（气象学专业论文）中国中东部气溶胶光学厚度的特征及其对气候的影响.pdf

摘要 摘要 中国中东部是全球气溶胶光学厚度( a e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s ，a o t ) 的显著大值区， 但是对流层中的气溶胶在大气中停留的时间较短，其特性有极大的时空变率，因此给气溶 胶的测量带来了困难，卫星遥感气溶胶的发展为气溶胶的观测提供了有利的条件。随着卫 星遥感气溶胶的迅速发展，曾经稀缺的气溶胶光学厚度数据逐渐丰富起来，那么选取一种 适合于自己研究的气溶胶光学厚度数据就显得尤为重要。m o d i s 和m i s r 是搭载于同一卫星 t e r r a 上的两个重要传感器，均能够提供气溶胶的光学厚度数据，且两个星基仪器都有其独 特的优点。所以，本文首先选取m o d i s 前一版本c 4 和最新版本c 5 的气溶胶光学厚度数据以及 m i s r 的气溶胶光学厚度数据进行比较，通过年平均、季节平均和区域平均的时间序列三个 角度的比较，发现这三种数据在表示中国中东部地区的气溶胶光学厚度时存在差异。为了 得到更准确的气溶胶光学厚度特征，接下来本文利用a e r o n e t 地基遥感a o t 数据分别对以上 三种卫星遥感a o t 数据进行验证，通过纵向和横向对比验证结果，发现在我国中东部地区 m o d i s 气溶胶算法经过改进之后得到的c 5a o t 数据精度较c 4 确实有了很大的提高，m o d i s c 5 的a o t 数据再与m i s r 的a o t 数据相比，依然是m o d i s c 5 的a o t 数据精度更高，而且m i s r 的a o t 数据在该地区还有缺测问题，因此我们认为m o d i s c 5 的a o t 数据更加适合中国中东部气溶胶 的研究。在此基础上，利用m o d i s c 5 的a o t 数据分析了我国中东部气溶胶的光学厚度特征， 分析的内容包括年平均、季节平均状况，线性趋势变化，年变率的空间分布和年循环特征。 最后，结合n e c p 再分析资料分析了中国中东部气溶胶光学厚度与平流层中下层温度、对流 层温度、对流层顶位势高度以及地面气温的关系，并讨论了相关显著区内气溶胶光学厚度 对这四个要素的影响。 关键词：中国中东部；卫星遥感；气溶胶光学厚度：对气候的影响 a b s t r a c t a b s t r a c t a e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s ( a o t ) v a l u e so v e re a s t - c e n t r a lc h i n aa r es i g n i f i c a n t l yl a r g e b u t t r o p o s p h e r i ca e r o s o l si nt h ea t m o s p h e r eh a v eas h o r t e rl i f e ，a n di t sl a r g es p a t i a la n dt e m p o r a l v a r i a b i l i t yb r o u g h tt om e a s u r e m e n td i f f i c u l t i e s 。r e m o t es e n s i n gf r o ms a t e l l i t ed e l i v e r st h em o s t r e l i a b l ei n f o r m a t i o na b o u ta e r o s o ld i s t r i b u t i o n s w i t ht h es a t e l l i t er e m o t es e n s i n ga e r o s o l sq u i c k d e v e l o p m e n t , a e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s sp r o d u c t sg r a d u a l l yi n c r e a s e t h e ni t i sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n tt os e l e c tas u i t a b l ea o t d a t af o rr e s e a r c h m o d i sa n dm i s rt h a tc a r r yo nt h es a m e s a t e l l i t ea r eb o t ha b l et op r o v i d ea e r o s o l o p t i c a lt h i c k n e s sd a t a t h et w os a t e l l i t e b a s e d i n s t r u m e n t sh a v et h e i ro w n u n i q u ea d v a n t a g e s t h e r e f