拉亚高原一个偏远地区的气溶胶特性及其季节性变化。气溶胶光学厚度（AOD）在季风前和冬季达到峰值，相应的?ngstr?m指数（AE）值表明以细颗粒气溶胶为主。通过对AOD的光谱曲率分析，发现季风前季节在24.18%的样本中遵循理想的Junge幂律分布，而其他季节则表现出明显的曲率变化，表明存在复杂的多模态气溶胶混合物。基于AOD与AE关系的气溶胶分类显示，人为影响在干旱期逐渐增加，从季风后的16.6%上升到季风前的42.9%。生物质燃烧（可能与jhum耕作方式有关）在季风前季节贡献显著（27.1%）。光谱曲率还反映了气溶胶的改变化学过程，表明颗粒增长和污染现象。新颗粒的形成主要发生在季风前季节，而云层和尘埃污染事件则出现在季风和季风后季节。季节性气团轨迹分析揭示了影响气溶胶传输的风向变化。来自中东的冬季气团可能导致了异常的粗颗粒尘埃负荷。辐射强迫和气溶胶引起的加热率存在显著的季节性差异，季风期间为0.26 ± 0.09 °C day?1，而季风前季节为1.18 ± 0.12 °C day?1。这项综合分析突显了该地区气溶胶环境的动态变化及其对空气质量、辐射效应和区域气候的影响。
引言
大气气溶胶在塑造地球天气和气候系统中起着微妙但重要的作用（IPCC, 2021）。悬浮在空气中的气溶胶不断与地球的能量平衡和水循环相互作用，吸收和散射辐射，从而影响气候（Charlson等人，1992；Twomey, 1977；Rosenfeld, 2000；Li等人，2022）。这些效应的程度取决于气溶胶的粒径分布和化学组成。在不同环境中，气溶胶特性有所不同：城市地区由于人为气溶胶的影响而空气质量严重恶化，而偏远地区主要受到远距离传输的气溶胶影响（Myhre等人，2013；Sharma等人，2022）。这些变化不仅是空间上的，也是时间上的，因为排放源的动态变化（受工业化、车辆排放和大规模大气环流模式变化等因素影响）会显著改变气溶胶特性（Ramachandran等人，2012；Nabat等人，2020）。近年来，全球大部分地区的气溶胶排放量有所下降，但印度仍呈上升趋势（Bauer等人，2022；IPCC，2021）。快速的工业化、农业活动的加剧和人口增长导致气溶胶负荷显著增加（Yadav等人，2021）。因此，气溶胶将在大气动力学中发挥更重要的作用，对区域和全球气候产生更广泛的影响（Bellouin等人，2020；Ramanathan等人，2001）。这些变化需要持续和仔细地监测气溶胶特性。
在印度次大陆，气溶胶特性因排放源、地形和气象条件而异（Moorthy等人，2013；Babu等人，2013）。印度东北部地区的研究相对较少，其复杂的地形和有限的仪器设备给研究带来了挑战（Gogoi等人，2017；Bhuyan等人，2016；Gautam等人，2024, 2025a）。尽管该地区城市化程度较低，工业发展有限，但仍存在可测量的气溶胶水平。当地排放源如住宅生物质燃烧、传统jhum耕作、车辆活动和小型工业运营对气溶胶负荷有显著贡献（Gogoi等人，2017；Rabha等人，2023；Kharol等人，2008）。此外，来自印度-恒河平原和西部沙漠的气溶胶主要通过西风传输到该地区，尤其是在干旱期（Gogoi等人，2008；Barman & Gorkhale，2023）。位于印度东北部的梅加拉亚高原地势较高，风况多变，经常出现云层覆盖和强地形降雨（Fujinami等人，2017）。这些风将污染物带入该地区，而强降雨促进湿沉降，使高原成为研究气溶胶传输、积累和去除的理想场所。梅加拉亚高原等地气溶胶负荷的动态变化需要持续监测，非侵入式光学方法为实时跟踪气溶胶特性提供了有效手段。
