中国东部大气气溶胶光学特性及直接辐射强迫研究

摘要

气溶胶在全球气候变化和区域环境中起着举足轻重的作用，对区域气候和生态环境也有重要影响。气溶胶可通过直接效应影响地气系统辐射平衡影响地球气候系统。然而到目前为止，气溶胶的气候效应仍然是人类活动引起的气候变化预测中最不确定的因素之一。一方面在于气溶胶微物理、化学性质及其辐射强迫机制的复杂性，另一方面，由于气溶胶微物理和光学特性的系统资料的缺乏，导致目前对于气溶胶辐射强迫的估计仍存在很大不确定性。因此，开展长时间大范围的光学特性和直接辐射效应的相关研究有助于更精准地评估气候效应，减少气候预测的不确定性。本文结合地基遥感与卫星遥感探究了中国东部地区(25～44°N，107～125°E)长时间序列的气溶胶光学特性、辐射强迫以及二者的相互关系，同时使用辐射传输模式对气溶胶辐射强迫进行估算，并根据气溶胶分类识别经验关系统计分析了中国东部地区的气溶胶类型。 结果表明，地基和卫星资料得出的气溶胶光学厚度的季节特征相同，呈现秋冬低春夏高的趋势;夏季气溶胶在高温高湿条件下的吸湿增长和气粒转化是气溶胶消光加剧的主要原因。春季远距离输送的沙尘粒子对气溶胶的结构有一定影响，这种影响对距离沙尘源区较近的北京更加明显，而对相对下游区的太湖影响较小。冬季受人为气溶胶和稳定气象条件的影响，大量的吸收性气溶胶积聚（如黑碳气溶胶），使得气溶胶对光的吸收作用显著增强。通过对高分辨率卫星资料和地基资料的针对性验证发现，卫星反演结果与地基结果一致性非常好，但对于大陆大范围水域下垫面的反照率估计不足。从空间分布来看，光学厚度高值主要出现在京津冀南部区域以及长三角地区的北部、湖南湖北交界地区、河南省北部、江西省北部地区以及陕西与山西中部地区等人口密集、经济发达的高能源消耗区和工业产业区。气溶胶柱质量浓度的分布与光学厚度分布结果基本一致，说明在上述区域内气溶胶浓度水平较高。气溶胶细粒子比高低值区分布与气溶胶光学厚度分布相反。 气溶胶对于大气层具有辐射增温作用。气溶胶光学厚度与辐射强迫绝对值具有很强的正相关关系，但是在同一光学厚度下辐射强迫仍然具有很大差异，这种差异随着光学厚度增加更加显著。进一步对单次散射反照率和辐射强迫效率关系的分析发现，在单位光学厚度下随着气溶胶散射比例的增加，气溶胶对大气层底的辐射冷却作用有所减弱，表明强吸收性气溶胶对于辐射强迫的贡献远大于强散射型气溶胶，因此在对于气溶胶辐射效应和气候效应的评估过程中应对强吸收型气溶胶着重考量。 在气溶胶类型识别方面，三种地基识别方法适用性较好且各有优势，卫星识别结果的可信性也较高。春季沙尘气溶胶样本较其他季节增加，并且受沙尘混合影响，春季混合型粗粒子气溶胶量也大幅提升。北京和太湖两地气溶胶常年以混合型细颗粒物为主，城市或工业型气溶胶为辅，表示京津冀和长三角区域污染源比较复杂。从空间分类来看，春季以污染型沙尘气溶胶和混合型气溶胶为主;夏季城市工业型气溶胶的占比较高;秋季生物质燃烧气溶胶在豫皖一带频次较高，混合型气溶胶高频区域出现在长江以北，高频城市工业型气溶胶出现在长江以南;冬季以混合型气溶胶为主。在研究区域的内蒙古地区常年被低污染性沙尘气溶胶主导，而清洁大陆型气溶胶的高值区主要出现在原始自然植被覆盖区（如:林区、草原）。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究意义

1．2国内外研究进展

1．3研究内容与目的

1．4研究特色

第二章资料与方法

2．1 AERONET地基观测

2．2 MODIS中分辨率光谱仪

2．3 OMI臭氧监测仪

2．4 SBDART辐射传输模式

2．5 HYSPLIT后向轨迹模式

第三章中国东部气溶胶光学特性及直接辐射强迫—基于地基资料

3．1京津冀、长三角地区气溶胶光学特性及直接辐射强迫

3．1．1气溶胶光学厚度与波长指数的季节变化

3．1．2气溶胶体积尺度谱分布

3．1．3气溶胶单次散射反照率、不对称因子与复折射指数

3．1．4气溶胶直接辐射强迫

3．2北京春季气溶胶光学特性及直接辐射强迫

3．2．1粗细粒子消光占比

3．2．2气溶胶光学厚度与Angstrom波长指数

3．2．3气溶胶粒径谱分布

3．2．4单次散射反照率及复折射指数

3．2．5辐射强迫与辐射强迫效率

3．2．6后向轨迹模拟

第四章中国东部气溶胶光学特性—基于卫星资料

4．1 MODIS L2 AOD适用性分析

4．2中国东部地区气溶胶光学特性空间分布特征

第五章中国东部气溶胶分类识别

5．1几种分类识别方法的比较

5．1．1光学厚度与Angstrom波长指数分类法

5．1．2消光和吸收Angstrom波长指数分类法

5．1．3单次散射反照率与Angstrom波长指数分类法

5．2大范围气溶胶分类识别初探

5．2．1基于MODIS光学厚度和细粒子比分类结果

5．2．2基于OMI单次散射反照率和MODIS细粒子比分类结果

6．1主要结论

6．2展望

参考文献

资助项目

作者简介

致谢