o r e ，t h i ss t u d yf i r s ts e l e c t e dt e r r a m o d i s c o l l e c t i o n0 0 4 ( c 4 ) a n dc o l l e c t i o n0 0 5 ( c 5 ) a e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s sd a t a , a sw e l l 船t e r r a m i s r a e r o s o lo p t i c a ld a t at oc o m p a r et h r o u g ht h ea n n u a la v e r a g e ，s e a s o n a la v e r a g ea n dr e g i o n a l a v e r a g et i m es e r i e st h r e ea n g l e s ，a n df o u n dt h a tt h et h r e ed a t ae x i s td i f f e r e n c e so v e re a s t c e n t r a l c h i n a i no r d e rt oo b t a i nm o r ep r e c i s ec h a r a c t e r i s t i c so fa e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s ，w ep r e s e n t e da c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nu s i n ga e r o n e t a o td a t a t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ta f t e rs u b s t a n t i a l i m p r o v e m e n tf o rm o d i sa e r o s o la l g o r i t h m ，c o l l e c t i o n0 0 5a o tp r o d u c t sw e r ef o u n dm o r e a c c u r a t er e l a t i v et ot h ec o l l e c t i o n0 0 4a o t p r o d u c t s c o m p a r e dw i t hm i s ra o td a t a , m o d i s c o l l e c t i o n0 0 5a o td a t as t i l le x h i b i t e ds u p e r i o r i t y a n dm i s ra o t p r o d u c th a sm o r em i s s i n g d a t ao v e re a s t - c e n t r a lc h i n a s ow es u g g e s t e dt h a tm o d i s c 5a o td a t ai sm o r es u i t e dt o a e r o s o lr e s e a r c ho v e re a s t - c e n t r a lc h i n a o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e r a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f a e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s so v e re a s t c e n t r a lc h i n ad e r i v e df r o mm o d i s c 5a o td a t a , w h i c h i n c l u d e da n n u a lm e a n ，s e a s o n a lm e a n ，t h el i n e a rt r e n d ，a n n u a lv a r i a b i l i t yd i s t r i b u t i o na n da n n u a l c y c l ec h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y , w ei n v e s t i g a t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s a n dt h em i d d l ea n dl o w e rs t r a t o s p h e r i ct e m p e r a t u r e ，t r o p o s p h e r i ct e m p e r a t u r e ，t r o p o p a u s eh e i g h t , a sw e