2002~2022年北京大气气溶胶光学特性的地基遥感连续观测

长时间序列的气溶胶光学特性观测资料是定量研究气溶胶辐射和气候效应的重要基础,也是空气质量和环境健康研究的重要数据来源。本文系统评述了全球AERONET(Aerosol Robotic Network)观测网,并介绍了我国最长观测时间的AEROENT北京站发展状况和一些研究成果;使用北京站长达20余年的观测数据,针对AERONET观测网的光学辐射产品的多时间尺度变化特征进行系统分析,讨论了长期观测的重要性和迫切性。

塔克拉玛干沙漠与撒哈拉沙漠沙尘气溶胶光学特性对比研究

基于2007—2021年CALIPSO和MODIS主、被动卫星遥感探测数据,对塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠的气溶胶光学特性时空分布特征进行探究及对比分析。结果表明:(1)两大沙漠的沙尘气溶胶对总气溶胶的贡献率最大,气溶胶类型季节变化的相对单一性反映了塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠地区存在沙漠沙尘排放对总气溶胶成分的显著影响;(2)塔克拉玛干沙漠气溶胶光学厚度AOD的峰值出现在春季(春季>夏季>秋季>冬季),而撒哈拉沙漠AOD的峰值出现在夏季(夏季>春季>秋季>冬季);(3)撒哈拉沙漠总气溶胶抬升高度与塔克拉玛干沙漠相近,但近地面层消光系数明显小于塔克拉玛干沙漠;塔克拉玛干沙漠的消光系数平均值在所有季节中均大于撒哈拉沙漠,故塔克拉玛干沙漠的沙尘气溶胶AOD比撒哈拉沙漠的大;相比沙漠沙尘气溶胶,塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠都无明显的污染沙尘和抬升烟活动。上述研究结果揭示了两大沙漠源区沙尘气溶胶光学特性的观测事实与利用大气气溶胶时空变化特征反映区域气候变化的可能性。

东中国海海域气溶胶光学特性研究

气溶胶光学特性影响着气溶胶对太阳辐射的吸收和散射能力,因此不同类型气溶胶的环境和气候效应也存在着显著差异。通过CALIPSO(cloud-aerosol lidar and infrared pathfinder satellite observations)卫星的气溶胶数据分析了2008年3月—2021年2月东中国海海域气溶胶光学特性及类型的分布情况。结果表明:渤海和黄海气溶胶光学厚度较大且季节变化不明显,东海气溶胶光学厚度相对偏小,季节差异较大;3个海域气溶胶的退偏比和色比均表现为春季最大。渤海和黄海春季以沙尘型气溶胶为主,其他季节以沙尘海洋型气溶胶为主,东海春季受沙尘海洋型气溶胶影响最大,其他季节以清洁海洋型气溶胶为主。沙尘型和沙尘海洋型气溶胶的光学厚度较大,颗粒较大且粒子以非球形为主,清洁海洋型气溶胶的光学厚度较小,粒子偏球形,由此可见不同类型的气溶胶具有不同的光学特性,这对理解大气中的能量平衡和预测气候变化具有重要意义。

气溶胶光学特性测量研究进展

气溶胶会对全球气候变化、能见度、环境质量、人类健康等产生重要影响。分析常用的气溶胶光学特性测量方法及其局限性,探讨未来的气溶胶变化趋势以及光学特性测量方法,将原位测量和遥感测量相结合,以期更好地测量气溶胶的单次散射反射率、吸收特性和尺寸分布等参数。

气溶胶吸湿性的影响因素及其对光学特性的影响

吸湿性是气溶胶重要的理化性质之一,气溶胶吸湿增长不仅会通过大气辐射效应影响气候,还对大气能见度有重要影响。介绍了气溶胶粒径吸湿增长与散射吸湿增长的概念,总结了测量气溶胶吸湿增长的方法,分析了粒径、化学组分、污染条件和混合状态对吸湿性的影响。结果表明:气溶胶的吸湿增长会使颗粒物含水量增多,改变气溶胶消光能力,从而对大气能见度以及气溶胶辐射强迫造成影响。未来,建议着重关注高相对湿度(相对湿度大于95%)下的气溶胶吸湿增长,加强气溶胶吸湿增长的垂直观测研究,并广泛开展吸湿和脱水2种环境下的气溶胶散射吸湿增长的测量和研究。

