（环境科学专业论文）长江三角洲地区气溶胶光学特性及其辐射强迫.pdf

长江三角洲地区气溶胶光学特性及其辐射强迫 a b s t r a c t p a s ts t u d i e sh a v es h o w nt h a ta e r o s o lh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nh u m a nh e a l t h a n dc l i m a t e t h ey a n g t z ed e l t a , l o c a t e di nt h ee a s to f c h i n a , i so n eo f t h em o s tp o p u l o u s a n df a s t e s td e v e l o p i n gr e g i 0 1 1 8i nc h i n a h o w e v e r , t h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d p o p u l a t i o ne x p a n s i o n h a sl e dt oh i g ha e r o s o l l o a d i n ga n ds e r i o u sp o l l u t i o n i t i s i m p o r t a n tt os t u d yo nt h ea e r o s o lo p t i c a lp r o p e r t i e sa n dr a d i a t i v ef o r c i n gi nt h i s r e g i o n n 把a e r o n e ta e r o s o lr e t r i e v a l s ，c o m b i n e dw i t hm o d i sa e r o s o lp r o d u c t s ，a s w e l la st h es u r f a c ei r r a d i a n c e d a t am e a s u r e db yas e to fb r o a d b a n dr a d i o m e t e r sa n d m e t e o m l o g i c a ld a t am e a s u r e db yav a i s a l aw e a t h e rt r a n s m i t t e r ( m o d e lw x t 5 2 0 ) ，w e r e e m p l o y e di nt h i ss t u d yt oc h a r a c t e r i z e r o s o lo p t i c a la n dr a d i a t i v ep r o p e r t i e sa n dt h e i r s p a t i a la n dt e m p o r a lv a r i a t i o no v e ry a n g t z ed e l t ar e g i o n f i r s t l y , a e r o s o lo p t i c a l p r o p e r t i e sm e a s u r e db yc e 3 1 8w e r ea n a l y z e da tt a l h ua n dz h e j i a n gf o r e s t r yu n i v e r s i t y ( z f u ) t h e n , t h er a d i a t i v ee f f e c t sa n dh y g r o s c o p i cp r o p e r t i e so fa e r o s o la tt a i h uw e r e f u m l e ri n v e s t i g a t e d a t i e rt h a t , m o d i sa o tp r o d u c t so v e ry a n g t z ed e l t aw e f f e c o m p r e h e n s i v e l yv a l i d a t e db yt h ei ns i r eg r o u n d - b a s e dr e t r i e v a l sf r o ma e r o n e t f u r t h e r m o r e ，t e m p o r a la n ds p e c i a ld i s t r i b u t i o n so fa e r o s o lo v e rt h a tr e g i o nw e r es t u d i e d u s i n gt h em o d i sa e r o s o lp r o d u c t s a tl a s t , $ l - r o s o lr a d i a t i v ee f f e c t so nt h es h o r t w a v e r a d i a t i o nw e 坞i n v e s t i g a t e dw i t hr a d i a t i v et r a n s f e rm o d e l n em a i nc o n c l u s i o n sa r e v e a l e da sf o l l o w s ：1 ) h e a v ya e r o s o ll o a d i n gp r e v m ba l ly e a rr o u n da tt a i h ua n dz f u 。 