论文总字数：20855字

目 录

1、引言 2

2、站点与数据 3

2.1 地面观测数据 3

2.2 MODIS卫星数据 4

3、结果与分析 4

3.1气溶胶光学厚度（AOD）和Angstrom 波长指数（α） 4

3.2气溶胶粒子尺度谱分布及分类 7

3.3气溶胶辐射特性参数 9

3.4辐射强迫、辐射强迫效率和辐射加热率 11

4、结论 13

参考文献： 14

致谢 16

长三角地区气溶胶光学特性与辐射强迫研究

雷露

, China

Abstract: The purpose of this study is to investigate the aerosol optical properties and radiative forcing in Yangtze River Delta. The seasonal variation of aerosol optical depth(AOD), Angstrom exponent(α), single scattering albedo(ω), size distribution and radiative forcing were analyzed between 2010 and 2012 using AERONET data and a comparison was made with MODIS data. The AOD showed a evident seasonal variation and were higher in spring and summer; the AOD in the north part of Yangtze River were obviously greater than in the south. The Angstrom exponent was found to be higher than 1 throughout the year and varied significantly in different seasons, with the maximum (1.38)occurred in spring and the minimum(1.03) occurred in summer. The aerosol size distribution presented abimodal structure and the coarse mode was dominant in spring and the volume concentration of particles in spring was evidently higher than in other seasons. The highest value of single scattering albedo and the minimum of the imaginary parts of refractive index were both occurred in summer, and winter was on the contrast, indicating that the atmosphere had higher scattered power in summer and greater absorbtivity in winter. The maximum of the asymmetry factor and the real parts of refractive index occurred in spring, suggesting that the dust aerosol involved in a stronger forescattering. The values of radiative forcing resulted from aerosol at the surface and the top of atmosphere were negative whlie positive in the atmosphere and all reached their highest values in spring; the radiative forcing at the top of atmosphere showed a lower sensitivity to AOD than at the surface.

Key words:Yangtze River Delta; aerosol optical properties; radiative forcing; seasonal variation; AERONET

1、引言

大气气溶胶是悬浮在大气中的各种固体和液体微粒的总称，粒子的空气动力学直径多在0.003-100 μm之间。作为大气的重要组成成分，气溶胶对区域乃至全球的环境变化和气候都有着重要影响：气溶胶可以吸收、散射长波辐射和太阳辐射产生直接辐射强迫，也可以作为云凝结核影响云的微物理特性从而影响云的寿命、云量、反射率等产生间接辐射强迫，气溶胶的直接和间接辐射效应，会影响地气系统的辐射收支和能量平衡，是引起全球气候变化最重要的不确定因子^[1]；气溶胶散射和吸收太阳辐射会影响大气能见度^[2]，是导致城市和区域霾污染的元凶；此外，气溶胶对人体健康也有明显的影响^[1]。由于气溶胶是由不同尺度、不同形态、不同化学成分和光学特性的物质组成的,气溶胶环境和气候效应的评估测定非常困难，其中一个重要的原因就是对气溶胶的光学特性例如光学厚度（AOD）、Angstrom波长指数（α）、单次散射反照率（ω）、不对称因子（g）、粒子体积尺度谱分布等缺乏足够的了解。目前，地基遥感、地面观测以及卫星遥感是用来获取气溶胶光学参数的主要方式，也是获取粒子体积尺度谱分布的重要方式。其中，地面观测较为精确但成本较高且无法进行系统长期的观测；卫星遥感虽然能够获取全球尺度内的气溶胶信息但精确度不够高，其反演所得结果与实际情况之间存在一定的偏差；而地基遥感则被公认为是在气溶胶的光学参数以及尺度谱分布的测量中较为精确的手段，并常用于检验卫星遥感产品，其中使用最广泛、最成熟的地基反演是由NASA发起、多个国家参与构建的全球气溶胶观测网络AERONET ^[3]。

