Asia-Pac. J. Atmos. Sci., 52(1), 25-33, 2016 pISSN 1976-7633 / eISSN 1976-7951

DOI:10.1007/s13143-015-0084-3

Satellite and Ground-Based Remote Sensing of Aerosols during Intense Haze Event of October 2013 over Lahore, Pakistan

Salman Tariq, Zia ul-Haq, and Muhammad Ali

Remote Sensing and GIS Group, Department of Space Science, University of the Punjab, New-Campus, Lahore, Pakistan

(Manuscript received 16 October 2015; accepted 23 November 2015)

copy; The Korean Meteorological Society and Springer 2016

Abstract: Due to increase in population and economic development, the mega-cities are facing increased haze events which are causing important effects on the regional environment and climate. In order to understand these effects, we require an in-depth knowledge of optical and physical properties of aerosols in intense haze conditions. In this paper an effort has been made to analyze the microphysical and optical properties of aerosols during intense haze event over mega-city of Lahore by using remote sensing data obtained from satellites (Terra/Aqua Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO)) and ground based instrument (AErosol RObotic NETwork (AERONET)) during 6-14 October 2013. The instantaneous highest value of Aerosol Optical Depth (AOD) is observed to be 3.70 on 9 October 2013 followed by 3.12 on 8 October 2013. The primary cause of such high values is large scale crop residue burning and urban-industrial emissions in the study region. AERONET observations show daily mean AOD of 2.36 which is eight times higher than the observed values on normal day. The observed fine mode volume concentration is more than 1.5 times greater than the coarse mode volume concentration on the high aerosol burden day. We also find high values (~0.95) of Single Scattering Albedo (SSA) on 9 October 2013. Scatter-plot between AOD (500 nm) and Angstrom exponent (440-870 nm) reveals that biomass burning/urban-industrial aerosols are the dominant aerosol type on the heavy aerosol loading day over Lahore. MODIS fire activity image suggests that the areas in the southeast of Lahore across the border with India are dominated by biomass burning activities. A Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model backward trajectory showed that the winds at 1000 m above the ground are responsible for transport from southeast region of biomass burning to Lahore. CALIPSO derived sub-types of aerosols with vertical profile taken on 10 October 2013 segregates the wide spread aerosol burden as smoke, polluted continental and dust aerosols.

Key words: Haze, remote sensing, aerosol optical properties, Lahore

Introduction

Anthropogenic emissions of aerosols and trace gases from Asia are contributing significant part of total pollution at regional and global scales (Streets et al., 1999, 2000; Wenig et

al., 2003). Aerosols released from biomass burning activities have very important effects on human health and climate. The effects of biomass burning aerosols in the atmosphere are dependent upon the type and characteristic of fuel and the meteorological conditions (Reid et al., 2005). Biomass burning and fossil fuel burning are the primary sources of carbon aerosols in the atmosphere (IPCC, 2001). Open burning of crop residue following the harvest season can lead to serious issues of air pollution and haze (Cheng et al., 2014). Biomass burning particles also carry nutrient species (e.g. sulfur, potassium and nitrogen) from agricultural areas into urban regions and hence cause changes in regional biogeochemical cycles (Crutzen and Andreae, 1990; Koe et al., 2001; Da Rocha et al., 2005; Niemi et al., 2005; Reid et al., 2005; Bowman et al., 2009). Due to long range transport by winds biomass burning aerosols are not only a local but also a global issue. It has been estimated that annually about 100 million tons of smoke aerosols are injected in the atmosphere from biomass burning activity (Hao and Liu, 1994). To understand the effects of haze episodes on air quality and climate change, optical and physical properties of aerosols must be accurately known.

Enhanced concentration of absorbing aerosols in the regions experiencing hazy episodes can affect the water cycle feedback system that can affect the general circulation and entire monsoon system (Lau and Kim, 2006; Lau et al., 2006; Lau et al., 2008). Tan et al. (2009) found a significant role of fine aerosol particles during haze over Guangzhou and reported a bimodal particle size distribution. Kang et al. (2013) while analyzing long lasting haze event over Nanjing, found rapid enhancement in the amount of aerosols causing considerable increase in scattering coefficient. Different types of air pollutants accumulate during intense haze events and enhance the AOD (Lee at al., 2006). Even though events with very high amount of aerosols (AOD at 500 nm gt; 1.5) due to biomass burning are not frequent in most regions but they are of great concern regarding their harmful effects on respiratory health, visibility reduction and regional climate (Eck et al., 2003). Arola et al. (2007) and Kaskaoutis et al. (2011) described the effects of biomass burning on aerosol optical and physical characteristics over different European regions. In South Asia biomass burning aerosols are recognized as the major cause for the formation of atmospheric brown clouds (ABCs) (e.g., Jacobson, 2001; Ramanathan et al., 2005, 2007; Pinker et al., 2005; Dey and Tripathi, 2007). Vijayakumar and Devara (2014) studied the variations in aerosol optical, microphysical and radiative propert