w i t h7 8 a n d7 9 o fa o t se x c e e d e d0 5 0 r e s p e c t i v e l y t h ea n n u a lm e a na n g s t r o m e x p o n e n tw a s1 1 9a n d1 2 7a t 嘞ua n dz f l l _ 9w h i c hi n d i c a t e st h a tt h et w os i t e sw e r e d o m i n a t e db yf i n em o d ep a r t i c l e s n ea n g s t r o me x p o n e n ta tt a i h us i t ew a ss l i g h t l y s m a l l e rt h a nt h a to fz f ub e c a u s et h eh i g hr e l a t i v eh u m i d i t y ( r i oo f a m b i e n t 锄o s p h e r eh a si n f l u e n c eo l lt h er a d i u so fa e r o s o lp a r t i c l e s f o rt h em a j o r i t yo fm o n t h s , t h ea v e r a g ev a l u eo fs i n g i es c a t t e r i n ga l b e d o ( s s a ) a tt a i h us i t ew a sa b o u t0 9 0 1 1 l i s d e m o n s t r a t e st h a tt h ea e r o s o lh a sm o d e r a t ea b s o r p t i o np r o p e r t i e si n t h i sa e r a a sa c o n t r a s t , a e r o s o l sw i t hv e r ys ；n o n ga b s o r p t i o na r ed i s c o v e r e da tz f uw i t hs s a 0 8a t 10 2 0 n mi nj u l y , s e p t e m b e ra n do c t o b e r 1 1 圮r e l a t i o n s h i pb e t w e e na n g s t r o me x p o n e n t a n dt h es s a ，a s y m m e t r yf a c t o ra sw e l la sr e f t a c t i v ei n d e x 砒f o u rw a v e l e n g t h sw a sa l s o p r e s e n t e d , w h i c hs u g g e s t st h a tt h ea s y m m e t r yf a c t o ra n dt h ei m a g i n a r yp a r t so ft h e r e f r a c t i v ei n d e xi n c r e a s ew i t hm c r e a s i n ga n g s t r o me x p o n e n t i na d d i t i o n , t h es s a i n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gw a v e l e n g t hw h e na n g s t r o me x p o n e n ti sl a r g e rt h a n1 0b u t d e c r e s ew i t hi n c r e a s i n gw a v e l e n g t hw h e na n g s t r o me x p o n e n ti ss m a l l e rt h a n1 0 c o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h es s ai sak e y p a r a m e t e ri n f l u e n c i n ga e r o s o lf o r c i n g i th a sac l e a rp o s i t i v ee f f e c to nt h ea e r o s o lr a d i a t i v ef o r c i n ge f f i c i e n c ya tt h es 耐妇 w h i l ean e g a t i v