北京地区气溶胶光学特性与辐射效应的观测研究

发布时间：2020-06-14 16:53

【摘要】：大气气溶胶在地气辐射收支和全球气候变化中扮演着重要的角色，气溶胶通过直接和间接辐射效应改变了地气系统的辐射平衡。气溶胶单次散射反照率（SSA）是气溶胶重要的光学特性之一，它与气溶胶的光学厚度和谱分布等参数共同决定了气溶胶的辐射效应。北京地区近年来人口和机动车数量持续增加，城市化迅速发展，人为源排放大量增多，研究该地区的气溶胶光学特性不仅是了解气溶胶性质本身的需要，而且为后续进行的辐射效应研究奠定了基础。2010年10月至11月，在北京理工大学联合使用了观测的气溶胶光学厚度和地表接收的太阳辐射通量反演了大气气溶胶SSA，并分析了影响SSA日变化的因素。为进一步了解北京城区气溶胶的粒径分布特征，利用TSI空气动力学粒径仪观测了粒径在0.5μm至20μm的气溶胶的质谱分布，分析了气象要素对质谱分布变化的影响。此外，结合辐射传输模式计算了北京的气溶胶直接辐射强迫，统计了日变化特征，并对可能影响辐射强迫变化的因素做出了分析和说明。最后对北京附近香河地区的SSA进行了反演和分析。主要内容和结论包括：北京理工大学观测站反演的1295个样本中，440nm平均值为是0.893，标准偏差为0.053，与AERONET站点（中科院大气物理所）反演的结果平均偏差在0.030左右。在观测期间，SSA呈现了明显的日变化特征。在研究的7时至17时中，早8时与晚5时的SSA明显低于午间，这主要是受到早晚交通高峰期间的汽车尾气中黑碳气溶胶排放的影响。此外，相对湿度对SSA的变化有较大影响，北京地区有机与无机组分共同影响了SSA的变化，SSA随相对湿度增加而增大，在霾天气下，SSA有明显的增加。在不同天气条件下，气溶胶的质谱分布特征呈现明显差异，而这些差异与天气形势和气团运动直接相关。当北京主要受到来自北部和西北气团影响时，气溶胶浓度低，峰值出现在粗粒径段；当气团移动缓慢，风力较小时，城市本身污染形成堆积，0.52μm的细粒子和在5.50μm附近的粗粒子出现峰值；当受到西南和南向气团影响时，细粒子附近出现高峰。北京吸湿性盐在粒子组成中占有重要比例，相对湿度和风速风向的变化对质谱分布及谱值变化产生了重要影响。实验期间的辐射强迫的平均日变化特征明显，地表辐射强迫在午间附近13时达到最大（-127.21wm-2），早晚为午间的1/2左右。大气层顶和大气层也呈现出类似的变化趋势，午间的气溶胶辐射强迫对全天辐射强迫的估计具有重要贡献。此外，2010年10月7日，11月15和17日呈现的典型的辐射强迫差异表明，与气团运动相关的高光学厚度是引起气溶胶辐射强迫增加的重要因素，同时，SSA的变化对地表辐射和大气层顶辐射的比值（Fs）有重要的影响，两者反相关性显著。香河地区2005年至2008年的SSA的日变化特征与北京呈现明显差异。与北京相比，香河更高的臭氧浓度增强了硫酸盐等的转化，午后出现高峰。同时，香河地区SSA的季节变化明显，春季最低，在0.908左右，夏季最高，约为0.926。四季中，SSA与光学厚度呈明显的正相关，冬季相关较弱。香河气溶胶受气团运动影响显著，SSA与相应的谱分布随气团运动方向变化呈现了不同的特征。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X513
【图文】：

辐射通量,大气层,气溶胶,太阳常数

Russell（1999）表示，在海洋上，对于确定的气溶胶光学厚度，单次散射反照率变化0.07 就可以使得在对流层顶的辐射通量变化 21%。这种敏感性对于普通的地表面可能更大。如图1.1所示，这里使用到的年平均通量变化的估计值来自Haywood和Shine（1995），Chylek 和 Wong（1995），以及 Russell 等（1997）使用下面公式进行的计算。2 21(1 ) [ (1 ) 2(1 ) ]2a T c a s s F F T A R R AOD（1.1）其中，a F 是气溶胶引起的大气层顶上行的辐射通量的变化，TF 是太阳常数，T是气溶胶的透过率，cA 是云部分

太阳光度计,定标

度计是以太阳为光源进行的被动遥感。从大气上界入射到中气体分子以及大气气溶胶粒子的散射和吸收，地面接收溶胶信息。CE318 太阳光度计 8 个通道可测量得到无云大670nm，870nm 和 1020nm 的 4 个通道的数据用于反演大气气用于计量水汽的的量，单位为厘米。进行实验的仪器在观器进行比较得出定标系数。参考仪器非水汽通道的定标采una Loa 天文台进行。对于天空光测量，定标在 NASA 的 G行，精度能达到±5%。940nm 通道采用改进的 Langley 方子主要是仪器的光学滤光片，平均每年衰减 1-10%，滤光简要介绍了非水汽通道（Langley 法，相对标定法）和）进行标定的主要过程。ngley 法定标与相对定标ey 法是太阳光度计定标的重要方法之一，根据比尔-布格图 2.1 Cimel CE318 型太阳光度计（摄于北京理工大学）

【参考文献】