利用AERONET资料分析合肥和北京气溶胶光学厚度

论文总字数：16811字

目 录

1.引言 1

2.站点、仪器、数据介绍以及测量原理 2

3. 结果与讨论 3

3.1风场、气温以及降水量季节变化 3

3.2 大气气溶胶光学厚度的季节变化以及概率分布规律 4

4.结论 9

参考文献 10

致谢 13

利用AERONET资料分析合肥和北京气溶胶光学厚度

张方健

, China

Abstract：Using Beijing and Hefei's  retrieval data of AERONET,I analyses the dual rule of seasonal change of aerosol optical depth (AOD).The results show that the AOD of the two areas both have obvious seasonal variation. In 2008, due to high temperature and high humidity, aerosol particles are easy to grow. AOD is the largest of the four seasons. Affected by the prevailing westerly, coupled with the lack of water vapor, AOD of spring is slightly less than that of summer. Autumn is influenced by the northwest cold high pressure, combined with the environmental protection measures of the Olympic Games, the AOD of autumn is the smallest. Winter, on average, slightly greater than the fall, but because it is easy to form stable inversion layer knot in winter, occasionally AOD appears great value. In Hefei, AOD of winter is the biggest because it is easy to maintain the stability of the inversion layer knot which let aerosol hard to spread. Spring is larger, less than in winter and it related to the prevailing wind and dust. Autumn is influenced by northwest high altitude cold high pressure system, and AOD is the smallest. By contrast, the spring, due to varying degrees affected by dust, AOD of Beijing is than that of Hefei. In the other three seasons, Hefei is more than Beijing, because of civil water vapor differences as well as the different industrial production scale.

Keywords: AERONET； aerosol optical depth；Beijing；Hefei

1.引言

悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与气体载体组成的多相体系，我们称之为大气气溶胶。自然源和人为源是大气气溶胶粒子的两大来源。自然源包括土壤、岩石风化以及火山爆发形成的尘埃，海沫破裂干涸成核，微生物、孢子、花粉等有机物质点，宇宙尘埃等。人为源主要有化石燃料燃烧、工业排放、矿产的开采与破碎、金属冶炼等^[1-2]。气粒转化也是另一种重要来源^[3]。

全球大气气溶胶的含量近些年来显著上升，这和人类生产活动的扩展密切相关。大气气溶胶浓度的变化直接作用到人们的健康和生存环境，影响天气和气候的变化。IPCC第四次评估报告指出，气溶胶的辐射强迫作用具有非常大的不确定性^[4-5]，张小曳^[6]在973项目“中国大气气溶胶及其气候效应”的研究中提出我国气溶胶光学特性的研究，具有很重要的意义。

大气气溶胶对气候变化的重大影响表现在以下两个方面：首先，大气气溶胶对太阳辐射有散射和吸收作用，这会影响到地气系统辐射平衡，产生间接的气候效应^[7]；其次，大气气溶胶在云降水过程中可以充当凝结核或者冰核，对云的产生和降水过程起到了至关重要的作用，产生间接的气候效应^[8]。另外，大气气溶胶对环境的影响很大，当今世界，臭氧空洞、酸雨、光化学烟雾都是热点问题，这些环境问题的产生和大气气溶胶有着相当大的关系。气溶胶的光学性质时空分布十分复杂。当前，人们对气溶胶光学厚度的时空变化了解非常有有限。因此，做这方面的研究显得更有必要性。

合肥地处我国华东地区，轻工业、机械工业、电子工业在我国都处于领先水平，高铁纵横、公路遍布，是我国经济文化十分发达的地区，合肥处于华东地区的西部，近些年来，飞速发展的经济带来的交通污染、工业排放、自然环境破坏，引起了该地区环境问题和气候变化^[9]。北京是我国的经济文化中心，近些年来，日益严重的雾霾问题、交通问题都是大家研究的重点，气溶胶在这些问题中所产生的影响不可忽略。同时，对合肥地区和北京地区的气溶胶光学厚度季节变化做对比分析。能够更好地理解气溶胶光学厚度南北差异，对更好地解决气溶胶光学厚度带来的环境问题有很大的参考意义。