ee f f e c to nt h ea e r o s o lf o r c i n ge f f i c i e n c ya tt h et o po f a t m o s p h e r e o nt h e o t h e rh a n d , t h ea s y m m e t r yf a c t o rh a sas l i g h ti n f l u e n c eo nt h ef o r c i n ge f f i c i e n c ya tt h e 南京信息工程大学硕士学位论文 t o po fa t m o s p h e r ea n di su n l i k e l yt oh a v ee f f e c to nr a d i a t i v ef o r c i n ge f f i c i e n c ya tt h e s u r f a c e 2 ) t h e r ei sn oc l e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nr ha n dc o a r s e t o t a lm o d ee r i e c t i v e r a d i u s ，b u tas t r o n gp o s i t i v ec o r r e l a t i o ni ss e e nf o rt h ef i n em o d e b o t ht h er e a la n d i m a g i n a r yp a r t so ft h er e f r a c t i v ei n d e xa tf o u rw a v e l e n g t h se x h i b i taw e a kn e g a t i v e d e p e n d e n c eo nr h m i et h e o r yw a su s e dt oe x a m i n et h ei n f l u e n c eo fr ho ne x t i n c t i o n e f f i c i e n c y , s c a t t e r i n gp h a s ef u n c t i o n , a n dt h ea s y m m e t r yf a c t o ro fas i n g l ep a r t i c l ew i t ha r a d i u se q u a lt ot h ev o l u m ee f f e c t i v er a d i u s r e s u l t ss h o wt h a ts c a t t e r i n ga n de x t i n c t i o n e f i i c i e n c i e si n c r e a s ea n dt h ef o r w a r ds c a t t e r i n gc a p a c i t yo fa e r o s o l si se n h a n c e dw i t h i n c r e a s i n gr h 3 ) a i m e da tv a l i d a t i n gt h ee f f e c t i v e n e s so fs b d a r t , m e a s u r e d i n s t a n t a n e o u ss u r f a c ei r r a d i a n c e sw e r ec o m p a r e dt om o d e l e ds u r f a c ei r r a d i a n c e s 1 1 1 e s i m u l a t e da n dm e a s u r e d 掣o b a l ，d i r e c t , d i f f u s ea n dp a rd o w n w e l l i n gf l u x e sa tt h e s u r f a c ea g r e ev e r yw e l l t h ea n n u a lc h a n g e si nd i r e c t , d i f f u s ea n dg l o b a ls h o r t w a v e r a d i a t i o nd u et oa e r o s o li s - 1 4 0 2 2w ，m + 8 3 1 9w m la n d 5 7 0 3w m 上t h ea n n u a l m e a nr a d i a t i v ef o r c i n ga tt h es u r f a c ea n dt o ai s - 4 7 9 8w | a n d 10 。