论文总字数：15024字

目 录

摘要 I

Abstract II

1引言 1

1.1研究目的和意义 1

1.2国内外研究进展 1

2仪器介绍与数据来源 2

3 气溶胶与云物理特性反演原理 3

3.1 气溶胶光学厚度 3

3.2暗像元法 4

3.3云光学厚度与云滴有效半径 4

4分析结果 5

4.1 雾霾天气气溶胶与云光学参数特征分析 5

4.2 无大气污染时气溶胶与云光学参数特征分析 10

5结论 14

参考文献： 15

致谢 17

气溶胶-云光学特性卫星遥感分析

白玛曲西

, china

Abstract: With the continuous development of society and increasing aerosol content by human activities, aerosol reflection and absorption effect on global energy balance poses a certain threat. In this paper, observations of aerosol optical depth, cloud optical thickness and effective particle radius are studied for both haze and fine weather during June to October, 2013, as well as the . Results show that: (1) For the fog and haze day, September 27, 2013, AOD is high mainly in North and Northeast China, with central region of Beijing, Tianjin and Liaoning, and cloud optical thickness mainly concentrated in the northern and southern regions of Hebei, Shandong, with cloud droplets effective radius maximum mainly in Shanxi, Hebei, Shandong and other regions; (2) For fine weather conditions, October 1, 2013, AOD mainly concentrated in the Bohai Sea region, and cloud optical thickness mainly concerntrated in Beijing, Tianjinand northeast part of China, with cloud droplet effective radius maximum mainly in Heilongjiang, Jilin, Liaoning Province. For other periods, aerosol optical thickness, cloud optical thickness and cloud droplet effective radius of different weather conditions have different spatial distributions.

Keywords: MODIS; aerosol optical thickness; cloud droplets; haze

1引言

1.1研究目的和意义

云是由于水凝物和大气形成的悬浮在大气中的可见聚合体，是由大气中动力过程和热力过程的外观表现。全世界百分之六十的区域被云所覆盖。云是对气候的变化和天气预测有着很重要的影响。由于云对全世界的辐射和水的循环收支起着重要作用，就算是很小的改变也能对气候形成重要影响。云的观测其主要包括确定云的形状、对云的高度的测量、云的体积和选择云码等，并且都存在不确定性。

气溶胶是大气里的一种主要的微量成分，是指以大气作为主要的气相承载着跟悬浮在直径为0.001-10微米的固体或液体颗粒的多相系统。人为的气溶胶主要来生成于工业以及SO₂和NO等通过一系列的过程形成气溶胶，自然中的生成的气溶胶有火山喷发、泥土、气和粒之间的转化等。地球大气气溶胶是由地球、水和空气系统组成, 气候主要是受地球大气气溶胶的影响，其影响分三类: 第一类是大气气溶胶大气化学过程, 气溶胶对温室气体有很大的影响（主要是二CO₂和CH₄等气体）的分布和浓度。第二类是大气气溶胶对长波辐射和中波辐射的AOD散射或者AOD吸收。第三类是大气气溶胶粒子浓度的增多改变了云的特性( 包括云反照率增加、云滴数密度增加、生命期增长、滴谱的改变) ,从而改变地气系统的辐射过程, 即所谓间接辐射强迫。大气气溶胶还跟降水和云的形成、太阳辐射、地球与大气辐射等许多大气物理过程有关。

大气气溶胶主要指空气中的液体形态的或者固体形态微粒，对流层的气溶胶直接辐射或者间接辐射对地球-空气系统的平衡有着一定的影响。空气中的气溶胶粒子在大气电学、大气光学以及大气环境等起到了密切的作用。随着社会的不断发展，人类活动造成了气溶胶含量逐渐增加，气溶胶粒子通过反射以及吸收等作用，对全球能量的平衡构成了一定的威胁。

因此，本文利用中分辨率成像光谱仪得到AOD并且从中来反映得到气溶胶的浓度资料，使用了统计学方法，研究了我国气溶胶在空间尺度和时间尺度上的分布变化特征。研究所得结论能够为我国空气质量防御提供科学指导意义。