l la st h es u r f a c et e m p e r a t u r eo v e re a s t - c e n t r a lc h i n a , a n dw ea l s od i s c u s s e dt h ei m p a c to f a e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s so nt h ef o u re l e m e n t sm e n t i o n e da b o v ew i t h i nt h e s i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n z o n e f r o mac o m b i n a t i o no fm o d i s c 5a o ta n dn e c pr e a n a l y s i sd a t a k e y w o r d s ：e a s t - c e n t r a lc h i n a ；s a t e l l i t er e m o t es e n s i n g ；a e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s ；i m p a c to f a e r o s o l so nc l i m a t e i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新打的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：幺整。 日期：趁2 z 羔：! ! 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 丝垄 日 期：超级：f 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀。了匕 1 1 大气气溶胶概述 气溶胶是指悬浮在气体中的固体和( 或) 液体微粒与气体载体共同组成的多相体系。相 应地，大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和( 或) 液体微粒共同组成的多相体系，其 直径多在0 0 0 1 1 0i im 之间n 一1 。大气中的气溶胶主要源于自然界和人类活动的排放3 1 。 自然气溶胶的来源包括地表源、大气自身产生和外部空间注入；人为气溶胶是由人类活动 产生的各种粒子，包括原生粒子和污染气体转换的次生气溶胶，主要来自化石燃料的燃烧、 工农业生产活动等。 大气气溶胶作为气候变化的一个重要影响因子，会影响地气系统辐射平衡、影响系统 中多种物理化学过程，产生重要的气候效应。它主要通过三种机制来影响气候： 一是直接效应，即气溶胶粒子通过直接散射和吸收长、短波辐射，来改变地气系统辐 射平衡，从而影响气候。其中不涉及与任何其他过程的相互作用“1 。对于纯散射型气溶胶 ( 如硫酸盐) 引起大气项直接辐射强迫变化是负的，而且由于它们几乎不吸收太阳辐射，所 以地面的直接辐射强迫近似等于大气顶的直接辐射强迫；而对于还有吸收作用的气溶胶( 如 黑碳) ，大气顶的直接辐射强迫受地表反照率、气溶胶垂直分布等影响，只有在海洋或者森 林覆盖等反照率较小的地表上空大气项的直接辐射强迫是负的，在沙漠、冰雪覆盖等反照 率较大的地表上空，或者气溶胶位于云之上，大气顶的直接辐射强迫是正的5 1 ，由于吸收 性气溶胶对太阳辐射有吸收作用，所以地面的直接辐射强迫要比大气顶的直接辐射强迫大。 实际大气中的气溶胶颗粒是各类气溶胶成分的混合物，它们既能散射太阳辐射也能吸收太 阳辐射，所以其直接辐射强迫在大气顶是可正可负的，在大气层中是正的，在地面是负的， 即无论大气顶的直接辐射强迫是正的还是负的，气溶胶都会减少到达地面的短波辐射。 二是间接效应，即气溶胶粒子的存在可以改变微物理过程，改变云的辐射特征、云量 和云的寿命，从而影响气候。其间接效应可以分为两类1 ，一类是气溶胶可以作为云的凝 结核，影响云滴数浓度，改变云滴大小( 液态水含量保持不变) ，称为“云的反照率效应”， 或者“t w o m e y 效应”；另一类是气溶胶通过改变微物理过程，影响液态水含量、云的高度 和云的寿命，称为“云的寿命效应”。或者“a l b r e c h t 效应”。t w o m e y 效应已经被观测所 证实，陆地和海洋上空云的现场航测 瑁1 表明人类活动产生的气溶胶颗粒使得云的凝结核 和云滴数密度增加，但是云滴的尺度减小，利用卫星遥感数据的研究在更大尺度上证实了 这个效应睁儿1 。但是对于a l b r e c h t 效应，到目前为止还没有可靠的观测可以证明云的生命 史增加“2 1 。另外，在大气顶t w o m e y 效应引起的负辐射强迫明显要比直接效应引起的负辐射 1 第一章绪论 强迫大，而在地面直接效应是主要的贡献者n 。 三是半直接效应，指的是对流层中的气溶胶吸收短波辐射，加热对流层大气，从而改 变对沆层大气的相对湿度和稳定度、影响云的形成和寿命6 1 。