2 5w m 2 、 r e s p e c t i v e l y 4 ) t h ep e r f o r m a n c e so ft h em o d i sa o tr e t r i e v a l sh a v es i g n i f i c a n t r e e g o n a ld i f f e r e n c e sa n ds e a s o n a lv a r i a t i o ni ny a n g t z ed e l t ar e g i o no fc h i n a m o d i si s f o u n dt oo v e r e s t i m a t ea o tb y0 3o na v e r a g er e l a t i v et ot h ea e r o n e tr e t r i e v a l sa t t a i h us i t e ，w i t ho n l y2 0 o fr e t r i e v a ld a t af a l l i n gw i t h i nt h ee x p e c t e du n c e r t a i n t ya n d t h el a r g e s te r r o r so c c u r r i n gd u r i n gs u l r n l e r n l es y s t e m a t i cb i a s e sa l ep r o b a b l yd u et o c l o u dc o n t a m i n a t i o nw i t h i nt h em o d i sf i e l do fv i e w o nt h eo t h e rh a n d 。m o d i s ，a o t a r en e g a t i v e l yb i a s e da tq i a n d a o h uw i t h16 7 o fr e t r i e v a ld a t af a l l i n gi nt h ee x p e c t e d u n c e r t a i n t y , w h i c hc a l lb ee x p l a i n e db yt h es i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e a o t r e l a t i v e l ye r r o ra n dt h es u r f a c er e f l e c t a n c ea t2 13 0m ni nt h i sa r e a t h e r ei sr o o m f o ra l g o r i t h mi m p r o v e m e n tb o t ha lt a i h ua n dq i a n d a o h u ad e s i r a b l eo u t c o m ew a s o b t a i n e da lo t h e rs i t e s ，w i t h6 0 o o fr e t r i e v a ld a t af a l l i n gi nt h ee x p e c t e du n c e r t a i n t y , t h e r ei sn on e e df o rag r e a ti m p r o v e m e n t o v e r a l l ，a q u am o d i s a o t , w h o s ep r e c i s i o n i sh i g h e rt h a nt h a to ft e r r a , c o u l dr e p r e s e n tt h ed a i l ym e a nv a l u ep r o p e r l y 5 ) s p a t i a l d i s t r i b u t i o nf e a t u r ea n ds e a s o nv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fa e r o s o lo v e rt h ey a n g t z ed e l t a r e g i o na r en o t a b l e f o rl a n d , t h em a x i m u ma o t v a l u e sa r ei i ls u m m e r , a n dt h e ns p r i n g a n dw i n t e r , t h em i n i m u mi si na u t u m n f o ro c e a n ，t h ea o t sa l es m a l l e ri ns u m m e ra n d a u t u m n , b u tl a r g e ri ns p r i n ga n dw i n t e r i na d d i t i o n , a o t si nt h en o r t ho f3 0 0 na r e m u c hh i g h e rt h a nt h a ti nt h es o u t ho f3 0 0 nb o t hi ns e aa e r aa n dl a n d c a s es t u d i e ss h o w t h a tt h ea e r o s o lr a d i a t i v ef o r c i n ge f f i c i e n c yi s - 7 9 3 41 瞄| 埒沁a n d - 5 0 。