近20年来，由于受到快速城镇化、工业化和人口增长等人为活动的影响，我国大部分地区气溶胶浓度急剧升高，尤其是在一些大都市集中的区域例如京津冀地区、长江三角洲、珠江三角洲等，近年来更是频繁遭遇低能见度的雾霾天气。长江三角洲是中国最大的三角洲地区，覆盖面积广，居住人口多，是我国东部重要的农业区和核心经济区域，是经济增速最快的地区之一，也是气溶胶增加较快的区域，受到工业、交通等人为活动的影响，区域内气溶胶含量常年较高，环境问题日益严重^[4]。区域内大气污染的急剧增加、雾霾污染的频繁爆发，不仅给人们的日常生活带来的影响，还会对区域环境以及气候产生影响，因此，分析和探讨长三角地区气溶胶的光学特性及其产生辐射强迫的季节变化，对于明确气溶胶粒子的类型、来源及其气候效应具有重要的意义，同时也对区域治霾防霾具有重要的指导作用。许多学者对长三角地区气溶胶做过较多的研究工作，王跃思等^[5]曾报道了长三角地区气溶胶具有较高的浓度且模态分布较为稳定，光学厚度的季节变化也较弱。孙娟等^[6-7]曾报道了上海地区气溶胶AOD有明显的季节变化，年均值接近0.7。夏祥鳌等^[8]利用2005年9月-2006年8月间的太阳光度计和表面辐照计数据详细研究了太湖地区气溶胶的性质。陈然等^[9]利用杭州四个观测站点的观测数据研究了杭州地区气溶胶的光学性质和时空变化。潘亮等^[10]利用2007-2008年间长三角地区不同CIMEL站点的太阳光度计数据研究了区域内气溶胶的光学厚度和波长指数。段靖等^[11]利用2000-2005年间的MODIS气溶胶产品研究了长三角地区气溶胶AOD的空间分布及季节变化特点。郑有飞等^[12]利用AERONET资料和MODIS气溶胶产品验证了太湖、浙江林学院和千岛湖站点，结果表明长三角地区气溶胶光学厚度产品反演结果的精度地域差异较大。潘一新等^[13]利用MODIS数据研究了太湖地区气溶胶AOD的分布，并将其与CE-318太阳光度计实际测得的气溶胶AOD分别应用到太湖地区的大气校正中。王静^[14]在对南京地区一次雾霾天气过程的研究中发现气溶胶AOD在雾霾天气过程中变化显著。刘建军等^[15]利用AERONET太湖站的资料研究了长三角地区气溶胶的直接辐射强迫。张志薇等^[16]利用AERONET实际观测资料和Gobbi气溶胶图解法研究了太湖地区气溶胶粒子的大小及特征，分析了气溶胶的辐射强迫。包括以上列举的许多研究成果加深了我们对长三角地区气溶胶的认识和了解，对于今后研究工作的开展有重要的借鉴和参考作用，但以往的研究多数是针对气溶胶的光学特性或辐射强迫单独展开，而鲜少有学者将两者结合并分析季节变化。同时因为长期地面观测资料的缺乏，对MODIS气溶胶产品的对比研究也较少。

本文利用2010年1月-2012年10月AERONET太湖站的资料分析了长三角地区气溶胶粒子光学特性及辐射强迫的季节变化，并将根据同期MODIS气溶胶产品的光学厚度月平均资料所得的光学厚度时空变化特征及季节变化结果与AERONET实际观测资料进行比对，在此基础之上，进一步分析了气溶胶粒子的模态分布和大气辐射加热率，从而了解长三角地区气溶胶粒子的类型、光学特性及其所产生的气候效应。其中，对季节进行划分的标准是：3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12月-次年2月为冬季。

2、站点与数据

2.1 地面观测数据

本研究所采用的地面观测数据来自于全球气溶胶地基观测网络AERONET（Aerosol Robotic Network）。AERONET是由美国国家航天局NASA以及法国国家科学研究中心CNRS共同组建、全球多个国家共同参与、由数百个太阳光度计组成的气溶胶观测网络，其观测数据误差小、精度高，被广泛应用于全球和区域气溶胶的光学特性、气候效应、卫星遥感产品评估等研究中^[17]。AERONET所采用的观测仪器是法国CIMEL公司制造的CE-318自动追踪太阳分光光度计，该仪器在可见光到近红外波段内设置了9个观测通道，所有通道的带宽均为10 nm,视场仰角为1.2°，跟踪精度为0.1°，其中除了940 nm的水汽通道是用于反演大气可降水量之外，1640，1020，870，670，500，440，380和340 nm这8个通道所测得的太阳直接辐射经过反演计算可以得到垂直气柱内气溶胶粒子的光学厚度AOD、波长指数α、粒子体积尺度谱分布等光学特性参数，其中AOD的精确度可达0.01-0.02，大气柱水汽含量误差在10%以内，单次散射反照率和复折射指数的实部精度分别为0.03和0.04，而对于强吸收粒子而言，复折射指数的虚部反演误差可控制在30%左右^[18-21]。AERONET 提供 3 种质量等级的产品: Level 1. 0 是未经过去云处理的原始观测数据; Level 1. 5 数据是只做了去云处理的数据; Level 2. 0 数据则是经过去云处理及人工检查保证质量的数据。 本研究中所采用的数据均为 Level 2. 0 的气溶胶反演资料。