在这种效应中，由于大气加 热会使得云“燃烧”，蒸发掉一些云量，所以使得更多的太阳辐射到达地面，导致地面增 滑【1 2 1 皿0 此外，大气气溶胶还会造成一系列的环境问题，如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾 事件的发生等n 朝。 1 2 大气气溶胶研究的意义 气候变化是当前各国政府和科学界关注的重大问题。造成气候变化的原因除了自然因 素以外，人类活动的作用不容忽视。尤其是工业革命以来，由于工农业生产、城市的扩展 和人口的增长导致气溶胶在局部范围达到了很高的浓度，有时可以达到自然大气中浓度的 几千倍u 们。已有研究表明，由气溶胶引起的辐射强迫和温室气体引起的辐射强迫量级相当、 符号相反，气溶胶引起的温度降低有可能局部抵消由于温室气体引起的全球温度升高n 钉， 因此，近年来有关气溶胶的研究备受科学界的关注。有许多观测和模拟表明，大气中的气 溶胶能改变地气系统的辐射收支1 盯，通过直接效应”1 、间接效应。们和半直接效应2 们 影响气候变化。 气溶胶的环境效应同样受到重视，吴兑等“1 1 指出珠江三角洲的气溶胶污染日趋严重， 气溶胶云一年四季均可出现，造成空气质量和能见度下降。气溶胶对气候和环境的影响必 将影响植被的生长及农业生产，翟薇等n 2 就列举了几种主要的大气气溶胶对农业的影响。 大气气溶胶还会对人体和其他生物的生理健康造成危害，目前在我国各大城市中总悬浮颗 粒物( t s p ) 超标严重，绝大部分粒子能被吸入肺部乜钉。最近的研究还表明，具有生命的气 溶胶粒子( 包括细菌、真菌、病毒等微生物粒子) 和活性粒子( 花粉、孢子等) 及由有生命活 性的机体所释放到空气中的各种质粒一一生物气溶胶n 钉，会对一些特定的职业造成危害， 它引起的各种呼吸道疾病已得到医学界的广泛关注乜钉。另外，沿海地区的吸湿性盐类气溶 胶会对工业设施造成腐蚀损害u 。 综上所述，对大气气溶胶的研究已经涉及到气候、环境、工农牧林、医学等各个学科 领域，受到世界各国越来越多科学家们的关注，气溶胶科学已经愈来愈显示出其强大的生 命力。但是，由于气溶胶在大气中停留的时间较短，其特性有极大的时空变率，因此目前 对气溶胶的研究还存在很大的不确定性。i p c c 第三次评估报告指出“铂，在众多的气候变化 影响因子中，最不确定和亟待深入认识的是气溶胶的辐射强迫作用。i p c c 第四次评估报告 2 第一章绪论 又强调1 ，虽然自第三次评估报告以来，气溶胶的研究取得了长足的进步，但是对它的认 识仍然处于较低的水平，对气候的影响依然有很大的不确定性。其主要原因是确定全球气 溶胶的浓度分布和辐射特性有极大的困难d 。因而，大气气溶胶成为气候模拟与预测中不 确定性的最大根源之一。 所以，在气候预测与环境变化受到日益重视的今天，开展大气气溶胶的研究是迫切又 重要的任务，提高大气气溶胶数据的精度，研究其对气候的影响便具有十分重要的意义。 1 3 国内外的研究进展 1 3 1 气溶胶光学厚度数据的获取 气溶胶光学厚度是目前可以得到的气溶胶数据中覆盖范围最广、较准确的汹1 一种数据， 它作为气溶胶最基本的光学特性，表征了整个大气柱气溶胶的消光能力，是确定气溶胶气 候效应的一个关键因子2 螂1 。主要通过以下四种途径获得： 一是利用现有的气象观测记录反演气溶胶光学厚度。邱金桓嘲删提出“从全波段太阳 直射辐射确定气溶胶光学厚度”的遥感方法，并利用宽波段太阳直射信息反演了0 7 5l am 的气溶胶光学厚度。罗云峰等3 3 嗡1 在此方法上加以改动，利用逐日太阳直接辐射日总量和 日照时数等资料，配合t o m s 臭氧资料，反演了近3 0 年中国地区0 7 5 1 tm 的气溶胶光学厚度。 宗雪梅等哺1 利用小时累积太阳直接辐射资料和相应的常规气象观测资料，并配合t o m s 臭氧 资料，同样在邱金桓3 卜3 2 1 提出的宽带消光法的基础上，反演了逐时气溶胶光学厚度。邱金 桓在提出宽带消光法并被广泛采用于反演气溶胶光学厚度之后，又发展了一个应用地面气 象能见度和水汽压信息确定大气柱气溶胶光学厚度的参数化模式 。杨琨黯1 根据该参数 化模式，利用我国7 0 个台站1 9 8 1 - 一2 0 0 3 年1 、4 、7 、1 0 月的月平均水汽压和能见度资料，反 演了各站0 7 5l am 大气气溶胶光学厚度的值。 二是地基遥感。目前在全球已建成许多地基气溶胶遥感网络，如世界气象组织气溶胶 观测网、全球气溶胶自动观测网( a e r o n e t ) 、微脉冲激光雷达观测网( m p l n e t ) 、欧洲气溶胶 研究激光雷达观测网( e a r l i n e t ) 、亚洲沙尘暴观测网( a d n e t ) 等。世界气象组织的气溶胶观 测网络是建立在其全球大气观测计划框架之下的d 钉。a e r o n e t 与一些气溶胶观测网络如法 国气溶胶网络( p h o t o n s ) 、加拿大太阳光度计网络( a e r o c a n ) 和一些机构、研究所组成了一 个观测联盟1 ，它采用的观测设备主要是c i m e l 系列太阳光度计。太阳光度计遥感气溶胶 光学厚度是目前气溶胶遥感手段中最准确的方法h ，a e r o n e t 提供的光学厚度在无云条件 下，波长大于4 4 0 h m 的a o t 不确定性小于4 - 0 0 1 ，对于更短波长的a o t 不确定性小于4 - 0 0 2 叫1 。 