3 2w m z ho v e r l a n da n ds e a , r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：a e r o s o l ，s a t e l l i t er e m o t es e n s i n g , o p t i c a lp r o p e r t i e s ，r a d i a t i v ef o r c i n g n i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得韵研究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含 其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京 信息工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：；磕萨啦 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、 中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本入 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文，并通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布 ( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究生部办理。 口公开口保密(年月) ( 保密的学位沦为在解密后应遵 守此协议) 学位论文作者 指导教师签名 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 国内外研究进展 1 1 1 气溶胶概述 第一章前言 大气气溶胶一般指悬浮在大气中直径为i 0 - 3 1 0 l jm 的微粒，是地球一大气一 海洋系统的重要组成部分。按其来源来分，气溶胶的种类包括人为气溶胶和自然气 溶胶。具体包含以下典型的6 种类型：i 在人口密集地区或工业区由化石燃料燃烧 产生的城市工业型气溶胶u ；i i 农作物秸杆焚烧和森林、草地火灾生成的生物质燃 烧气溶胶珏1 ：i i i 由于岩石风化等原因产生的沙尘气溶胶，主要指风从地表带入大气 的土壤微粒瞄1 ：i v 海洋溅沫形成的海盐气溶胶h 1 ；v 植物生长过程产生的有机气溶 胶埔1 ；、，i 火山排放的火山气溶胶人类活动除了直接向大气排放大量的粒子外，工 业生产中向大气排放的n 0 2 、s 如等酸性气体在大气中通过非均相化学反应可以逐渐 转化成酸性盐粒子，形成二次气溶胶，在过去几十年里，人类活动排放的硫化物全 球平均值是自然排放量的2 5 - 4 6 倍。在北半球一些工业发达地区，人类活动的 排放量是自然排放量的1 0 倍以上嘲。自然源气溶胶在大气中的含量、分布和光学 特性在一个较长的时间段内可以看做近似不变，对气候变化或气候强迫的研究而 言，可以忽略这类气溶胶的影响，而人为源气溶胶辐射强迫对气候变化的影响是不 容忽视的。研究表明，气溶胶在全球气候变化、区域生态环境中起着举足轻重的作 用，特别是在工业化革命以后。人类向大气中排放的污染物急剧增长，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以上u 1 ，使得这 一作用表现的更为突出。气溶胶的研究是大气科学的一个重要分支。它涉及到大气 光学、大气电学、大气化学、云物理学、气候学以及大气环境等各个方面。 气溶胶主要通过三种机制影响气候嘲：一是气溶胶通过散射和吸收太阳短波辐 射以及地球长波辐射。从而造成大气吸收的太阳辐射能、到达地面的太阳辐射能 以及大气顶反射回外空的太阳辐射能的变化，直接改变地气系统的能量收支，影 响气候变化；二是气溶胶可作为云凝结核( o c n ) 改变云的光学、辐射和微物理特性。 如云滴尺度分布、云反照率和云生命周期等，对气候产生间接影响；三是气溶胶粒 子间接影响着大气化学过程，参于臭氧的非均相反应，影响臭氧平衡和改变大气成 长江三角洲地区气溶胶光学特性及其辐射强迫 分咖，从而间接地影响地气系统的能量收支气溶胶的直接辐射效应在很大程度上 取决于气溶胶的单次散射反照率，而间接效应主要取决于气溶胶在形成云粒子过程 中的有效性及其对云和降水的重要性。这是一个极具复杂性和不确定性的课题。虽 然相关研究近年来一直受到高度重视，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大的不确定因素。这是因为，气溶胶的辐射性质 取决于其尺度分布和折射率，这两者又受气溶胶的化学组成和环境相对湿度的影 响，而这些因子都有极大的时间和空间变率，另外，利用气溶胶复折射指数表达各 种气溶胶对波长的光学性质并没有完全定量化的研究，并且还存在着气溶胶粒子形 状和尺度分布随高度变化的问题，很大程度上增加了气候模拟的难度，阻碍了未来 气候预测。这个问题的解决必须依赖于对气溶胶的尺度和成分进行精确的、长期的 全球观测。 气溶胶不仅对全球气候变化、云的形成、能见度的改变、大气微量成分的循环 产生巨大的作用，而且严重危害着生态环境、人体健康和人类的生活质量h 刚u 。