气溶胶颗粒具有显著的大小差异，可以分为细颗粒和粗颗粒两类。细颗粒包括硫酸盐、硝酸盐、有机碳和黑碳，主要来源于燃烧和二次化学过程；而粗颗粒如尘埃和海盐则主要通过风蚀和海洋喷雾等机械过程生成（Finlayson-Pitts & Pitts, 2000；Andreae & Gelencsér, 2006；Satheesh & Moorthy, 2005）。根据来源和特性对气溶胶进行分类非常重要，因为不同类型的气溶胶对辐射强迫和大气过程有不同的影响（Seinfeld & Pandis, 2016；Samset等人，2018）。这种分类有助于理解它们对空气质量的影响，并制定有效的控制和缓解策略（P?schl, 2005）。
有多种方法基于不同的气溶胶光学特性对气溶胶类型进行分类。这些分类方案主要基于吸收和消光?ngstr?m指数、单次散射反照率、细颗粒分数和气溶胶光学厚度（AOD）等光学参数之间的相互关系（Eck等人，1999；Giles等人，2011；Kaskaoutis等人，2009；Lee等人，2010；Russell等人，2010；Tiwari等人，2015）。不同大小的气溶胶的光谱特性使其可以分类为细颗粒和粗颗粒（Kaufman等人，2002；Dubovik等人，2002），其中?ngstr?m指数在Junge幂律框架下作为颗粒大小的代理指标（Junge, 1963）。然而，更复杂的气溶胶粒径分布偏离了这一框架，使用多项式曲率拟合技术可以更准确地表示（Eck等人，1999；Kaskaoutis等人，2007）。为了进一步评估观测到的光学特性，Gobbi等人（2007）提出了一种基于Mie散射的图形框架，用于分析由二次形成、凝聚和混合状态变化等大气过程引起的气溶胶光学变化（Kaskaoutis等人，2009；Rodríguez等人，2011；Russell等人，2014）。本研究采用光学分类框架，系统地分析了梅加拉亚高原上气溶胶类型的时间变化及其对当地环境的影响，从而全面评估了当地排放和远距离传输对区域气溶胶特性的相对贡献。
数据和方法
本研究基于在梅加拉亚高原Umiam（海拔1040米）进行的地面气溶胶观测（图1）。该地区当地污染较少，降雨频繁（Ahmed等人，2022），非常适合研究背景气溶胶和传输气溶胶、气溶胶冲刷、湿沉降以及云-气溶胶相互作用。此外，印度东北部广泛的耕作方式变化也影响了气溶胶分布（Heinimann等人，2017）。
光学特性的时间变化
气溶胶负荷通常通过AOD来评估，其变化可能由不同大小的气溶胶引起。为了分析这种变化，我们分析了整个研究期间AOD和AE的综合信息（图3a）。通过箱线图（图3b）对这些变化进行了统计评估，提供了更定量地了解季节性和年际分布变化。
结论
本研究通过AOD光谱分析和气团轨迹分析，全面评估了Umiam地区气溶胶特性的季节性和年度变化，研究了气溶胶混合物和来源。2019-2023年间AOD和AE的同时变化证实了细颗粒和粗颗粒对印度东北部气溶胶负荷的贡献，尽管在后期观察到粗颗粒气溶胶的异常增加。
CRediT作者贡献声明
S.P. Aggarwal：监督工作。
Anurup Gohain Barua：撰写、审稿与编辑、监督工作。
Shyam S. Kundu：验证、监督工作。
Arban S. Youroi：撰写初稿、可视化、方法研究、数据分析。
Rohit Gautam：可视化、数据分析。
Arundhati Kundu：资源协调、数据管理。
Arup Borgohain：撰写、审稿与编辑、监督工作、概念设计。
未引用参考文献
Barman and Gokhale, 2023; Finlayson-Pitts and Pitts Jr, 1999; IPCC et al., 2021.
数据可用性
可根据合理要求提供数据。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究是在印度空间研究组织（ISRO）的“Geosphere-Biosphere Programme”支持下进行的“印度气溶胶辐射强迫（ARFI）”项目框架下完成的。Arban S. Youroi和Rohit Gautam感谢ISRO通过IGBP-ARFI和IGBP-NOBLE项目提供的财政支持。