激光雷达观测网的优点是可以探测平流层和对流层中气溶胶光学特性的垂直分布特征1 。 3 第一章绪论 另外，我国从2 0 0 2 年开始建设中国的气溶胶观测网络c a e r o n e t ，但是这些观测站主要分布 在中国北方的沙尘源区、沿途和东部沙尘影响区，主要用于沙尘暴的监测与预警。 三是模式研究。早期气溶胶模式在物理、化学过程上非常简单，其后的发展或侧重于 气溶胶微物理过程，或是基于气一粒化学平衡理论【删。张立盛等4 6 1 根据化学输送模式( c t m ) 模拟的硫酸盐烟尘气溶胶资料，计算得到全球气溶胶光学厚度。p e n n e r 等“7 1 利用气溶胶 模式比较( a e r o c o m ) 计划中的6 个模式获得全球海洋上的气溶胶光学厚度。t a k e m u r a 等1 将大气环流模式与气溶胶输送模式相耦合得到全球气溶胶光学厚度的分布，他们考虑了对 流层中主要的气溶胶种类，包括含碳气溶胶( 有机碳和黑碳) 、硫酸盐、沙尘和海盐。l i a o h o n g 等4 钉考虑了更多种类的气溶胶，包括硫酸盐、硝酸盐、有机碳、黑碳、海盐、沙尘等， 利用大气环流一大气化学一气溶胶一气候耦合模式模拟了全球气溶胶光学厚度的分布。 四是卫星遥感。卫星遥感气溶胶始于上世纪7 0 年代末，当时的星基传感器有a v h r r 和 t o m s 。a v h r r 一般只反演海洋上的气溶胶光学厚度，因为对海表的反射率相对了解；而t o m s 能够反演几乎覆盖全球( 包括海表和陆面) 的气溶胶光学厚度，这是由于它的反演算法不依 赖于地表反照率，但是它也有一些不足之处，如提供的数据空间分辨率较低，反演时对气 溶胶的高度比较敏感等；两者的优点是能提供长期的气溶胶光学厚度数据，从1 9 7 9 年到现 在1 。随着卫星遥感气溶胶的迅速发展，卫星上有了气溶胶专用的传感器，如p o l d e r 、o c l s 、 m o d i s 、m i s r 、a t s r 一2 从t s r 、s e a w i f s 等等，它们都能够提供气溶胶的光学厚度数据，但 是时间段比较短，最长的也只是从1 9 9 6 年到现在的数据。 1 3 2 中国区域气溶胶光学厚度特征的研究进展 邱金桓的研究3 表明1 9 8 0 1 9 9 4 年我国武汉、北京、沈阳、广州、郑州几个城市气溶 胶污染较为严重，格尔木和昆明两地相对较干净。罗云峰等3 指出1 9 6 1 1 9 9 0 年我国气溶 胶光学厚度总体呈现明显增加趋势；春季气溶胶光学厚度较大，夏季较小，秋冬次之；光 学厚度最大的3 站均位于四川盆地，最小值在云南景洪。之后，罗云峰等钉分析了2 0 世纪 8 0 年代中国气溶胶光学厚度的状况，结果表明1 9 7 9 1 9 9 0 气溶胶光学厚度平均分布是以四 川盆地为中心向四周减少，南疆盆地和长江中游武汉附近为另两个大值中心，而东北大部、 西北大部、云南和福建沿海等地气溶胶光学厚度较小，中国绝大部分地区春季气溶胶光学 厚度值最大，最小值则各地不同。宗雪梅等汹1 指出1 9 9 3 2 0 0 2 年沈阳和郑州两台站的气溶 胶光学厚度有明显增加的趋势，而哈尔滨、兰州、广州、北京等台站气溶胶光学厚度则有 明显减弱的趋势，气溶胶光学厚度最大值一般出现在春季。杨琨瑚1 的研究表明1 9 8 1 2 0 0 3 年中国气溶胶光学厚度的平均分布是以四川盆地、长江中下游为大值区向四周减少，广东 沿海为次大值中心，云贵高原、西北、东北等地区气溶胶光学厚度较小，气溶胶光学厚度 4 第一章绪论 存在年变化特征。 以上研究是基于台站开展的，分辨率较低，近年来利用卫星遥感数据分析中国气溶胶 光学厚度特征的研究逐渐增多。李维亮等咖1 利用美国s a g e i i 全球月平均格点卫星资料对青 藏高原地区的气溶胶状况进行分析，得出高原上空平流层大气气溶胶的光学厚度在冬季最 大，春、秋季次之，夏季最小，存在明显的季节振荡现象。张军华等利用g m s - 5 静止卫 星遥感了中国大陆2 5 个湖面上空的气溶胶光学厚度，结果表明春季在全国有较高的气溶胶 光学厚度值，而在其他季节，长江中下游地区气溶胶光学厚度值较高。李成才等眦5 3 1 利用 m o d i s 卫星资料分析了四川盆地和中国中东部气溶胶光学厚度的特征。段婧等嵋们利用2 0 0 0 - - - 2 0 0 5 年m o d i s 气溶胶产品分析了长江三角洲气溶胶光学厚度的特点，发现气溶胶光学厚度高 值区逐年增加，特别是气溶胶光学厚度大于1 o 的区域面积增加最快，气溶胶光学厚度大值 季节由春季向夏季转变，这可能是由于近年来春季沙尘活动次数逐年减少引起。郝增周掣5 钉 利用s e a w i f s 卫星资料分析了中国海域气溶胶的光学厚度特征，结果表明中国东部海域平均 气溶胶光学厚度存在以中纬度为中心的纬向分布，受沙尘、季风气候的影响中国海域气溶 胶光学厚度存在季节变化，不同海区有不同的季节变化和分布特征。 1 3 3 气溶胶气候效应的研究进展 理论上只要知道气溶胶的化学成分、粒子大小、谱分布及其在大气中的含量，就可以 精确地计算其直接辐射强迫的大小嘲1 。