基于多源数据的气溶胶光学特性及时空分布特征的研究

发布时间：2020-08-13 12:34

【摘要】：气溶胶作为大气中一种重要的气溶胶类型,是地气系统的重要组成部分,在大气物理、大气光学、大气辐射等诸多方面都具有非常重要影响。气溶胶的气候效应包括吸收散射太阳辐射的直接效应、作为云凝结核或冰核影响云反照率及云寿命的间接效应、加热大气改变云微物理特性、云量以及云寿命的半直接效应和激励效应。气溶胶的气候效应极为复杂,不仅与气溶胶的化学组成、混合状态、光学性质和时空分布有关,还与下垫面的性质、云的时空分布有关,被认为是气候系统中最不确定的因素之一,加之气溶胶在时空上的高度可变性,已成为大气科学研究领域的热点问题。中国西北地区和中亚区域属于干旱半干旱区,这里年降水量少,植被稀疏,生态环境脆弱,沙尘天气频发。近几十年来,随着人类活动扰动强度的不断增强,以上地区的气候效应变得更加复杂。矿物沙尘气溶胶和人为污染物之间复杂的相互作用会导致沙尘粒子的化学组分和颗粒物的混合状态发生显著变化,进而对气溶胶的光学特性及其直接、间接气候效应产生重要影响。因此本文利用多源数据开展了气溶胶光学特性和时空分布特征的研究工作。利用多源卫星数据分析了2018年我国北方春季一次沙尘天气过程中纯沙尘气溶胶的光学特性及垂直分布;沙尘天气对颗粒物浓度及空气质量的影响及其天气学成因。利用臭氧监测仪(OMI)数据对比分析了京津冀地区在2013年“APEC会议(亚太经合组织领导人会议)”期间吸收性气溶胶的光学特性。提出了结合地面L2S-SM-II双波长偏振激光雷达、太阳光度计、地面气象台站观测数据和HYSPLIT后向轨迹模型有效区分纯沙尘和污染沙尘气溶胶的方法,对比研究了两种类型沙尘的光学特性。利用MERRA-2(第2版现代研究与应用再分析数据)资料分析了1980年~2017年全球硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐、沙尘五种类型气溶胶光学厚度的时空分布特征。在区分自然沙尘与人为沙尘的基础上,结合MERRA-2资料定量给出了“丝绸之路经济带”沿线区域人为气溶胶的时空分布特征。主要结论如下:(1)五种类型气溶胶在全球非均匀分布,并且具有明显的季节变化。全球总气溶胶AOD在夏季最大(0.137),春季次之(0.130),冬季最小(0.118)。在北美、中国东部及印度中部地区,硫酸盐是主导的气溶胶类型,贡献率分别为66%、63%和42%;在印度洋、南非及北非地区,海盐、有机碳和沙尘分别是最主要的气溶胶类型,贡献率分别为65%、51%和82%。对于黑碳、硫酸盐和总气溶胶,中国东部地区和印度中部地区有较为明显的增长趋势,其中总气溶胶光学厚度的线性增长率分别为0.007/a和0.0056/a。(2)2018年3月27日-30日我国北方地区气溶胶光学厚度、吸收性气溶胶光学厚度和气溶胶指数分别大于0.4、0.035和1.0。沙尘气溶胶主要分布在地面至8 km的高度范围内,体积退偏比主要在0.06~0.4之间,色比在0.6~1.2之间。各城市空气中颗粒物质量浓度均受到沙尘天气不同程度的影响。低层贝加尔湖高压南压对内蒙古西南部及河西走廊地区的起沙有重要影响,河套地区地面气旋和低层切变是造成华北西部起沙的关键因素,鄂海地区高压脊和东北地区地面的低压系统有利于东北地区的起沙。(3)京津冀地区APEC期间气溶胶指数(AI)比APEC前、后分别降低了6.9%、41.9%;500 nm处气溶胶光学厚度(AOD)分别降低了39.3%、27.2%;500 nm处吸收性气溶胶光学厚度(AAOD)分别降低了40.2%、41.7%;气溶胶单次散射反照率(SSA)相比于APEC前基本没变,相比于APEC后增加了5.5%。北京地区APEC期间AI比APEC前、后分别降低了减少了10%、21%,AOD分别降低了49%、23%,AAOD分别降低了30%、50%,SSA相比于APEC前变化不大,相对于APEC后SSA增加了4%。(4)纯沙尘体积退偏比(VDR)的平均值大于污染沙尘的平均值,且纯沙尘和污染沙尘VDR的峰值分别为0.31和0.21,反映了纯沙尘粒子的不规则性。纯沙尘色比(CR)的平均值大于污染沙尘的平均值,且当色比大于0.8时,纯沙尘占主导地位,反映了纯沙尘粒子的粒径较大。VDR与CR的关系表明,两种类型沙尘的VDR和CR之间都是正相关。基于以上结果,利用VDR的频率分布提出了0.25的阈值来区分两种类型的沙尘,且纯沙尘和污染沙尘的误判率分别为20.7%和18.6%。(5)在“丝绸之路经济带”沿线区域,年降水量较低,NDVI整体偏小,总气溶胶AOD整体偏大。自然气溶胶AOD的平均值为0.10,且在春、夏季高于秋、冬季,人为气溶胶AOD的平均值为0.14,且在春、夏、秋季的值基本不变,都大于冬季。从整体上来看,人为气溶胶占总气溶胶AOD比例的平均值在62%-65%的范围内变化。北非地区人为气溶胶所占比例最小,为32.8%,东欧地区人为气溶胶所占比例最大,为73.5%。随着人口密度的增加,人为气溶胶AOD也在增加。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X513

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