中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究

1999年 6月 2 8日～ 7月 1 9日在敦煌场 ,7月 2 5日～ 7月 31日在青海湖水面场进行了一次大规模综合野外测量试验 ,其中采用 3台先进的法国CIMEL太阳辐射计对两个场地大气光学特性进行了系统全面测量 ,获得大量晴空天气条件下的大气光学数据。利用Langley法处理气溶胶通道数据得到气溶胶光学厚度及其光谱变化。测量结果显示 550nm波长平均气溶胶光学厚度分别为 0 .1 2、0 .1 8,由气溶胶光学厚度的波长变化得到气溶胶Junge参数分别为 2 .6、3.0 ,并与几种典型气溶胶类型比较。结果表明两地在晴空天气里 ,气溶胶含量较小 ,符合遥感卫星传感器辐射定标的大气条件。

北京地区大气气溶胶光学特性及其直接辐射强迫的研究

利用2003年9月至2004年12月天空辐射计观测数据初步反演得到北京地区大气气溶胶光学特性的参数,包括:500nm大气气溶胶光学厚度,Angstrom波长指数,单次散射反照率和粒子谱分布的季节变化特征.将反演得到的结果代入辐射传输模式,计算北京地区大气层顶和地面在晴空条件下大气气溶胶的辐射强迫,并分析了其季节变化特征.

一次浮尘过程气溶胶光学特性及其辐射效应的研究

利用激光雷达对2006年6月17日出现浮尘天气进行观测,反演分析浮尘天气气溶胶消光系数特征,并将其消光系数放入LOWTRAN模式中模拟了大气长波冷却率。结果表明:浮尘刚出现时沙尘的消光系数较小,其峰值在地面附近,相应光学厚度也较小。浮尘发展时沙尘的消光系数增大,沙尘粒子慢慢从地面上升至高空,边界层高度达1 500 m左右,边界层内部沙尘气溶胶充分混合,消光系数趋于一致,光学厚度最大达0.41;17日浮尘期间(19:00—23:00),2 200 m以下20:00 h和21:00 h冷却率较其它时刻大,这两个时刻的沙尘浓度也较大;有浮尘时长波冷却率较无浮尘时增加,最大增加值在2 250 m的高度层达到0.04 K/h。

天空辐射计观测2006年春季北京地区气溶胶光学特性的研究

利用2006年3～5月天空辐射计观测数据反演得到北京地区春季大气气溶胶光学性质参数,包括大气气溶胶光学厚度(0.5μm)、Angstrm指数、单次散射反射比和粒子谱分布特征。结果表明:北京地区春季气溶胶平均光学厚度0.67,Angstrm指数0.54,单次散射比0.88,粒子吸收性质较弱,粒子谱呈双峰形,以粗粒子为主,粗、细模态粒子粒径分别集中在0.17μm和7.7μm左右。相比2004年此次观测期间气溶胶粒径较大,粒子体积浓度较高,散射作用在其消光特性中的比重略有下降。光学厚度日变化呈单峰型,日间单次散射比随时间逐渐递减,Angstrm指数在上午递减趋势明显,午后变得稳定。对同时观测的天空辐射计与CE-318不同波长光学厚度结果进行比较,结果显示两者得到的光学厚度相关性很好,各波长小时平均结果的相对误差小于7%。

生物质燃烧输送对青藏高原气溶胶光学辐射特性的影响研究

利用青藏高原拉萨(Lhasa)和珠峰(QOMS_CAS)站点地基CE-318太阳光度计观测数据,研究了2012年4月2日至4月5日一次生物质燃烧输送对青藏高原气溶胶光学和辐射特性的影响;并结合卫星遥感产品以及后向轨迹模式分析了本次生物质燃烧输送的可能来源。结果表明:本次气溶胶污染期间Lhasa和QOMS_CAS站点的主要气溶胶类型变为生物质燃烧气溶胶,气溶胶粒子的消光性增大(气溶胶光学厚度(AOD)增大,Lhasa和QOMS_CAS站点AOD最大值分别为0.4和0.29),尺度减小(消光波长指数(EAE)>1.5),吸收性增大(吸收波长指数(AAE)>1.3),细模态粒子体积浓度增大,而细模态粒子峰值半径减小。气溶胶辐射强迫表明此次输送过程使得Lhasa和QOMS_CAS站点的气溶胶对大气顶和地表的降温作用增强,对大气的增温作用也增强。生物质燃烧输送的可能来源为南亚的印度东北部,尼泊尔与不丹地区。