然而，目前对气溶胶的这些性质还了解得很少，因 此对气溶胶气候效应的研究多采用数值模拟和统计方法。 早期，人们利用简化的气候模式，如辐射对流模式( r c m ) 、能量平衡模式( e b m ) 等对气 溶胶的气候效应进行模拟h 2 1 ，虽然这些研究采用了简化的方法，具有很大的不确定性， 但却是研究气溶胶气候效应的雏形。近年来，许多学者利用全球气候模式6 3 喝钉、区域气候 模式“7 删或者将气候模式和其他模式( 如大气化学模式、气溶胶模式、化学输送模式等) 耦 合“9 7 1 州1 模拟气溶胶的气候效应，得到很多有意义的结论。以上研究多是针对一种气溶胶， 如硫酸盐或者黑碳，考虑几种气溶胶的，均是先得到各类气溶胶的分布和光学参数，再计 算所有气溶胶的光学性质来研究气溶胶总体的气候效应；而有的研究则是直接从气溶胶总 的光学厚度出发模拟气溶胶的气候效应。周秀骥等汹1 根据自己反演的气溶胶光学厚度，在 区域气候模式( c r c m ) 中考虑气溶胶的直接辐射强迫及气候响应，结果表明中国大陆地面气 温均有所下降，四川盆地到长江中下游地区以及青藏高原北侧到河套地区降温最为明显。 李维亮等唧1 利用m m 5 v z 模拟了青藏高原地区气溶胶的气候效应，发现高原上土壤温度和地 面气温均有所增加。m e n o n 等 5 1 利用中国和印度区域气溶胶光学厚度数据附”1 ，在g i s s 气候模式中考虑了中国和印度区域气溶胶的直接辐射效应，结果表明中国地面气温受气溶 5 第一章绪论 胶的影响可降低o 5 1 k ，中国南方、印度降水增加，降水变化的量级为0 5 r a m d a y 。田华 等5 3 1 将m o d i s 气溶胶光学厚度引入m m 5 v 。模拟中国中东部气溶胶的辐射效应，他们假设气溶 胶的单次散射反照率为0 9 9 9 9 ，只考虑硫酸盐这一种气溶胶，结果表明地面温度响应呈现 明显的区域季节变化特征，主要表现为冬、春、秋季南方降温幅度明显，夏季北方降温幅 度明显。 利用统计方法的研究。徐祥德等m 1 将t o m s 气溶胶光学厚度资料和北京及周边各气象站 观测日照时数、雾日数、低云量等气象要素资料进行统计分析，探讨了北京及周边城市气 溶胶的气候效应。杨琨汹1 利用合成分析研究了气溶胶光学厚度大、小值年四川盆地气温的 特征，结果表明气温对气溶胶有一定程度的响应，且在冬季最明显。施晓晖等订们分析了近 2 0 多年来暖季东亚区域大气气溶胶与各种气象要素之间可能存在的相关关系，发现暖季 t o m s 气溶胶光学厚度与日照时数、地面气温在华南地区显著负相关，与低云量显著正相关 的区域同样位于华南地区。胡婷姗1 利用相关分析和s v d 等统计方法研究了中国区域t o m s 气 溶胶光学厚度与气候变化指数的关系，结果表明气溶胶光学厚度的增加可能引起我国的平 均气温、最高和最低气温下降，降水量和极端降水比率减少，对降水频率变化的影响难以 确定。 1 4 本文的目的和构想 中国中东部是全球气溶胶光学厚度的显著大值区m 7 钉，但是由于气溶胶在大气中停留 的时间较短，其特性有极大的时空变率，因此给气溶胶的测量带来了困难。卫星遥感气溶 胶的发展为气溶胶的观测提供了有利的条件，利用卫星遥感可以获得精度较高、分辨率也 较高的气溶胶光学厚度数据，目前已有不少星基测量仪器能够遥感气溶胶的光学厚度 1 ， 那么选取一种适合于自己研究的气溶胶光学厚度数据就显得尤为重要。m o d i s 和m i s r 是搭载 于同一卫星t e r r a 上的传感器，均能够提供气溶胶光学厚度的数据，且两个星基仪器有各自 的优势。所以，本文选取m o d i s 前一版本和最新版本的气溶胶光学厚度数据以及m i s r 的气溶 胶光学厚度数据进行比较，分析这三种a o t 数据在我国中东部的异同；然后，利用a e r o n e t 地基遥感a o t 数据分别对这三种卫星遥感a o t 数据进行验证，通过纵向、横向对比验证结果， 找出在中国中东部精度较高、适合于该地区气溶胶研究的a o t 数据：在此基础上，利用这种 a o t 数据分析我国中东部气溶胶的光学厚度特征；最后，结合n e c p 再分析资料研究气溶胶光 学厚度对气候的影响。 6 第二章m o d i s 与m i s r 气溶胶光学厚度数据在中国中东部的比较 第二章 m o dis 与s r 气溶胶光学厚度 数据在中国中东部的比较 2 1 引言 对流层中的气溶胶在大气中停留的时间较短，确定其特性的时空变化有极大的困难和 不确定性n 2 8 ，这将直接导致其气候效应的不确定性，i p c c 第三、四次评估报告都指出 气溶胶是影响气候变化最不确定的因子之一2 6 6 1 。要减小其气候效应的不确定性，首先要 解决的是提高气溶胶观测数据的精度。直以来，人们通过改进各种方法、开展相关计划， 试图从多方面获得较为准确的气溶胶数据。 许多研究n 卜剐利用气象观测记录反演气溶胶的光学厚度，该方法的缺点是只能在有限 的站点进行反演，优点是能重建时间段很长的数据集。地基遥感可以获取精度较高的气溶 胶光学厚度数据，但是由于观测站稀少，数据时间段较短，不利于研究气溶胶大范围长时 间的时空分布特征，因此多用来验证卫星遥感气溶胶光学厚度的结果，尤其是a e r o n e t 的 数据已经成为验证卫星反演气溶胶数据的标尺。