1.2国内外研究进展

事实上大气气溶胶的成分是很复杂,气溶胶对气候的影响分为两大方面，它可以经过散射和吸收太阳辐射进而直接影响地-气系统的辐射平衡,即直接辐射气候效应。另一方面, 气溶胶粒子又可看作云的凝结核改变了云的云量、对流能量、光学特性、降水率及云的生命周期, 产生间接效应即气溶胶间接效应。气溶胶的间接效应又包括两类：第一类间接效应，被称作“云反照率效应”，由于云中冰晶和水滴的散射，使云体表面形成了较强的反射面，云层覆盖了大约百分之六十的地表，云顶表面具有比较大的反射率，能够把到达地面的太阳辐射减少，使得返回天体空间的辐射能量加大。第二类间接效应亦被称作“云生命史效应”，人为的气溶胶增加从而引起的辐射强迫作用，它造成颗粒物的尺度减小，减少了降水率，进而调整了云的生命期液态水含量和云的厚度。目前国内外很多学者对不同区域的气溶胶光学厚度进行了分析研究，且得出了一定的结论。石睿等^[1]利用MODIS气溶胶和云资料以及TRMM降水数据分析了夏季东亚气溶胶、云、降水的分布表征，分析了云降水与气溶胶的关系，在水汽含量比较少的状态下，气溶胶增高会使云滴有效半径（CER）减小；气溶胶使南部地区的对流性降水增长，控制了北部地区的层云降水。张小曳等^[2]对IPCC 第五次评估报告气溶胶-云对气候变化的影响中总结了有关气溶胶和云对气候变化影响的研究。马月等^[3]采用MODIS和C1oudSat数据研究了气溶胶对层积云的影响，在云中液水路径固定的状态下，气溶胶增加能够有效地使云滴尺度减小。石广玉等^[4]主要分析了我国气候与大气气溶胶的辐射效应。关佳欣等^[5]根据2000年3月份到2009年2月份使用MODIS遥感大气气溶胶光学厚度（AOD）产品分析了我国中东部主要地区气溶胶光学厚度的分布。黄建平等^[6]研究了气溶胶对我国秋季中东部地区降水的影响，证明了秋季中国中东部地区降水减少的重要原因是由空气污染造成的气溶胶浓度的增加所导致。叶晶等^[7]利用MODIS数据研究了多层云的小粒子有效半径和光学厚度等微物理参数的分布和变化。李成才等^[8] 说明了MODIS遥感方法来获取气溶胶分布 ,为全球和区域气候变化研究提供了基础数据 ,也为区域环境大气污染的研究提供了新工具。Qian等^[9]利用华东地区气溶胶资料，研究了气溶胶对降水的影响，结果表明了，气溶胶浓度的增加导致了华东地区降水量的减少。Huang等^[10]采用了气候-化学=气溶胶模式，研究了气溶胶浓度与东亚地区降水量之间的关系。研究表明，气溶胶的浓度会在一定程度上影响其降水量，气溶胶浓度直接影响了秋季、冬季降水量减少了10%左右。还有很多学者^[11-14]对气溶胶的时空分布特征进行了研究。

2仪器介绍与数据来源

中分辨率成像光谱仪简称MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）。美国国家宇航局于1999年12月发射terra卫星之后又在2002年5月发射了aqua卫星。中分辨率成像光谱仪是搭载在terra和aqua卫星上的一个重要的传感器，MODIS可以提供从可见光、近红外、红外等共三十六个通道探测的资料。是所有的卫星当中唯一一个把立即观测到的数据经过X波段向全世界直接传播，并且可以免费接收和下载其所有的数据而其可以自由的使用的星载仪器，全世界很多国家和地区都在接收和利用MODIS数据。aqua 上搭载仪器MODIS, MODIS level 2MOD04/MYD04 数据提供气溶胶的光学厚度信息。在海洋上空的无云区里, MODIS反演气溶胶的属性水平上可辨认出来的距离为10 km，其在海洋上的气溶胶反演算法所反演的AOD精确度高。MODIS 的level 2 MOD06 数据提供LWP信息。气溶胶光学厚度τ_а代表太阳辐射经过气溶胶柱后的衰减状况, 在一定程度上可以反应气溶胶的柱浓度。但与AOD度对比, 气溶胶指数(aerosol index)更适合代表气溶胶柱浓度, 与云滴尺度的相关性更好。但是由于资料的限制, 本文仍然利用MODIS 的气溶胶光学厚度来反映气溶胶的浓度。

本文主要分析的是2013年6月份至十月份对雾霾比较严重或者无雾霾时的天气进行分析，利用MODIS下载资料，首先上网查找有关于雾霾严重及天气比较特殊的时间段，并查找云光学厚度比较高的天气进行研究及分析，并且把雾霾天气前后的数据也同时下载下来进行对比绘图并进行分析。

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