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西北半干旱区大气可降水量和气溶胶光学特性的反演与分析

李霞  
【摘要】:水汽和气溶胶是两种对气候变化和人类生产生活有重要影响的大气成分。水汽作为大气中含量最高的温室气体,正反馈的温室效应使其成为气候变化研究的重要因子之一。随着人类活动的加剧,越来越多的气溶胶被排放到大气中,气溶胶通过直接、间接和半直接效应影响区域和全球气候变化,同时对大气环境以及人类健康产生较大的危害。我国西北地区代表了典型的干旱半干旱气候区,位于气候变化敏感带,是水资源缺乏最严重的地区之一,气溶胶光学特性以及空中水资源的全面了解对气候变化研究和人类生产生活具有重要的现实意义。本文基于地基遥感仪器多滤波旋转遮光带辐射计(MFRSR)发展了气溶胶光学厚度和大气可降水量反演算法,并将此算法应用于兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)、2008中美联合沙尘暴张掖观测点和SACOL城市站(兰州大学本部校区)。反演得到我国西北地区大气可降水量分布特征,并与其它地基和卫星遥感反演进行对比,检验了卫星大气可降水量反演产品的可靠性,同时利用MFRSR关于气溶胶光学厚度的反演结果结合米散射理论和后向轨迹追踪模式分析了气溶胶粒子特征以及气团远距离传输对气溶胶粒子特性的影响。 利用MFRSR水汽吸收通道的直接辐射观测,基于辐射消光定律,根据辐射传输模式(LBLRTM)模拟水汽透过率和水汽含量关系以及Gaussian外推每日订正常数法反演大气可降水量。结果表明,SACOL大气可降水量呈季节变化特征,夏季最大,冬季最小,平均大气可降水量为0.72±0.53cm,75%的可降水量低于1.07cm。MFRSR反演的大气可降水量与太阳光度计的反演结果高度一致,相关系数为0.99,均方根偏差为0.09cm,与微波辐射计的相关系数为0.97,均方根偏差为0.14cm,对比验证了MFRSR反演结果的精确性和可靠性。基于多部地基MFRSR检验了星载MODIS和AIRS在我国西北半干旱地区反演大气可降水量的准确性,分析表明MODIS过高估计大气可降水量,随着水汽含量的增加,高估程度呈增长趋势。地表光谱反射率的不确定性以及气溶胶多次散射效应的忽略是MODIS在西北半干旱区反演误差的可能原因。AIRS系统性低估水汽,AIRS水汽产品对地理位置和对比仪器的选择较为敏感。依据对比结果,分别提出Terra MODIS和Aqua MODIS的订正方法,卫星在西北半干旱地区的评估和应用需认真考虑传感器特征和反演算法在这一地区的适用性。 MFRSR反演大气可降水量的同时也可反演气溶胶光学厚度,利用MFRSR对多波段气溶胶光学厚、波长指数和波长指数随光谱变化的反演,基于气溶胶分类图解法,分析了SACOL气溶胶中细粒子的半径和细粒子对总光学厚度的贡献率。结果表明细粒子半径为0.05-0.15μm,尤以0.13μm最多,细粒子对光学厚度的贡献集中于70%以内,较大的气溶胶光学厚度主要是粗粒子的贡献(细粒子贡献小于30%)。春季沙尘粗粒子对光学厚度贡献最大,粗粒子比例达61%,冬季次之为37%。此方法对认识整层大气气溶胶细粒子特征具有重要意义。 利用MFRSR反演的气溶胶光学特性,结合后向轨迹追踪模式,分析了气溶胶粒子的可能来源,以及远距离传输对气溶胶光学特性和黑碳浓度的影响。影响SACOL的气团来源分为15类,其中在源于塔克拉玛干沙漠气团的影响下,870nm平均气溶胶光学厚度为0.29±0.12,沙尘粒子输送显著,是SACOL的主要沙尘源区之一;在孟加拉国气团的影响下,气溶胶光学厚度最小为0.14±0.02,气溶胶以细粒子为主。对不同源区气团的概括归类表明,局地和区域性气团贡献平均气溶胶光学厚度的41%;沙尘区贡献28%;中亚地区贡献18%;远距离的欧洲和中东贡献13%。黑碳质量浓度分析表明,在源于西欧气团的影响下,黑碳浓度最大为2886.39±1580.34ng/m3,南亚孟加拉国地区的气团次之,黑碳浓度2704.40±1407.46ng/m3,这些地区分布着较强的黑碳排放源,是影响SACOL黑碳浓度的重要气团源地。最小为蒙古戈壁气团的影响,黑碳浓度为993.38±339.03ng/m3。 为了进一步分析半干旱地区气溶胶光学特性的综合特征,进行了不同地区间的对比实验。分析表明,冬季兰州市区气溶胶光学厚度呈单谷型的日变化特征,谷值出现在14:00,气溶胶光学厚度系统性地高于SACOL,城市气溶胶的消光特性显著强于郊区。春季张掖气溶胶光学厚度没有明显的日变化特征,光学厚度值与SACOL相近。张掖和SACOL地区的PM10质量浓度日变化趋势一致,均呈双峰双谷特征,峰值出现于08:00和22:00,90%的PM10质量浓度值低于320μg/m3。


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