而模式研究“渊1 可以获得分辨率较高的气 溶胶光学厚度时空分布，但是由于目前对气溶胶复杂的过程了解还不够，有很多未知的因 素，模式本身的局限性，加上输入数据( 排放源、气象场) 的不确定性，使得到的气溶胶 光学厚度数据有很大的不确定性。由于气象卫星能进行大范围、高时空分辨率、多通道的 遥感探测啦! ，所以人们开始求助于卫星遥感来获得精度较高、分辨率也较高的气溶胶光学 厚度数据。 随着卫星遥感气溶胶的迅速发展，曾经稀缺的气溶胶光学厚度数据逐渐丰富起来，那 么选取一种适合于自己研究的a o t 数据就显得尤为重要。每种星基仪器都有其独特的优点， m o d i s ( m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o r a d i o m e t e r ) 8 3 1 与m i s r ( m u l t i - a n g l ei m a g i n g s p e c t r o r a d i o m e t e r ) 1 是搭载于同一卫星t e r r a 上的两个重要传感器，m o d i s 具有扫描宽度 宽、光谱范围广、光谱通道多等特点，而m i s r 最大的特点是同时以9 个角度探测地球，可以 获取多角度和多光谱的信息。本章首先对m o d i s 前一版本和最新版本的气溶胶光学厚度数据 以及m i s r 的气溶胶光学厚度数据进行比较，分析这三种a o t 数据在我国中东部的异同。 2 2m o d is $ 1 ：i mis r 数据产品 中分辨率成像光谱仪( m o d i s ) 和多角度成像光谱仪( m i s r ) 是美国宇航局( n a s a ) 对地观 测系统( e o s ) 第一颗卫星t e r r a 上的重要传感器，其上另外三个传感器是a s t e r 、c e r e s 和 7 第二章m o d i s 与m i s r 气溶胶光学厚度数据在中国中东部的比较 m o p i t t 。e o s 的目标是对全球变化进行观测研究，包括发射一系列先进的卫星系统，对太阳 辐射、大气、海洋和陆地进行全面综合的整体观测，实现对大气和地球环境长期的观测和 进一步的理解。e o s 中的t e r r a 卫星于1 9 9 9 年1 2 月发射，升空之后从2 0 0 0 年2 月2 4 日开始提供 数据，它的任务是监测人类对气候变化的影响，提供云、气溶胶和温室气体等对地球总能 量平衡有影响的测量数据，提高对灾害性天气预警的能力等。另外，e o s a q u a 卫星也载有 m o d i s 传感器，它是于2 0 0 2 年5 月发射。本文提到的m o d i s ，如没有特别说明指的是t e r r a m o d i s 。 2 。2 1m o dls 数据简介 m o d i s 是美国宇航局( n a s a ) 研制的大型空间遥感仪器，是目前世界上精度较高的辐射观 测仪，它的一大特点是扫描宽度非常宽，为2 3 3 0 k m ，覆盖全球一次只需1 2 天，这对突然 发生、变化快速的自然灾害有很强的监测能力。另一个特点是光谱范围非常广，在4 l o 1 4 2 3 5 n m 光谱区内设置了3 6 个离散的光谱波段，覆盖了从可见光、近红外到红外的光谱区。 1 、2 波段的空间分辨率为2 5 0 m ，3 7 波段的空间分辨率为5 0 0 m ，其余8 - 3 6 波段的空间分辨 率为1 0 0 0 m ，其中l 7 波段适合于气溶胶的高分辨率监测，被气溶胶的反演采用，它们的中 心波长依次为6 6 0 、8 6 0 、4 7 0 、5 5 0 、1 2 4 0 、1 6 4 0 和2 1 3 0 n m 汹1 。 虽然m o d i s 反演气溶胶的算法在卫星升空之前就已经确定，但是随着数据验证工作的开 展，会对反演算法做出修改以便得到更准确的气溶胶数据，用新算法重新处理的数据也会 随之发布。目前，m o d i s 气溶胶数据的最新版本是c o l l e c t i o n0 0 5 ，于2 0 0 6 年底2 0 0 7 年初 发布，较以前的版本反演法则有了很大的改进m 1 。2 0 0 7 年2 月底对新的反演算法又进行了 一些修改，包括在高反射地区使用d e e pb l u e 气溶胶计算法则，因此在原有七个波段反演气 溶胶的基础上又增加了中心波长为4 1 0 h m 的波段来反演气溶胶，这种算法只重新处理了a q u a 卫星上的m o d i s 气溶胶数据，称为d e e pb l u ec o l l e c t i o n0 0 5 。 m o d i s 提供了大气、海洋、陆地和校准的数据产品，其中大气数据产品又分为l e v e l2 和l e v e l3 的数据。l e v e l2 是基于扫描带的数据，有六个种类的产品：气溶胶、水汽、 云、大气廓线、云盖和总的大气产品；l e v e l3 是全球格点数据，空间分辨率为l o 木1 a ， 其中包含的统计量是由以上提到的l e v e l2 前四种参数统计得到，有日平均、8 天平均和 月平均三种不同时间尺度的数据产品聃1 。 