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2013年10月在巴基斯坦拉合尔进行的强烈阴霾事件期间，卫星和地面遥感气溶胶

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Salman Tariq，Zia ul-Haq和Muhammad Ali

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巴基斯坦拉合尔新校区旁遮普大学空间科学系遥感与GIS小组

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（手稿于2015年10月16日收到;于2015年11月23日采用）

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copy;韩国气象学会和Springer 2016

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摘要：由于人口的增长和经济的发展，特大城市面临着日益增加的阴霾事件，对局部地区的环境和气温造成了重要的影响。在本文中，通过使用从卫星（Terra / Aqua中等分辨率成像光谱仪（MODIS）和云-气溶胶激光雷达和红外探测器卫星观测（CALIPSO））和地面仪器（AErosol RObotic NETwork（AERONET））获得的遥感数据，已经努力分析在2013年10月6日到14日之间拉合尔大城市在强阴霾事件期间气溶胶的微物理和光学性质。气溶胶光学厚度（AOD）的瞬时最高值在2013年10月9日观察到为3.70，2013年10月8日则为3.12。这个高值的主要原因是研究区域的大规模作物残渣燃烧和城市工业排放。AERONET观察显示每日平均AOD为2.36，是正常日观察值的8倍。在高气溶胶负荷日，观察到的精细模式体积浓度大于粗模体积浓度的1.5倍以上。 我们也在2013年10月9日发现单散射反照率（SSA）的高值（〜0.95）。AOD（500nm）和Angstrom指数（440-870nm）之间的散射图显示，生物质燃烧/城市工业气溶胶是拉合尔重型气溶胶装载日的主要气溶胶类型。MODIS消防活动形象表明，拉合尔东南部与印度边界的地区以生物质燃烧活动为主。混合单粒子拉格朗日综合轨迹（HYSPLIT）模型向后轨迹表明，地面以上1000米处的风是负责从东南部地区生物质燃烧到拉合尔的运输。 CALIPSO派生的具有垂直轮廓的气溶胶亚类，于2013年10月10日将烟雾广泛分布，污染大陆和尘埃气溶胶。

关键词：阴霾，遥感，气溶胶光学性质，拉合尔

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1. 介绍

气溶胶的认为排放和来自亚洲的污染气体是在区域和全球范围内（Streets等，1999,2000; Wenig等，2003）造成总污染的重要组成部分。从生物质燃烧活动中释放的气溶胶对人体健康和气候有非常重要的影响。生物质燃烧气溶胶在大气中的影响取决于燃料的类型和特征以及气象条件（Reid et al。，2005）。生物质燃烧和化石燃料燃烧是大气中碳气溶胶的主要来源（IPCC，2001）。收获季节后，作物残留物的开放燃烧可能导致严重的空气污染和雾霾问题（Cheng等，2014）。生物质燃烧颗粒还将营养物质（如硫，钾和氮）从农业地区带入城市地区，从而引起区域生物地球化学循环的变化（Crutzen和Andreae，1990; Koe et al。，2001; Da Rocha et al。，2005 ; Niemi et al。，2005; Reid et al。，2005; Bowman et al。，2009）。由于风的长距离运输，生物质燃烧气溶胶不仅是当地的，也是全球性的问题。据估计，每年大约有1亿吨烟气是从生物质燃烧活动注入大气中的（郝和刘，1994）。要了解雾霾发生对空气质量和气候变化的影响，气溶胶的光学和物理性质必须准确知道。