历 史上著名的八大公害事件中，有5 件是空气污染所致，大都表现出咳嗽、呼吸短 促、流泪、喉痛、胸闷、支气管炎、支气管哮喘、肺气肿等症状u 2 1 。有证据表明， 气溶胶对人体的危害强度主要依赖子其成分、浓度和粒径。粒子成分是主要的致 病因子，决定气溶胶对人体器官的损害部位和致病机理，例如，气溶胶中的微生物 主要经呼吸道浸染人体，破坏呼吸道的微生态环境并引起严重的呼吸道疾病( 过敏 性鼻炎，支气管炎，过敏性肺炎) ，此外，微生物气溶胶还可经消化道、皮肤伤口 和粘膜浸染人体，引起肠胃炎、皮炎、皮癣等疾病；气溶胶中的重金属可以作用 于肠、肝、肺和神经，导致癌症、贫血和发育不良；气溶胶中有机物成分则主要可 以引起三致效应( 致癌、致突变、致畸型) 。气溶胶浓度和暴露时间决定了吸入剂 量，研究表明，心肺疾病的发病率与污染空气中的颗粒物含量，尤其是可吸入的细 粒子。1 含量密切相关，人群恶性肿瘤的发病率和死亡率同样在很大程度上受空气 粒子浓度影响，据日本学者报道，空气中悬浮煤尘的增加与上呼吸道感染有显著的 正相关性“岫在空气污染重的地区，居民咽部刺激感、咳嗽、痰多的人大大增 加董胜璋n 剐等报道，低浓度的环境污染物可以长期反复作用于人体，使机体的 免疫和呼吸功能受损、免疫球蛋白水平发生改变。气溶胶粒径主要决定其在呼吸道 内沉着、滞留和清除的过程。一般而言，i - - 5pm 的气溶胶粒子( 如流感、s a l i s 等病毒粒子) 可直接入肺泡，6 1 0l lm 易沉积在小支气管，1 0 - - - 3 0pm 的会沉积在 支气管，大于3 0l lm 的就沉积在气管、咽、喉、鼻等。此外，环境因素如温度和 相对湿度对气溶胶吸入危害也有一定影响目前，我国空气质量和人群生活环境堪 2 南京信息工程大学硕士学位论文 忧，张小曳1 9 9 8 年报道称，除个别时间、个别地点以外，中国城市的t s p 不论 日平均值还是月平均值，几乎都超过国家环境空气质量3 级标准( 0 1 3 0 m g m 一 3 ) ，有的超过2 级标准，根据u n d p ( 中国人类发展报告) ，2 0 0 1 年全球2 0 个空气 污染最严重的城市中，我国占1 6 个。2 0 0 2 年，在我国有统计的3 4 3 个城市中，只 有约1 3 的城市( 1 1 6 个) 达n - - 级空气质量标准，符合适于居住的条件。工业废气、 汽车尾气、建筑扬尘等已经严重危害到居民健康，“看不见蓝天”已成为许多城市 的共同忧患。 1 1 2 气溶胶光学特性研究现状 气溶胶特性研究是指通过各种直接观测方法和遥感方法获取气溶胶的物理、化 学、光学特性资料并对这些资料进行分析的活动。自9 0 年代以来，随着人们对气 溶胶气候效应认识的不断深化，气溶胶研究受到越来越多的关注，其观测与反演方 法也取得快速的发展。目前，获取气溶胶光学参数的主要手段可以分为地面观测 n 1 、地基遥感僻1 们和卫星遥感2 时1 1 三类。 ( 1 ) 地基直接观测 气溶胶地基直接观测包括对气溶胶数浓度谱、表面积谱、体积谱和质量谱分布 的观测腿嗡1 和对气溶胶化学成分的采样分析观测雎7 。精确获知气溶胶粒子尺度谱 的分布状况对于理解气溶胶的光学特性和气候效应具有重要意义，这是因为，在实 际大气中气溶胶的粒径跨越几个数量级，而在可见光范围内波长变化相对较小，气 溶胶光散射强度主要依赖于气溶胶粒子尺度。0 p c 和a p s 是目前近地面气溶胶粒子 谱分布观测中最常用的两种方法瞄踟，此外，地面太阳光度计的反演结果也可以描 述整层大气近似的气溶胶粒子谱分布状态。实际测量结果表明，气溶胶的粒子谱分 布往往可以近似为三模态分布，j u n g e 分布d ，修正r 谱分布和对数正态分布1 。 在多数情况下，气溶胶粒子谱呈现双峰结构且以小粒子为主妲引，但是受气象因素 ( 风，降水，雾嘲，沙尘，相对湿度等) 、人为活动m 1 和气溶胶来源的影响， 粒子谱分布变化较大。气溶胶按其化学成分可以分为硫酸盐气溶胶、有机气溶胶、 来自化石燃料燃烧的黑碳气溶胶、生物气溶胶、硝酸盐气溶胶和矿石沙尘气溶胶 鲫。气溶胶化学成分的传统分析手段为膜采样，而在线技术的发展，使气溶胶化 学成分分析有了新的突破j 同时，随着气溶胶化学成分分析的发展，气溶胶的来源 3 长江三角渊地区气溶胶光学特性及其辐射强迫 解析，大气污染传输和排放目录的研究也在人们的关注下取得了不错的发展，其中 化学质量平衡法( c m b ) ，主成份分析法( p c a ) 已被广泛用于国内外气溶胶来源研究 中。 ( 2 ) 地基遥感 在气溶胶光学特性获取过程中，地基遥感被人们认为是精度最高的方法，它往 往用于检验卫星数据产品眦剐。目前，发展较成熟的地基遥感方法包括多波段太阳 直射辐射观测( 太阳光度计) 蚋钾和激光雷达遥感陋嘲等，可以反演的气溶胶参数主 要有气溶胶光学厚度蚓，尺度谱1 ，消光系数h 副，波长指数“3 1 和折射指数等。另 外，近几年出现了根据天空散射亮度分布、宽波段太阳直射辐射( 太阳直射 表) 弱删、散射紫外光谱田1 、曙暮光天空辐射强度呻1 和大气顶出射太阳辐射反演 气溶胶光学特性等较新的方法。下面主要介绍太阳光度计、激光雷达和宽波段消光 反演方法。 