2 2 2mls r 数据简介 m i s r 传感器是由美国加州喷气实验室( j p l ) 为n a s a 设计制造的，它的扫描宽度为3 6 0 k m ， 覆盖全球一次需9 天，空间分辨率为2 7 5 m 、5 5 0 m 和1 i k m 。最大特点是同时以9 个角度( 0 。、 土2 6 1 。、士4 5 6 。、士6 0 。、士7 0 5 。) 探测地球，9 个角度沿卫星飞行路径方向向前和 8 第二章m o d i s 与g i s r 气溶胶光学厚度数据在中国中东部的比较 向后展开。由于大气( 包括云和气溶胶) 、海洋和陆地表面( 比如植被、雪和冰) 在不同 方向反射太阳光是不同的，即反射的各向异性，所以利用目标物不同视角反射率的变化可 以更好地说明其物理性质。m i s r 在提供多角度观测的同时，对每个角度还设置了从可见光 到近红外4 个波段的观测，依次为蓝( 4 4 6 n m 2 1 n m ) 、绿( 5 5 8 n m 1 5 n m ) 、红( 6 7 2 n m l i n m ) 和近红外( 8 6 6 n m 2 0 n t o ) 呻1 。因此，m i s r 可以同时获取多角度和多光谱的信息，对同一地 点，配准后可以同时得到9 个角度、4 个波段，共3 6 个观测值啪1 。 与单一角度、多谱段的星基仪器( 如m o d i s ) 相比，i i s r 多角度、多谱段的性能使得它具 有以下优点：能更好地区分目标物和地表：对气溶胶显示出很强的敏感性，尤其是在亮背 景中，当传统的传感器在高反射地区不能观测时，m i s r 也能正常观测等等8 钉。 m i s r 数据产品分为3 个层次：l e v e l1 为校准传感器的数据；l e v e l2 为基于扫描带的反 演数据，包括两类产品，一是大气顶云的数据产品，另一类是气溶胶地表的数据产品； l e v e l3 为全球格点数据，其中包含的统计量由l e v e l2 的参数统计得到。l e v e l3 有五类产 品，分别是辐射、气溶胶、陆地表面、反照率和云的产品，空间分辨率为0 5 。宰0 5 。或 者1 。木1 。，其中气溶胶产品的空间分辨率为o 5 。木0 5 。，每类产品都有日平均、月平 均、季节平均和年平均四种不同时间尺度的数据m 1 。 2 3 气溶胶光学厚度数据的比较 本章使用了n a s a 提供的t e r r a m o d i s 前一版本c o l l e c t i o n0 0 4 ( c 4 ) 和最新版本 c o l l e c t i o n0 0 5 ( c 5 ) 的l e v e l3 ( 月平均) a o t 数据，以及t e r r a m i s rl e v e l3 ( 月平均) a o t 数据。其中，m o d i s c 4 的时间段为2 0 0 0 年1 2 月2 0 0 6 年7 月，m o d i s c 5 和m i s r 的时间段均为 2 0 0 0 年1 2 月2 0 0 7 年1 1 月。由于m o d i s c 4 的时间段要短些，所以在下面的比较中，如果涉 及到m o d i s c 5 与c 4 取2 0 0 0 年1 2 月2 0 0 6 年7 月，如果涉及到m o d i s c 5 与g i s r 取2 0 0 0 年1 2 月 2 0 0 7 年1 1 月。 研究区域的范围取1 7 5 。n 4 1 5 。n ，1 0 2 5 。e 1 2 6 5 。e 。季节划分以北半球为准， 冬季为上年1 2 月本年2 月，春季为3 5 月，夏季为6 - 8 月，秋季为9 1 1 月；年度根据四 季划分，即为上年1 2 月本年1 1 月。 本文使用m i s r5 5 5 n m 波长的a o t ，m o d i s 没有提供此波长的a o t ，所以采用与5 5 5 n m 波长 最接近的5 5 0 n t o 波长的a o t 。大气气溶胶光学厚度与波长之间满足a n g s t r s m 关系式9 ： r 。( a ) = 肛口 ( 2 1 ) 式中，a 为波长，( a ) 为对应波长的气溶胶光学厚度，卢为a n g s t r 6 m 浊度系数，a 为a n g s t r s m 波长指数。仅与气溶胶粒子的平均半径有关，其值为0 4 ，气溶胶粒子越大，a 值越小。假 9 第二章l i o d i s 与m i s r 气溶胶光学厚度数据在中国中东部的比较 设在两个较窄波k 和a 2 之间的为常数，则“” 趔：阻r l ( t ) l t j 22 根据( 2 ) 式5 5 5 n m 与5 5 0 h m 波k 的a o t 之比在萨4 的极端条件f ( 此时气溶胶粒子, p - 4 、，其半 径接近大气分子) 为09 6 4 4 ，即相对误差仅为35 6 。德小相对误差还要更小，当d = o 时， 两者的光学厚度相等。因此，m o d i s5 5 0 n m 波长的a o t 可以与m i s r5 5 5 n m 波长的a o t 直接进行 比较。 231m o d f s 0 5 与c 4 气溶胶光学厚度数据的比较 首先给出t m o d i s c 4 雨i c 5