中国东部气溶胶直接辐射效应与云参数反演研究

摘要

云和气溶胶是地气系统中的重要组成部分，对地气系统的辐射收支有重要作用。气溶胶通过直接和间接效应在地气系统的辐射收支、全球气候变化、大气稳定度和区域环境质量方面起着不容忽视的作用。云则是可以通过辐射、潜热和对流强迫三种机制影响气候并直接参与全球水循环。中国东部位于亚洲主要的季风区，气溶胶分布扩散、云和降水天气和气候等都会受到季风环流的影响。近几十年来，中国东部经济迅速发展，频繁的工业活动排放了大量的人为气溶胶，造成了严重的环境和气候问题。因此，研究中国东部地区云和气溶胶的时空分布特征以及气候效应对充分认识中国东部的气候特征具有重要的科学意义，同时对改善人类生存环境和制定正确的政府决策等也具有重要的社会意义。
　　本文首先通过多年的地基和卫星气溶胶观测资料，揭示了中国东部气溶胶光学参数的时空分布特征。之后利用SBDART辐射传输模式，以地基和卫星气溶胶观测资料和再分析资料为输入，开展了中国东部格点尺度上的气溶胶直接辐射强迫的模拟研究。最后，利用葵花-8卫星观测资料，依据双光谱反射率算法，开展了云微物理参数的反演工作。本文的主要成果如下:(1)通过对2001-2014年MODIS气溶胶资料的分析，揭示了中国东部气溶胶光学厚度的时空分布特征
　　从空间分布上看，东亚地区的气溶胶光学厚度(AOD)高值区位于中国东部、四川盆地和珠三角地区，低值区则主要集中在西北地区和东北地区。同时，春夏季节东亚地区的AOD高值区面积和强度都明显大于秋冬季节。从年际变化上看，东亚地区的AOD在冬季为明显的上升趋势，中国东部以及华北地区、长三角地区的AOD则是在四季均呈现上升趋势。从季节变化上看，东亚地区的AOD在春季为峰值，秋季为最低值，其余三个区域的AOD则是在夏季为最大值，冬季为最小值。
　　(2)利用2001-2014年AERONET地基气溶胶观测资料，揭示了中国东部气溶胶单次散射反照率和不对称因子的时空分布特征北方地区的气溶胶单次散射反照率(SSA)和不对称因子(ASY)在夏季为最大值，冬季为最小值，且城市站点的SSA数值小于郊区站点。南方地区的气溶胶SSA在春季达到最大值，冬季为最小值，ASY则是夏季最大，秋季最小。SSA和ASY的季节变化明显，并且在5～8月份容易出现峰值。从年际变化上看，气溶胶SSA的年际变化比ASY显著，且夏季和秋季的年际变化比春季和冬季时显著。
　　(3)基于气溶胶实测资料，开展辐射传输模式的模拟研究，阐明了中国东部格点尺度上气溶胶直接辐射强迫的时空分布特征选取中国东部秋季的典型污染过程和洁净过程进行研究，污染过程时中国东部的AOD均值和高值区面积都明显大于洁净过程。对两个过程的后向轨迹进行模拟发现，洁净过程时南北方地区气流来源相同，气溶胶性质统一，但是污染过程时的南北方气溶胶来源不同，气溶胶性质存在差异。对气溶胶直接辐射强迫(ADRF)进行模拟发现，ADRF的空间分布与AOD的空间分布模态基本相同，同时污染过程时的ADRF的强度和高值区面积都大于洁净过程。
　　对2006-2014年中国东部冬夏季节的气溶胶光学参数进行统计发现，中国东部的气溶胶AOD、SSA、ASY都存在冬小夏大的季节变化特征。对ADRF进行模拟发现，大气顶和地面的ADRF均为负值，其中大气顶的ADRF数值为-20W/m2～-45W/m2，地面的ADRF数值为大气顶的四倍。AOD和ADRF的年际变化显著，且夏季的年际变化比冬季更明显。ADRF会造成地面层温度的降低和湿度的增加。另外，受到季风环流的影响，AOD和ADRF的空间分布在季风强弱年时存在明显差异。对于中国东部大部分地区来说，AOD在冬季风强年和夏季风弱年时数值更大，对应的ADRF的强度也更强。
　　(4)利用葵花-8卫星观测资料，结合双光谱反射率算法，开展了云参数的反演研究工作
　　1.6μm通道反射率对云相态和地表类型变化非常敏感，且0.64μm和1.6μm通道反射率对太阳和卫星天顶角的变化敏感，对相对方位角的变化不敏感。对2016年4月15日的个例进行反演，发现冰云主要分布于副热带陆面，0.64μm通道反射率在0.2～0.4之间，1.6μm通道反射率为0.1～0.2，红外亮温在220K～230K之间;混合云的分布范围最广，可见光反射率在0.2以上，1.6μm通道反射率为0.05～0.4，亮温在240K～270K之间;水云主要分布在洋面，0.64μm通道反射率在0.2以上，1.6μm通道反射率为0.1～0.3，亮温为273K～290K。对云参数反演结果进行简单分析，冰云的粒子半径(CER)大于水云，冰云的CER在10μm以上，水云的CER在10μm以下。冰云的光学厚度(COD)在15以上，部分冰云的COD达到了50以上，水云的COD在10～20之间，但是在0.64μm通道反射率比较大的区域，水云COD在40以上。冰云的云水路径(CWP)数值大于水云，冰云的CWP数值基本在200g/m2以上，但是大部分水云的CWP在100g/m2以下。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究意义

1．2 相关研究进展

1．2．1 气溶胶直接辐射效应的研究进展

1．2．2 光谱云参数反演研究进展

1．3 本论文的研究内容

第2章 资料和方法

2．1 资料

2．1．1 MODIS产品

2．1．2 AERONET数据

2．1．3 ECMWF再分析资料

2．1．4 Himawari-8卫星

2．1．5 SBDART辐射传输模式

2．1．6 HYSPLIT模式

2．2 方法

2．2．1 气溶胶直接辐射强迫的模拟计算方法

2．2．2 东亚季风指数的计算方法

第3章 中国东部气溶胶光学参数的时空分布特征

3．1 气溶胶光学厚度的时空分布特征

3．1．1 气溶胶光学厚度的空间分布特征

3．1．2 气溶胶光学厚度的年际变化特征

3．1．3 气溶胶光学厚度的季节变化特征

3．2 气溶皎单次散射反照率和不对称因子的时空分布特征

3．2．1 气溶胶SSA和ASY的气候态均值

3．2．2 气溶胶SSA和ASY的年际变化特征

3．2．3 气溶胶SSA和ASY的季节变化特征

3．3 本章小结

第4章 中国东部格点尺度上气溶胶直接辐射强迫的特征

4．1 个例分析

4．2 多年统计

4．2．1 气溶胶光学参数和直接辐射强迫的气候态特征

4．2．2 气溶胶光学参数和直接辐射强迫的年际变化特征

4．2．3 气溶胶直接辐射强迫与气象参数的关系

4．2．4 气溶胶光学厚度和直接辐射效应与季风活动的关系

4．3 本章小结

第5章 基于葵花-8卫星的光谱云参数反演

5．1 葵花-8卫星的光谱云参数反演流程

5．2 光谱云参数反演个例分析

5．3 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 本论文主要结论

6．2 本论文工作的创新点

6．3 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果