沙尘和混合型沙尘气溶胶的大气遥感

发布时间：2020-10-13 06:51

　　 大气气溶胶可以通过散射和吸收太阳辐射,直接影响地-气系统辐射平衡;可以作为云凝结核和冰核改变云的形成过程、云反照率、云寿命、降水效率等过程,间接影响天气和气候。迄今对气溶胶过程精确描述存在较多困难,对气溶胶辐射强迫的计算仍存在很大的不确定性,是大气数值模式模拟预报能力的重要制约之一。因此研究气溶胶的光学特性和辐射效应具有重要的科学意义和应用价值。首先利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的观测,基于经验模态分解方法(EMD)改进了激光雷达数据降噪方法。接着分析SACOL气溶胶非球形的时空分布特征,并基于偏振激光雷达观测和T-matrix模拟给出气溶胶形状参数纵横比。然后基于搭载在CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星上的CALIOP(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)激光雷达和全球地基气溶胶观测网AERONET(Aerosol Robotic Network)的观测资料分析了中国典型区域气溶胶的光学特性和垂直分布,并讨论了典型区域沙尘和黑碳气溶胶的混合特点。最后,将气溶胶分成沙尘为主、黑碳为主和混合型气溶胶三类,对比研究混合型气溶胶光学特性和辐射效应。主要结果和结论如下。(1)基于EMD方法,从本征模函数分量(IMF)和被剔除部分的物理意义出发,详细分析激光雷达信号分解和重构过程的特点。提出用典型尺度(TR)和低频比例(LFF)作为客观标准剔除高频IMF的激光雷达信号降噪方法,并基于此建立了批量处理激光雷达信号降噪的自动算法。统计结果表明,本论文的EMD自动降噪方法效果优于小波方法。(2)SACOL气溶胶非球形最明显的是春季,冬季次之,夏、秋季较不明显。春、夏、秋、冬季退偏比的垂直廓线平均值分别为0.13、0.09、0.08和0.10。气溶胶退偏比随高度递减,边界层内气溶胶的退偏比较大,非球形特性明显。在水汽充足的夏季,退偏比随大气柱可降水量的增大而显著减小,可降水量可解释气溶胶退偏比总变差的80.8%。利用T-matrix模拟,结合激光雷达退偏比数据和太阳光度计数据反演气溶胶纵横比,同时给出SACOL气溶胶纵横比的修正对数正态分布参数化。与电子扫描显微镜观测的纵横比(由于观测原理限制,只能得到干粒子纵横比)相比,本论文反演的纵横比更符合实际大气中气溶胶的形状,可直接用来改善气溶胶模式的输入。(3)虽然对SACOL气溶胶消光系数略有低估,但CALIOP很好地捕捉到气溶胶垂直分布的季节变化。沙尘气溶胶为主的塔克拉玛干和青藏高原区域,主要是粗模态的非球形气溶胶,退偏比和色比都最大;而人为污染为主的华北平原、四川盆地和长三角等区域,主要是细模态的球形气溶胶,退偏比和色比都最小。华北平原春季和黄土高原冬季沙尘气溶胶和人为污染发生混合,气溶胶退偏比和色比介于沙尘和人为污染物中间。珠三角区域的气溶胶退偏比与以人为污染为主的其他区域类似。但由于有粗模态海洋气溶胶的存在,导致其色比略大。(4)北方地区远距离传输的春季沙尘在气溶胶消光系数廓线图上非常明显,能够传输到对流层中高层。季节性的消光系数廓线说明夏季强对流将更多边界层气溶胶输送到自由对流层,而秋冬季的稳定气象条件将气溶胶限制在近地层。除青藏高原外,冬季消光系数递减率达到最大,超过80%的气溶胶被限制在近地面1.5 km以内。人为污染严重的区域(四川盆地、华北平原、长三角和珠三角区域)边界层内气溶胶消光系数递减率大于其他区域(塔克拉玛干、青藏高原、黄土高原和华北平原区域)。(5)利用SACOL偏振激光雷达观测的气溶胶非球形将太阳光度计观测的气溶胶分成球形、非球形和混合型气溶胶三类。SACOL的混合型气溶胶散射和吸收能力都较强。混合型气溶胶的地表冷却效率(-139.8 Wm-2)最大,比球形和非球形气溶胶(分别为-125.7和-122.3 Wm-2)分别大11.2%和14.3%。混合型气溶胶大气中的辐射加热效率也最大(+79.9 Wm-2),比球形和非球形气溶胶(分别为+66.4和+66.0 Wm-2)分别大20.3%和20.9%。大气层顶处辐射冷却效率与气溶胶类型的关系最小,球形、混合型和非球形气溶胶在大气层顶处的辐射冷却效率分别为-59.3、-59.9和-56.3 Wm-2。(6)利用气溶胶SSA谱特征将全球AERONET观测的气溶胶分成沙尘为主、黑碳为主和混合型三类。研究发现,东亚混合型气溶胶能够增强地表冷却和大气加热效应。混合型气溶胶地表冷却效应和大气加热效应的增强能够抑制边界层的发展,加重东亚区域的空气污染。大气中的气溶胶都存在不同程度地混合,为更加精确地计算地-气系统的辐射平衡,非常有必要在全球气候模式中认真考虑混合型沙尘气溶胶的参数化。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X513;X87
【部分图文】：

型研究区域（方框）和 AERONET 站点（实心圆点）。图中2 站点编号一致。图中颜色表示格点海拔高度，来源于 CALIO2.5°（纬度×经度）。表 2-2 典型区域 21 个 AERONET 站点的基本信息Site nameLongitudeLatitudeAltitudeA

为主的气溶胶，（b）黑碳为主的气溶胶和（c）混合型气溶胶RONET 站点。只有某类气溶胶在所在站点的观测数据达到 5研究东亚混合型气溶胶时用到全球共 290 个 AERO-2），其中每个站点在沙尘为主、黑碳为主和混合型气观测样本量达到 50。由于站点太多，将图 2-2 中所有

3 截止 2017 年 2 月 27 日的 AERONET 观测站点全球分布图，来自 AERONETp://aeronet.gsfc.nasa.gov/。AERONET Version 2 的数据还提供了一套辐射参量，包括地表和大气层通量、辐射强迫和辐射强迫效率等（Holben 等，2006）。瞬时的气溶胶
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本文编号：2838879