基于观测的沈阳市气溶胶光学特性对J[NO_(2)]、J[O^(1)D]的影响

文章基于2018年11月—2021年10月沈阳市大气复合污染立体监测超级站颗粒物光学特征观测数据、光解光谱仪观测数据及11个国控点位PM_(2.5)及O_(3)浓度数据,分析了沈阳市气溶胶光学特性及其对光化学反应的影响。结果表明,沈阳市PM_(2.5)的散射系数、吸收系数均呈冬季>秋季>春季>夏季的特征。秋季以散射型气溶胶为主,而夏季吸收型气溶胶的占比有所增加。夏、秋、冬季气溶胶粒子以细模态粒子为主;春季污染由粗模态和细模态的粒子共同导致。当PM_(2.5)>150时,J[NO_(2)]、J[O^(1)D]的最大值分别为0.005 s^(-1)、1.45e-5s^(-1),较PM_(2.5)≤35时,分别减少了16.3%和35.3%。当SSA一定时,J[NO_(2)]、J[O^(1)D]随AOD的增加而减小,二者间存在负相关关系。其中SSA≈1.0时(气溶胶为强散射型气溶胶),二者的相关性最显著。当AOD一定时,J[NO_(2)]、J[O^(1)D]随SSA的增加而增加,但二者无显著相关性。

天空辐射计观测反演北京城区气溶胶光学特性

利用2018年10月-2019年9月天空辐射计观测数据反演北京城区气溶胶光学特性参数,重点分析污染过程中气溶胶光学特性与气象条件的相关性。结果表明:500 nm气溶胶光学厚度在2-7月较大,最高值出现在6月,为0.71。单次散射反照率最高值出现在8月,为0.96;最低值出现在5月,为0.89。440~870 nm Angstrom波长指数最高值出现在夏季,为1.11;最低值出现在春季,为0.89。统计发现污染日数仅占总日数的17%,其中62%为轻度污染;污染和清洁天气条件下PM2.5浓度分别为107.22μg·m^-3和47.16μg·m^-3,500 nm气溶胶光学厚度分别为0.85和0.49,单次散射反照率分别为0.96和0.92;冬季Angstrom波长指数在污染天气条件下(1.02)大于清洁天气(0.91),春季相反。结合天空辐射计、激光雷达和气象数据分析2019年1月一次污染事件,可知低风速与高湿度等不利气象条件、气溶胶粒子的吸湿增长和二次转化、污染物局地排放及区域输送共同导致污染事件发生。

烟炱气溶胶的光学辐射特性研究

烟炱气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,它能直接或间接地影响地-气辐射平衡,进而对全球气候产生重大影响.目前,关于烟炱气溶胶光学性质的研究已经成为气溶胶科学中的前沿和热点课题,对其进行系统的实验室研究可以为更好地分析和认识外场观测结果提供基础,并为数值模式模拟研究提供准确的基本参数.本文简要介绍了烟炱气溶胶的来源和分类,重点阐述了其气候效应、光学性质的影响因素以及相关的实验室研究,并对相应的研究手段进行了总结.在此基础上还提出了当前主要的科学问题,同时也对未来这一重要领域的研究前景进行了展望.

近十年北京气溶胶光学特性及直接辐射强迫研究

利用SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)辐射传输模式,结合AERONET(Aerosol Robotic Network)北京站观测的气溶胶光学特性数据,评估北京地区近十年气溶胶以及黑碳气溶胶的辐射强迫,主要研究结果如下:北京近十年气溶胶平均光学厚度(aerosol optical depth,AOD440nm)为0.61±0.56,Ångström波长指数均值为1.09,单次散射反照率(single scattering albedo,SSA440nm)的均值为0.888±0.045;AOD呈现下降趋势,SSA呈上升趋势,表明该区域气溶胶污染有所改善。晴空条件下,大气层顶、地面和大气的气溶胶直接辐射强迫多年均值分别为−24.91±19.80 W m^(−2)、−65.52±43.78 W m^(−2)、40.61±28.62 W m^(−2),即气溶胶对大气层顶和地表为冷却效应,对大气产生加热作用。气溶胶和黑碳气溶胶的直接辐射强迫绝对值的年际变化表现为微弱的下降趋势,季节变化特征为春夏季高,冬季低,这与AOD的变化规律一致。并且黑碳气溶胶的直接辐射强迫下降趋势与SSA的上升趋势呈现较好的反位相关系。

温度对平流层气溶胶光学常数及辐射特性的影响

本文阐述平流层气溶胶的光学常数在不同温度下取值时,用Mie散射理论对不同浓度的平流层气溶胶红外波段的辐射特性进行的计算和分析。分析结果表明:在卫星遥感中,由温度引起的平流层气溶胶光学常数的变化对某些红外波段的平流层气溶胶辐射特性的影响是不容忽视的。