在经历朦胧事件的地区吸收气溶胶的浓度增加可影响水循环反馈系统，这个水循环反馈系统可以影响整个季风系统（Lau and Kim，2006; Lau et al。，2006; Lau et al。，2008）。谭等（2009）发现广州雾霾中气溶胶微粒的重要作用，报道了双峰粒度分布。 康等 （2013）在分析南京长期持续的霾事件的同时，发现气溶胶的数量迅速增加，导致散射系数大幅增加。不同类型的空气污染物在强烈的阴霾事件中积累并增强了AOD（Lee等，2006）。 尽管大多数地区生物质燃烧产生的气溶胶（AOD在500nmgt; 1.5）具有非常高的量，但是对呼吸健康，可见度降低和区域气候的有害影响非常关注（Eck 等2003年）。Arora等人 （2007）和Kaskaoutis等人 （2011）描述了生物质燃烧对不同欧洲地区气溶胶光学和物理特性的影响。在南亚，生物质燃烧气溶胶被认为是形成大气棕云（ABCs）的主要原因（例如，Jacobson，2001; Ramanathan等，2005,2007; Pinker等，2005; Dey and Tripathi，2007）Vijayakumar和Devara（2014年）研究了生物质燃烧事件中的气溶胶光学，微物理和辐射特性在高原农村，Sinhagad（印度）的变化。 在事件中，他们观察到在550nm处的Terra / Aqua中等分辨率成像光谱仪（MODIS）AOD中急剧增加（〜0.9）。 Vadrevu等人 （2011年）显示，印度西北部平原（IGP）的农业生物质燃烧活动在10月和11月期间最高。 他们还发现AOD变化与生物质燃烧活动之间有很好的相关性。

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由于人口和经济发展的增加，位于巴基斯坦中部的拉合尔大城市经历了增加的阴霾事件，这些事件对区域环境和气候产生重要影响。如果我们深入了解气溶胶在强烈阴霾条件下的光学和物理性质，可以更好地理解这些影响。迄今为止，还没有进行任何研究，以在拉合尔的强烈阴霾事件中使用遥感技术来评估气溶胶的总体气溶胶负荷，气溶胶的尺寸分布，气溶胶的散射能力和气溶胶化学成分（生物质燃烧，城市/工业和矿物粉尘）。因此，在本研究中，我们分析了强烈阴霾事件（2013年10月6日至14日）期间，拉合尔的气溶胶的AErosol ROOBOT NETwork（AERONET）衍生AOD，体积分布和气溶胶单散射反照率（SSA）的变异性。

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我们还使用混合单粒子拉格朗日综合轨迹（HYSPLIT）模型和MODIS主动消防产品来追踪雾霾的来源。另外，云气雾化雷达和红外探测器卫星观测（CALIPSO）卫星也获得了各种气溶胶子类型的垂直分布。

1. 站点描述和仪器仪表

a.研究区域和气象条件

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巴基斯坦位于南亚，面积近796,100平方公里。 它毗邻印度，阿富汗，伊朗和中国。巴基斯坦的气候受季风影响（季风从西南到东北）（Satheesh和Moorthy，2005）。拉合尔（31o 32N; 74o 22E）是巴基斯坦的中心地区（图1），是旁省府的首府，人口密集的人口超过1000万。它的面积约为2000平方公里，是IGP的一部分。旁遮普省生产国家粮食的最大部分，占总面积的26％，人口最多（占总人口的50％）。 拉合尔与巴基斯坦的农业地区以及毗邻印度的旁遮普邦毗邻。拉合尔及其周边的主要行业包括铁，化工，纺织，火力发电厂和汽车。 空气污染最重要的来源包括汽车排放，道路粉尘和生物质燃烧（Alam等，2010，2014）。

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图1.研究区域的位置图（数据来源：Google Earth）。

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图2显示了气象观测的变化

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图2的日变化表示（a）可见度和相对湿度，（b）温度和MSL压力，（c）研究期间拉合尔的风速和风向（数据来源：巴基斯坦气象部，www.wunderground.com）

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从图 2a中可以看出，2013年10月9日的每日平均能见度下降到2公里（高气溶胶负荷日）。 在研究期间观察到相对湿度稳定（〜70％）。

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图2b显示，平均海平面（MSL）压力在1007至1012hPa之间变化，2013年10月9日和10日观测到最大值。

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日平均气温从26oC升至30oC，2013年10月6日至14日，平均气温28.1oC。研究期间，平均风速为3〜8 km h-1，东南方向风为主（图2c）