近些年来，很多国内外学者对我国各地区气溶胶的分布和特性做了大量的研究。LUO等^[10]应用全国46个甲种太阳辐射站近30a的观测资料，发现在中国四川盆地、贵州北部、长江中下游地区、山东半岛、青藏高原和南疆盆地西部，气溶胶光学厚度存在大值区，并且逐年上升。YU等^[11]利用AERONET观测网资料，发现北京地区气溶胶光学厚度在春，夏季最大。Zhang等^[12]通过太阳光度计地面观测数据，发现中国黄河、长江中下游及沿海地区、四川盆地附近等地区，呈现气溶胶光学厚度的极大值中心，全国绝大部分地区气溶胶光学厚度在春季最大。谭浩波等^[13]研究了珠江三角洲地区4个站点的气溶胶分布特征。邱金桓等^[14-15]在利用大量宽带太阳辐射计观测资料，以宽带消光法，反演气溶胶光学厚度，最终结果取得了非常高的精度。宗雪梅等^[16]通过分析1993年至2003年中国16个站点气溶胶光学厚度年变化趋势，发现气溶胶光学厚度呈现逐年增高的趋势。刘玉杰等^[17]通过分析CE318型太阳光度计观测资料，研究了银川地区气溶胶光学厚度的日变化和季节变化特征。通过中国生态系统研究网络（CERN）的观测数据，王跃思等^[18]分析了我国19个地区秋冬两季的气溶胶光学厚度季节变化特征，发现不同地域之间气溶胶光学厚度分布差异明显。

2.站点、仪器、数据介绍以及测量原理

地基太阳光度计的 测量能够提供最为准确的气溶胶光学厚度资料，同时获得的资料也可以作为卫星遥感气溶胶光学厚度的检验依据^[19]。但是直到现在，世界上长期依托地基太阳光度计观测气溶胶光学特性的测站还很少，这种情况在中国更加严重。

当前，比较先进的地基遥感网络就要是AERONET(Aerosol Robotic Network)全球自动观测网了。AERONET (Aerosol Robotic Network)是由NASA 和 LOA-PHOTONS (CNRS) 联合建立的地基气溶胶遥感观测网。AERONET观测占已经遍布全球主要的区域，目前全球共有500多个站点，利用CIMEL 自动太阳光度计（SPAM）对气溶胶光学特性进行观测，大部分站实现了每天的数据采集，并统一传送到网络中集中处理。在研究全球气溶胶的传输、气溶胶辐射效应、验证辐射传输模式以及校验卫星遥感气溶胶的结果，AERONET都发挥了很大作用^[20]。

本文基于AERONET提供的北京地区和合肥地区2008年气溶胶光学厚度资料，对比分析了两地的季节变化规律。AERONET观测网提供的数据有三个级别level1.0 、level1.5和level2.0，分别代表了原始数据、经过云处理数据、经过前后试场校准和云处理的人工检查保证质量的数据。本文采用的均是level2.0的数据。

观测中使用的CE318型太阳光度计，由法国CIMEL公司制造，具有自动跟踪扫描的功能。在可见光近红外波段具有8个不同的通道：1020、870、675、500、440、936、380、340nm^[21]， 该光度计可在这些波段获取太阳直接辐射测量，利用宽带消光测量法等反演算法可计算晴空大气少云条件下不同波长440、675、870、1020nm处的气溶胶光学厚度^[18,22].CE318太阳光度计在测量气溶胶光学厚度时存在误差，主要有仪器自身误差（温度效应误差、仪器视场角误差、光电探测器灵敏度误差）、仪器定标误差、计算反演误差。通过对计算参数精度和数学方法的合理运用，可以有效把控计算气溶胶光学厚度的误差^[23]。

另外由于555μm处气溶胶光学厚度缺测，同时555μm处气溶胶光学厚度比较具有代表性，所以我采取临近求插值的方式获得了555μm处的气溶胶光学厚度数据。

下面介绍数据处理方法：555μm处的气溶胶光学厚度是缺测的，但是邻近675μm和440μm气溶胶光学厚度的测量是比较全面的。在气溶胶Junge 谱分布下，气溶胶光学厚度（），大气浑浊度指数（β），波长指数（α）满足以下关系：

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