黄海、东海上空春季气溶胶光学特性观测分析

2003年春季国家卫星海洋应用中心等几家单位在黄海和东海海区进行了为期40d的二类水体信息测量试验，试验中使用手持太阳辐射计对海区上空大气光学特性进行了观测，并获得了大量晴空天气条件下的大气光学数据．利用本次试验获取的测量数据得到了黄海、东海海区春季的大气气溶胶光学特性，其中包括气溶胶光学厚度和气溶胶粒子谱分布．采用Langley方法对测量得到的太阳直射辐射量进行处理得到了海区上空气溶胶光学厚度，利用得到的气溶胶光学厚度来反演气溶胶粒子谱分布．反演结果表明无云情况下黄海、东海上空的气溶胶光学厚度在0．2～0．4左右，且气溶胶粒子谱分布的变化趋势也很接近；海区上空霾层较厚时测量得到的气溶胶光学厚度明显增大，最大接近0．8；气溶胶粒子谱分布的变化趋势发生了明显的变化．

北京春季大气气溶胶光学特性研究

为了解北京春季气溶胶光学特性,利用AERONET Level 2.0数据资料研究了2010~2014年北京市春季大气气溶胶光学参数,以晴空作为背景,比较分析了春季及沙尘期间大气气溶胶光学性质的差异.研究发现,北京春季与沙尘期间粗粒子消光占总消光的28%和59%,沙尘期间粒子吸收仅占消光的11.4%,说明沙尘天气发生时以粗粒子消光为主且吸收作用弱.沙尘天气溶胶光学厚度呈现出高值,其值为春季平均值的1.7倍.Angstrom波长指数在沙尘期间远小于非沙尘期间,且有85%小于0.6.北京春季体积尺度谱以粗模态峰为主,其中沙尘天粗模态的体积浓度为0.81μm^3/μm^2明显大于春季的值(0.25μm^3/μm^2).沙尘期间单次散射反照率随波长增加递增,在波长440~1020nm间的平均值大于春季均值.复折射指数实部在沙尘过程的平均值达到1.51(440nm),春季均值为1.48(440nm),表明沙尘气溶胶的散射能力更强;复折射指数虚部随波长增大呈减小趋势,且春季平均值大于沙尘期间的值.沙尘期间辐射强迫大于春季值,并远高于春季晴空条件下均值.

南京一次典型雾霾天气气溶胶光学特性

利用太阳光度计测得的直射太阳辐射和天空扫描数据，对南京北郊2010年冬季一次雾疆天气过程中气溶胶的光学特性进行了反演研究．研究表明，雾霾影响期间气溶胶光学厚度（AOD）明显增加，在1020，870，675，440nm四个波段上雳霾前AOD为0．16-0．43，雾霾影响期间为0,31-0．84，雾霾后为0．19～0．48；本次雾霾天气的局地气溶胶散射能力增强，单次散射反照率（ssA）由发生前的0．8-0．86增大到发生时的O．89-0.91。而复折射指数的虚部降低，气溶胶的吸收能力明显减弱；雾霾过程伴随了大尺度气溶胶的导入，同时也有人为排放的贡献．其中雾霾影响期间粗粒子模态的体积浓度是发生前的2．5倍，细粒子浓度也比发生前增长了90％．

地基多波段遥感西藏当雄地区气溶胶光学特性

根据 1 998年 5、 6月份在西藏当雄地区进行的为期两个月的气溶胶地面多波段观测结果 ,讨论了仪器的定标、气溶胶光学特性及其变化规律 ,并反演了粒子谱分布。结果表明 ,当雄地区气溶胶光学厚度较小 ,光学厚度与大气相对湿度呈正相关。干季气溶胶光学厚度日变化大 ,光学厚度最小值出现在中午前后 ,而湿季日变化相对要小 ,光学厚度也小于干季。反演的粒子谱符合干洁大陆气溶胶的特性。

北京一次严重雾霾过程气溶胶光学特性与气象条件

对北京地区2013年10月2～7日一次严重雾霾过程中的气溶胶光学特性开展研究,分析了气象条件对雾霾过程的影响,并结合HYSPLIT模型分析污染物的来源.结果表明,在污染天气中气溶胶光学厚度、？ngstr？m波长指数、细模态体积尺度谱峰值浓度远高于清洁天.10月5日雾霾最为严重,440nm波长处气溶胶光学厚度高达3.89.在雾霾发生前后,单次散射反照率日均值随波长增大而增大,而在10月5日,单次散射反照率值随波长增加先增大后减小,在675nm波长处达到最大值0.965.雾霾过程中大气气溶胶以强散射型细粒子为主,人为因素贡献较大,且受气象条件影响明显.