近十年北京地区气溶胶对太阳辐射的影响研究

发布时间：2020-06-13 03:58

【摘要】：利用中国科学院大气物理研究所2005-2015年长期观测的PM2.5质量浓度、太阳辐射数据,对北京地区气溶胶与辐射相互作用进行了研究;利用SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transter)辐射传输模式,结合AERONET北京站观测的气溶胶光学特性资料,评估气溶胶以及黑碳(Black Carbon,BC)气溶胶的辐射强迫,并量化了总辐射(Surface Radiation,Rs)、紫外(Ultraviolet Radiation,UV)、光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation,PAR)波段的气溶胶辐射强迫。主要研究结果如下:1.通过观测的气溶胶、辐射同步观测数据,揭示北京地区近十年气溶胶细颗粒物(PM2.5)、总辐射长期变化规律。北京地区近十年PM2.5质量浓度年均值为77.8±59.6?gm~3,PM2.5质量浓度从2005到2015年呈现微弱的下降趋势,从2013年以后PM2.5质量浓度下降趋势显著。PM2.5质量浓度的季节变化规律为:春夏季浓度低,秋冬浓度高。近十年北京地区地表总辐射年均值为315.6wm~2,整体呈现上升趋势,尤其2013年之后上升趋势显著。辐射季节变化规律为:春夏辐射强,秋冬辐射弱。PM2.5质量浓度与总辐射呈反位相的变化趋势,当PM2.5质量浓度小于75?gm~3时,PM2.5质量浓度与归一化的地表总辐射Rsn存在很好的线性相关,在整体上PM2.5与Rsn存在很好对数关系。2.利用AERONET观测数据获得北京地区气溶胶光学特性的变化特征。近10年气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)在440nm、675nm、870nm和1020nm波段的年均值分别为0.61±0.56、0.38±0.35、0.29±0.26、0.25±0.22。在440nm波段,AOD季节变化为:夏季春季秋季冬季。波长指数(?ngstr?m)多年均值为1.094,极大值出现在春季(0.967),而夏季出现极小值(1.258)。气溶胶单次散射反照率(Single Scattering Albedo,SSA)在四个波段的均值都在0.85以上,表明北京地区的气溶胶以散射性为主。北京地区春季因受沙尘和大风扬沙天气的影响使得气溶胶以粗粒子为主,因此粗模态峰值对应的气溶胶体积浓度值明显高于其他季节,并且?ngstr?m指数在春季较小。夏季的高温高湿天气,使得气溶胶的吸湿增长和二次气溶胶含量增加,同时细模态峰值对应的气溶胶体积浓度值也明显高于其他季节,加强了气溶胶的散射性。而秋、冬季节生物质燃烧和燃煤排放了大量黑碳气溶胶,导致气溶胶的吸收作用增强,从而使得SSA值较低。3.利用AERONET观测的气溶胶光学参数结合SBDART平行辐射传输模式,计算了北京地区2005~2015年气溶胶以及黑碳气溶胶的辐射强迫。晴空条件下,大气层顶(Top of Atmosphere,TOA)、地面(Bottom of Atmosphere,BOA)和大气中(Atmosphere,ATM)的气溶胶直接辐射强迫在Rs、UV和PAR的多年均值分别为-24.91±19.80wm~2,-65.52±43.78wm~2,40.61±28.62wm~2(Rs),-1.09±1.24wm~2,-6.09±4.37wm~2,5.01±3.74wm~2(UV);-14.46±10.96wm~2,-36.43±24.39wm~2,2.97±15.32wm~2(PAR)。气溶胶在TOA、BOA和ATM中的辐射强迫均表现为春夏季高,冬季小。UV、PAR波段在TOA、BOA和ATM中的辐射强迫也呈现春夏季高,冬季小的变化趋势。UV占Rs波段直接辐射强迫比值表现为:ATMBOATOA,大气层顶该比值在夏季为极大值,可能是因为夏季时440nm波段的SSA较高,对紫外波段的散射增强所致。利用“三波段”法得到北京地区晴空条件下黑碳气溶胶的辐射强迫,TOA、BOA和ATM均为夏季(6月)和秋季(10月)大,而冬季小的季节变化特征。大气中BC气溶胶占总气溶胶辐射强迫的比值在6、7、8月均维持在68%以上,说明夏季气溶胶的对大气加热作用主要来自BC气溶胶。特别是当SSA(440nm)的值低于0.8时,秋冬季节的某些时日大气层顶的辐射强迫会出现正的辐射强迫。
【图文】：

气溶胶,大气气溶胶

1.1研究意义大气气溶胶是指空气动力学直径在 0.001μm—100μm，悬浮在大气中液体和固态颗粒物组成的多相体系的总称，其中空气动力学直径小于 2.5μm 的细颗粒称为 PM2.5[1]。气溶胶的来源很广，分为自然源和人为源。随着社会的发展，工业排放导致大气气溶胶含量大增，大气气溶胶自身的污染特性和它本身的物理化学特性以及在大气非均相化学反应有着密切的关系，由此而引发的环境和气候问题也引起人们的广泛关注。可吸入颗粒 PM2.5 对人体和其他生物的生理健康和大气环境有非常重大的影响。而自上世纪 90 年代以来，由于气溶胶的辐射强迫效应使得气溶胶再次成为国际学术界的研究热点之一。气溶胶对辐射的影响有两种方式：一是通过吸收和散射太阳短波辐射和地球长波辐射对气候产生直接影响；二是作为凝结核影响云的辐射特性以及作为反应表面影响大量化学反应速度对气候产生间接影响，如图 1.1 所示。因此，气溶胶在云物理和降水形成过程中起着非常重要的作用，同时对地气系统的辐射平衡和全球气候变化也有重要影响。

能量平衡,图片

成都信息工程大学硕士学位论文，人为排放大量气溶胶，不仅很大程度上改变了局地和全球的大气成分，，而通过气溶胶的辐射效应影响全球气候变化。气溶胶的辐射强迫问题一直是气化研究的前沿。太阳以短波（波长小于 3μm）的方式向外界辐射能量，为地-气系统贡献。太阳辐射是地-气系统能量的主要来源，是维持地-气系统中各种生物、化学理反应过程和生命活动的动力，太阳辐射的差异是形成不同气候的主要因素阳辐射和下垫面性质等的差异是产生和维持大气环流的原因，大气环流使得能量和水汽重新分布，从而形成了各种天气气候状况。因此可以说太阳辐射球气候形成和变化的重要因子。地-气系统以长波方式（波长大于 3μm）向传递辐射能，使得地-气系统辐射通常处于平衡状态[2]，不同部分之间的能量和相对贡献量如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：成都信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P461

【参考文献】