本研究所选取的站点是区域代表性较好、观测时间序列较长的太湖站（31.42 °N, 120.22 °E, 20 m）。太湖站地处长三角平原中心地区、太湖北侧湖岸，被南京、苏州、上海、杭州和无锡等大城市围绕，属于亚热带季风气候区，夏季高温多雨，冬季干燥寒冷^[22]。

2.2 MODIS卫星数据

MODIS（中分辨率成像光谱仪）目前主要是搭载在美国EOS系列卫星TERRA和AQUA之上，是其核心探测仪器之一，具有图谱合一的性质，所采用的观测仪器是被动式成像分光辐射计，具有490个探测器及36个光谱波段，观测的波段范围从可见光到红外波段，每1-2天可完成一次全球尺度的观测，可为反演气溶胶粒子的类型及光学厚度等提供丰富的数据资料。数据资料可划分为五个等级，而根据下垫面的不同，MODIS的气溶胶产品可分为海洋产品和陆地产品^[23-24]。自2000年以来，MODIS观测数据得到了广泛的应用，大大提高了气溶胶的遥感观测能力，然而由于受到气溶胶模型及地表反照率的影响，在遥感监测气溶胶时所产生的误差难以定量估计，因此需要与地基遥感观测网络AERONET的长期观测数据进行对比验证^[17]。本文所采用的是2010年1月-2012年12月间MODIS气溶胶产品的550 nm波段的光学厚度MOD08、level 3的月平均数据，空间分辨率是1°×1°。

3、结果与分析

3.1气溶胶光学厚度（AOD）和Angstrom 波长指数（α）

AOD是表征气溶胶粒子对太阳辐射消光作用强弱的重要参数，它能够反映整个大气柱内的气溶胶含量，是评价大气污染程度的关键指标之一。一般来讲，AOD 值越小，大气就越清洁；而 AOD 越大，大气就越浑浊。图1 a-c给出了太湖地区2010-2012年间AOD在各个季节随波长的变化情况、 α和AOD（500 nm）的季节变化以及各个季节α随AOD的变化情况。由图1 a可见，太湖地区各个季节的光学厚度随波长的变化趋势较为一致，均为随波长的增加而减小；AOD具有明显的季节变化，夏季AOD平均值明显大于其他季节（440 nm波段处AOD达到1.07），最小值（0.56）出现在冬季，这与太湖地区^[25]以及北京地区的研究结果^[26]较为一致，太湖地区2005-2009年以及北京地区2002-2007年AOD的最大季平均值也出现在夏季；同时由图1 b可发现，春夏两季AOD分布范围较其他季节也更广（分别为0.21-2.42、0.11-2.93），有较多的AOD大值出现，尤其是在夏季，AODgt;1.0的比例达到了40.6%，其他季节AODgt;1.0的比例分别为23.6%（春季）、29.1%（秋季）和12.6%（冬季）。夏季AOD值较大的原因可能是由于大气中较高的水汽含量以及较高的气温等条件，有利于气粒转化过程，气溶胶粒子吸湿性增长加剧，平均粒径增大，散射能力增强从而使光学厚度增大^[27]；春季AOD大值的出现，则可以归因于沙尘上游区较高频率的沙尘输送和春耕活动的进行以及气温回升、湿度增加等有利于二次气溶胶粒子形成的气象条件的共同作用；与此同时，夏季出现AOD小值的频率也比其他季节高，落在AODlt;0.2范围内的点比例达18.8%，这是因为夏季太湖地区较多的降水会对气溶胶粒子进行有效的清除^[28-30]。而在秋冬两个季节里，太湖地区受到较强的西北气流的影响，大气对污染物扩散稀释作用较强从而使得AOD较小^[10]。

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