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卫星遥感中国海域气溶胶光学特性及其辐射强迫研究

邓学良  
【摘要】: 气溶胶作为重要的气候因子,对地-气能量系统产生重要的影响。本论文主要是结合多颗传感器的卫星数据(MODIS气溶胶产品和CERES辐射通量数据),系统地分析了中国海域气溶胶的光学特性和辐射强迫。首先利用船测数据和AERONET地基观测数据,通过改进了测量方法和验证方法,对MODIS气溶胶产品在中国海域的适用性进行了验证;然后利用验证后的MODIS数据,分析了我国海域气溶胶的时空分布特征,并结合气象场和化学成分进行了原因说明;进一步利用MODIS气溶胶产品,分离出人为气溶胶和沙尘气溶胶成分,并得到它们的时空分布特征;结合MODIS、CERES数据和辐射传输模式,设计了气溶胶直接辐射强迫的算法,得到中国海域气溶胶直接辐射强迫的分布,并与SPRINTARS气溶胶模式结果进行了比较;最后利用MODIS的气溶胶和云产品,对我国海域气溶胶的间接作用进行了分析。得到以下主要结论: 1.改进太阳光度计测量方法,对中国海域气溶胶进行了船载测量,验证了MODIS气溶胶光学厚度的分布特征;利用AERONET数据,改进验证方法,证实MODIS气溶胶光学厚度与AERONET具有很好的相关关系,误差符合NASA的要求,说明MODIS气溶胶产品适用于中国海域。这为下面的研究打下了基础。 2.通过分析MODIS气溶胶产品,证实我国海域气溶胶光学厚度(AOT)与小颗粒比例(FMF)存在明显的季节变化和空间分布特征。通过分析气象场和化学成分可知,这一特征受风场和降雨的影响,而陆源输送是我国海域气溶胶的主要来源。 3.利用MODIS气溶胶产品中AOT与FMF的关系,得到了人为和沙尘气溶胶的计算公式,利用这一公式分别获得中国海域人为和沙尘气溶胶各自的分布。分析结果显示,中国海域人为气溶胶和沙尘气溶胶分别存在明显的时空分布特征。 4.结合MODIS、CERES数据和辐射传输模式,设计了计算直接辐射强迫的算法:(1)剔除云区;(2)建立无气溶胶晴空条件下的大气顶辐射通量查找表;(3)将辐射率转化为辐射通量;(4)计算气溶胶瞬时直接辐射强迫;(5)计算瞬时辐射强迫与日平均辐射强迫之间的修正因子。通过以上五步,得到了中国海域气溶胶直接辐射强迫的时空分布特征。并通过与SPRINTARS气溶胶模式结果的比较,证实了利用卫星直接计算我国海域气溶胶直接辐射强迫是可行的。 5.通过分析MODIS的气溶胶和云产品,证实了我国海域气溶胶间接效应是明显存在的。在不同季节由于气溶胶种类的变化和水汽条件的不同,气溶胶对于云的间接作用又是不同的。 本论文的主要创新点: 1.对MODIS气溶胶产品的验证方法进行了改进。首先,通过改进MICROTOPSⅡ的测量方法,将适合于陆地测量的太阳光度计应用到海上船载测量。其次,改进了MODIS与AERONET的验证方法,调整了空间匹配窗口的大小,得到了更好的验证效果。 2.结合气象场和化学成分数据,分别从气象因素和化学组成两个方面分析了我国海域气溶胶的形成原因。分析可知,我国海域气溶胶主要来源于我国沿海的陆地源,受到风场和降雨的共同作用,形成明显的时空分布特征。 3.利用MODIS气溶胶产品中的AOT和FMF关系,得到了沙尘气溶胶和人为气溶胶的计算公式,直接从卫星数据中区分了沙尘气溶胶和人为气溶胶成分。 4.在国内首次结合多颗传感器的卫星数据,直接获得气溶胶瞬时直接辐射强迫。并利用辐射传输模式,将瞬时直接辐射强迫转化为日平均直接辐射强迫。最后利用卫星数据证实了中国海域气溶胶的间接效应的存在。


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