多波段太阳直接辐射观测 多波段太阳直接辐射观测是指利用太阳光度计进行若干窄波段的太阳直射辐 射强度的观测。由n a s a 建立的多波段气溶胶自动地面遥感网a e r o n e t ( a e r 0 s o l r o b o t i cn e t w o r k ) 删是最成功的气溶胶地基监测系统m 1 ，它极大的提高了人们对 气溶胶光学参数信息的获取能力。国内外学者利用a e r o n e t 资料以及其它多波段太 阳光度计资料对气溶胶光学厚度的分布特征1 与变化趋势h 町、不同类型气溶胶光 学厚度的对比h 鄹、不同天气背景对气溶胶光学厚度的影响汹1 以及气溶胶光学厚度 与沙尘天气或水平能见度间的关系舢纠进行了大量的研究。在获得不同波段气 溶胶光学厚度的情况下，可以进一步反演气溶胶尺度谱分布以及消光系数等光学特 性训。 激光雷达遥感 激光雷达具有高精度、高分辨率等特点，是探测气溶胶和云层大气垂直分布的 有效手段观咖，它不仅可以用于反演气溶胶光学厚度、波长指数m 1 、消光系数、 后向散射系数脚1 和后向散射光退偏振比嘶1 ，还可以探测大气混合层高度别以及云 4 南京信息工程大学硕士学位论文 的物理光学特性等。白宇波等利用激光雷达观测拉萨上空的气溶胶发现，2 0 - - 一3 0 k m 大气中的颗粒物浓度、粒径和分布呈现出较大的不均匀性n 副。邱金桓等2 0 0 2 年在 北京利用激光雷达的探测结果表明，北京上空4 - - 一l o l m 高度范围内存在厚度约为 6 k m 的气溶胶粒子层，据估计是远距离输送来的沙尘气溶胶。其不足之处在于 方程反演算法的不稳定以及激光多次散射效应，国内外许多学者多年来致力于这两 个问题的研究悔。 宽带消光反演算法 由于描述气溶胶光学特性系统资料的缺乏以及数据时间序列不连续性，人们一 直在尝试各种方法，试图从已有多年观测记录的太阳辐射等资料中间接地提取气溶 胶的信息，反演气溶胶的光学厚度值嘲一町。这些方法均是利用晴天某一时刻地面观 测的直接太阳辐射资料，剔除大气中水汽、二氧化碳、臭氧等气体的吸收，再通过与 理想大气直接太阳辐射的比较，求取a o t 值。由邱金桓等建立的宽带消光法可以利 用全波段或宽波段太阳直接辐射和漫射辐射资料反演得到气溶胶光学厚度汹罔、气 溶胶复折射指数虚部汹1 以及气溶胶单次散射反照率随剐等光学参数，其原理是晴天 全波段太阳直接辐射对气溶胶光学厚度及谱分布具有敏感性而漫射辐射对气溶胶 折射率虚部和散射比具有敏感性，为了减小云对反演结果的影响，需要对算法进行 月平均光学厚度约束哺。其反演得到的气溶胶光学厚度与a e r o n e t 监测值较接近 旧1 。目前，许多学者利用宽带消光法分析了我国大范围且较长期的气溶胶光学厚 度变化趋势。我国光学厚度高值区分布于四川盆地、南疆盆地、长江中下游大部、 山东半岛以及广东沿海，小值区分布于东北大部、西北大部、云南和福建沿海等地； 华北地区、山东半岛、青海东部、广东沿海、青藏高原、四川盆地西部、贵州北部、 长江中下游大部分地区和南疆盆地西部等，a c f r 呈增长趋势，而东北地区、西北地 区大部、云贵高原和广西西部以及华东沿海等地a o t 呈减小势态蚓。就季节变化 而言，气溶胶光学厚度最大值一般出现在春季嘲。 ( 3 ) 卫星遥感 地基观测站点分布不均其只能反映单点气溶胶信息，难以研究全球气溶胶空间 分布和输送特征，卫星遥感弥补了地面观测的不足，已成为获得全球气溶胶收支、 确定人为气溶胶贡献、评估气溶胶辐射强迫的重要方法m 。目前，用于气溶胶反 5 长江三角渊地区气溶胶光学特性及其辐射强迫 演的卫星传感器主要有多波段传感器( m o d i s ) 、多角度传感器( m i s r ) 和偏振传感器 ( p o l d e r ) ，其他的还有t o m s ，a v h r r ，o t c s ，c e r e s 等，其中m o d i s 的气溶胶产品 在气溶胶相关科学领域应用最为广泛。国内外大量学者研究了卫星资料反演气溶胶 光学特性的算法，单通道算法适用于较小地表反射率的暗背景( 大洋表面) ，已经 很成功地被用来描述全球海上平流层和对流层气溶胶光学厚度的分布口删：多通道 算法可以获得洋面上的气溶胶光学厚度和a n g s t r o m 波长指数；暗目标算法适用于 密集植被暗背景地区气溶胶光学特性的反演m 删，长期以来，由于陆地气溶胶类型 比较复杂、地表反射率较高且分布不均，陆地气溶胶的反演较难实现，暗目标算法 在一定程度上解决了这一难题：k a u f m a n 等1 利用海陆对比算法反演得到海岸地区 气溶胶的光学厚度和单次散射反照率；d i n e r ，d j ，h e r m a n ，a c k e r m a n 1 分 别探讨了多角度成像偏振反演及热红外方法反演基本问题；紫外方法被广泛应用于 沙尘等紫外吸收性气溶胶的反演工作，t o r r e s 嘲1 即用此方法反演了1 9 7 9 年来2 0 年的气溶胶指数。虽然卫星遥感气溶胶技术取得了很大进展，然而由于气溶胶类型 和地面反照率的不确定，卫星遥感气溶胶参数的精度还有待提高嘲( 夏祥鳌) ，如 m o d i s 在我国由于气溶胶类型选择粗糙，已被很多学者证实其反演结果与实际情况 有一定的偏差隗咖。 