利用卫星和AERONET观测资料对东亚地区吸收性气溶胶识别及其光学特征分析

【摘要】：从沙尘源区产生的沙尘气溶胶、来自生物质燃烧和化石燃料燃烧的黑碳和有机碳气溶胶是最主要的三类吸收性气溶胶。由吸收性气溶胶产生的辐射强迫是全球和区域气候变化不确定性最大的来源之一。识别吸收性气溶胶并估计其光学特性能够深入了解和准确估计吸收性气溶胶的直接、半直接和间接效应,进而对气候变化研究都有着非常重要的意义。本文首先通过卫星观测对沙尘气溶胶长距离传输和垂直结构特征进行分析,并发展了一套结合多卫星识别沙尘气溶胶的新算法。同时通过对地面观测AERONET资料的分析发展了一套地面识别吸收性气溶胶的方法。 在太平洋沙尘实验期间(PACDEX),用云-气溶胶偏振激光雷达(CALIOP)和地面标准数据来研究亚洲对流层中沙尘气溶胶的长距离传输和垂直分布特征。结果表明,在太平洋地区,气溶胶主要呈现两层结构,这主要同两个不同的沙尘源区有关系。从CALIOP观测的后向散射退偏比的垂直分布可以看出,从戈壁沙漠地区发生的沙尘一般都低于5千米,通常经过3天左右的时间到达太平洋,而从塔克拉玛干沙漠发生的沙尘有时能够达到9千米,这种情况一般需要5天或者更长的时间到达太平洋。说明进入到对流层上层西风急流的沙尘气溶胶可以被长距离传输达到更远。 我们发展了一套结合主动CALIOP和被动红外成像仪(IIR)识别沙尘气溶胶的算法。这种结合激光雷达和红外观测(CLIM)的方法主要是用IIR三波段红外亮温来区分冰云和厚沙尘层并用激光雷达识别薄沙尘和水云层。一般来说厚沙尘层的10.6和12.05微米的亮温差(BTD11-12)是负值,冰云层的亮温差是正值,对于薄沙尘层来说,亮温差会从负值到正值之间变化,这种情况正好可以用CALIOP准确识别。塔克拉玛干沙漠在2008年春季的结果表明,美国国家航天局第二版CALIOP的沙尘层识别方法会误判43%的沙尘层(几乎所有的厚沙尘层)为云层,而我们的CLIM新方法会显著的减小这种误判到7%。 我们用AERONET观测资料发展了一种获取吸收性气溶胶来源分类的方法。该方法主要是从AERONET观测资料得到散射和吸收Angstrom旨数,进而利用这些气溶胶光学参量把吸收性气溶胶来源分为以下六类：沙尘、生物质燃烧、化石燃料燃烧、沙尘和生物质燃烧混合、生物质和化石燃料燃烧混合和混合污染物。 为了从AERONET观测数据识别吸收性气溶胶,我们发展了一套结合吸收Angstrom指数(AAE)来识别沙尘、黑碳和有机碳气溶胶的方法(三波段方法)。通过对吸收性气溶胶混合数据进行分析,我们估算出沙尘气溶胶AAE1(440和675nm)和AAE2(675和870nm)分别是2.24和1.29,黑碳气溶胶AAE1和AAE2是0.33和0.69,有机碳气溶胶的AAE1是4.21。把沙尘、黑碳和有机碳的AAEs代入三波段方程中,从而估计出它们的光学特征,并把这些结果同GOCART模式结果和外场实验结果作比较。结果表明：用三波段方法得到的550nm波段的有机碳和黑碳气溶胶的光学厚度比是1.33和吸收光学厚度比是0.26,GOCART模式得到的结果分别为1.94和0.05,而外场试验INDOEX和SAFARI的结果是1.4～1.5和0.27,对比分析可知三波段的结果同外场实验结果一致。因此,通过本文我们可以更加准确的估计沙尘、黑碳和有机碳气溶胶的对气候的影响。