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b.AERONET

AERONET是由国家航空航天局（NASA）管理的基于地面的遥感仪器网络。这个网络的安装始于20世纪90年代初，大约有450个辐射计正在全球运行（Holben等，1998）。AERONET提供气溶胶研究的长期，真实和连续的数据，也可用于验证气溶胶属性的卫星检索，并与气候研究的其他数据库进行比较。它分别在340-1020nm和440-1020nm的光谱范围内使用直接太阳和天空辐射（Holben等人，1998），以提供大气气溶胶的重要特征，如光学和物理性质（即光谱AOD，Angstrom Exponent AE），SSA，体积尺寸分布，折射率（RI）和不对称参数）。AOD数据被处理三个不同的质量水平，即1级（未屏蔽），1.5级（云屏蔽，但不保证质量）和2级（云屏蔽和质量保证）（Smirnov等，2000）。

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c.MODIS

机载Terra和Aqua卫星上的MODIS分别自2000年和2002年以来一直在获取全球气候变化的数据。Terra和Aqua分别有10:30和13:30的赤道交叉路线（Levy et al。，2007）。 MODIS使用两个完全独立的算法，一个用于在陆地上检索气溶胶，另一个算法用于海洋上的气溶胶检测（Kaufman和Tanreacute;，1998）。MODIS算法已经不断发展，最近已经通过以前使用的算法的系统偏差校正得到了改进（Remer等，2005; Levy等，2007）。在本研究中，MODIS C005 Level 3 AOD在500 nm数据空间分辨率为1otimes;1o的情况下已被用于分析2013年10月6日至14日气溶胶装载的空间和时间变化。数据可通过Giovanni网站http ：//giovanni.gsfc.nasa.gov获得。

d.CALIPSO

目前，只有CALIPSO卫星提供有关气溶胶高度的信息。NASA和国家空间研究中心（CNES）于2006年4月28日发射了CALIPSO卫星，目的是研究气溶胶和云对天气系统的影响（Winker等，2007）。它是A-Train的一部分，它是地球观测卫星（即Aqua，光环和PARASOL）的星座。 它绕着地球绕着高度为705公里的圆形太阳同步极化路径。 它具有被动和主动的遥感仪器。它具有被动和主动的遥感仪器，它们在白天和黑夜都在观察地球。CALIPSO测量532 nm和1064 nm的反向散射辐射，垂直和平行偏振分量为532 nm。 CALIPSO数据可通过网站http：// www-calipso.larc.nasa.gov获得。

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图3. 2013年10月614日，AERONET衍生AOD的日常变化。

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图4.重型气溶胶装载日（2013年10月9日）和正常日（2013年10月9日）AOD变化

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3.结果与讨论

a.AOD的日变化

在目前的工作中，已经努力研究气溶胶光学性质。在目前的工作中，已经努力研究拉合尔和毗邻地区强烈的生物质/作物残渣燃烧事件期间的气溶胶光学性质。 在拉合尔和毗邻地区发生强烈的生物量/作物残渣燃烧事件。图3显示了2013年10月6日至14日，AERONET衍生出500nm处AOD的所有数据点的变化。2013年10月9日，0920 GMT的AOD值最高值为3.70，2013年10月8日，格林尼治标准时间0933 GMT为3.12，表明拉合尔空气污染严重。这些AOD值大于Ali等（2014）和Alam等人 （2014年）秋季/季后季节在拉合尔报道的季节平均值。 这些AOD值也大于2009年10月Mishra和Shibata（2012年）在Kanpur和Vijayakumar和Devara（2014年）在印度辛哈加德生物量燃烧期间发现的值。在图 4，在高气溶胶装载日（2013年10月9日）和正常日（2013年10月13日）期间，AOD值的变异性已显示出来。正常的一天被定义为在研究期间拉脱维亚的清晰背景条件（见第3c节）的日子。高气溶胶装载日的平均AOD值为2.36，高于正常日观察到的AOD值的0. 8倍。

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图5.AERONET在研究期间检索可用的每日体积大小分布。

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图6.在拉合尔研究期间，AERONET检索可用的每日平均单散射反照率在波长 范围440nm-1020nm的变化。

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2013年10月9日期间高水平的AOD表明存在额外的大量空气污染。此外，下午AOD的增加与该地区强烈的对流活动有关。 导致AOD升高的气溶胶的空气污染和其他物理性质的其他潜在来源在以下部分进一步研究。

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b.体积分

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