1 1 3 气溶胶的辐射强迫 气溶胶辐射效应研究目前来说主要有三个部分： ( 1 ) 气溶胶直接辐射强迫的研究：气溶胶直接辐射强迫机理指的是大气中气溶胶 散射和吸收太阳短波和长波辐射( 以短波为主) ，从而改变地球大气系统的辐射平 衡旧。决定直接辐射强迫的气溶胶光学参数主要为气溶胶光学厚度、单次散射反 射率和不对称因子，这些又与气溶胶的物理化学性质、粒径分布以及所处环境的 温度和相对湿度有关。气溶胶的直接辐射强迫可以分为两类，一个是对于整个地 球而言，即大气层顶辐射强迫( t o a ) ，另一个指的是气溶胶对于地面短波太阳辐 射的削弱。就t o a 而言，其不仅受气溶胶特性的影响，还取决于地表对入射辐射 的反射能力，当地表反照率低时( 森林，海洋) ，气溶胶的散射作用表现为负辐射 强迫，这点在有吸收性气溶胶地区尤其明显；而地表反射率高时( 沙漠，雪地， 冰面) 或云上，气溶胶散射作用则更多表现为正辐射强迫。对于地面而言，无论 是气溶胶的吸收作用，还是散射作用，其辐射强迫值都是负的。目前关于气溶胶 直接辐射强迫的估算主要有两种方法，一是通过地面和卫星观测获得气溶胶光学 6 南京信息工程大学硕士学位论文 参数及其分布，然后把获取的信息带入大气传输或者气候模式中计算获得全球或 区域气溶胶直接辐射强迫水平。二是卫星直接反演气溶胶辐射强迫。近年来我国 学者运用区域气候模r e g q d 3 ，g s m ，i 河v 1 5 模拟了我国的矿尘、硫酸盐气溶胶直接辐 射强迫，高丽洁运用中尺度气象模式和欧拉输送模式，结合2 0 0 0 年污染源排放资 料，模拟我国硫酸盐气溶胶直接辐射强迫研究中显示了我国硫酸盐气溶胶对地气 系统的辐射冷却不容忽视的作用，而王喜红的模拟更显示中国长江三角洲地区、山 东半岛、黄海、渤海及朝鲜半岛硫酸盐直接辐射强迫己高达一3 0w m - 2 以上。数 值上已经超过了温室气体的辐射强迫。但气溶胶直接辐射的研究仍然存在很多的 问题，一方面需要从根基上解决气溶胶参数信息的缺乏；另一方面需要技术创新， 特别是气溶胶的卫星反演技术、大气辐射传输和气候模式的改进，我国自主产权 的气候模式的开发有可能成为下一个气溶胶气候研究的重点。 ( 2 ) 气溶胶间接效的研究：气溶胶的间接效应主要指的是气溶胶通过影响云的特 性从而间接改变地球辐射平衡。在大气中，气溶胶粒子是云形成的前提。气溶胶粒 子数量的增加，意味着云凝结核数量的增加、云反射率的改变、云高的抬升和生命 周期的延长阮蚓，从而减少了到达地面的辐射，增加反射回外太空的太阳辐射，产 生负的辐射强迫。气溶胶的间接效应的估算还很不准确，从目前的研究显示，大约 为一0 7 1 r m 2 ，而已有不同模式模拟出的结果变化范围为- 0 3 - - 1 8i m 2 。 ( 3 ) 影响区域和全球气候：气溶胶的气候效应，与温室气体相比是反向的，但两 者不能简单的抵消。从二者的寿命来看，对流层气溶胶的寿命只有几天到几周，它 的辐射强迫作用集中在排放源附近，而且基本只影响北半球，而温室气体的寿命是 1 0 年和1 0 0 年的尺度，已经在全球范围内产生影响；从影响的时间看，气溶胶的 影响主要在于对白天太阳辐射的移除作用，而且这一作用对夏季低纬度地区影响较 大，而温室气体则昼夜都有影响，并且在冬季和中高纬度影响较大；从与下垫面的 关系看，气溶胶对辐射的影响与下垫面的光学性质关系极大，同样一层气溶胶，下 垫面光学性质不同时它产生的辐射强迫会有很大差别，甚至引起符号相反的影响， 而温室气体的影响与下垫面无关。同时，气溶胶气候效应是显而易见的。它改变地 球辐射收支平衡，影响大气和海洋循环，通过温度、降水等气候因子的改变作用于 气候系统，已成为当今气候研究的热点问题。 总之，气溶胶辐射效应已成为当今气候研究的一个热点问题，但气溶胶实际观 测信息的缺乏将限制对气溶胶辐射气候效应的准确估算，从地面一天空一卫星三维一 体的获取气溶胶相关信息依旧是气溶胶辐射效应研究中一个重要的环节，同时，也 有助于更全面地了解气溶胶辐射强迫的时空变化特征，有助于为中国地区气溶胶气 7 长江三角渊地区气溶胶光学特性及其辐射强迫 候效应研究提供更为有力支持，为对策研究提供依据。而随着研究的深入，不同成 分气溶胶辐射强迫贡献的确定已成为又一项很有意义的工作。 1 2 研究中存在的问题 长江三角洲地区是我国目前经济发展速度最快、经济总量规模最大、最具有 发展潜力的经济板块，发达的工业和密集的人口使该地区成为气溶胶高值区。然 而，这一地区气溶胶地基观测资料较少，尽管该区域中有7 个a e r o n e t 站点，但是， 除太湖和浙江林学院以外的其他站点观测时间非常短暂，并且时间连续性较差， l a - t m 和宁波站点则没有1 5 级以上产品发布，综合利用这些资料进行系统研究的 成果较少。同时，由于地基观测资料匮乏，卫星产品的验证工作仅局限于太湖，难 以全面了解卫星产品在长江三角洲地区的适用性。长江三角洲地区气溶胶来源复 杂，既有来自工业排放、农作物焚烧及汽车尾气排放的人为源气溶胶，又有海洋溅 沫等自然源气溶胶，气溶胶光学特性时空分布特性极为复杂，同时，由于临近太湖 和海洋等大面积水域，气象因素尤其是相对湿度对这一地区的气溶胶光学特性有巨 大影响，气溶胶各种光学参数与相对湿度的关系以及气溶胶在这一区域的辐射效应 有待进一步研究。 1 3 本文研究的目的、意义及研究内容 在诸多影响气候变化的因子中，气溶胶是一个很重要、但又很不确定的影响