基于AERONET和OMI数据分析中国北方典型地区气溶胶单次散射反照率的变化趋势

气溶胶单次散射反照率(SSA)表征气溶胶吸收特性,很大程度上决定了气溶胶辐射强迫的正负,对准确评估气候变化中的气溶胶辐射强迫具有重要意义。根据2004年10月至2016年12月地基AERONET(AERosol RObotic NETwork)和OMI(Ozone Monitoring Instrument)卫星数据,分析了中国北方典型地区(北京、香河、兴隆和兰州郊区)SSA的变化趋势以及两组数据的一致性。4个站AERONET和OMI的SSA年均值分别为:北京0.89±0.04和0.90±0.04,香河0.89±0.04和0.91±0.04,兴隆0.92±0.04和0.91±0.04,兰州0.91±0.04和0.90±0.04。4个站点SSA季节变化一致,夏季高冬季低。SSA年际变化趋势分析时,因有效数据较少且为非正态分布,用月中位数代替月均值,同时需对数据进行筛选和去季节变化,结果显示北京和香河均有地基和卫星有效数据时间尺度不同的情况,而兴隆OMI和兰州AERONET满足趋势分析要求。在研究期间,4站SSA均呈上升趋势,说明近年来中国北方气溶胶的吸收性减弱,散射特性增强,尤其北京四季地基和卫星数据均呈上升趋势,但香河秋冬吸收性增强。同时,对AERONET和OMI两种反演算法得到的SSA一致性进行分析。香河结果差异较大,仅30%的数据在误差±0.03的范围内,55%在±0.05的范围内;北京分别为46%(±0.03)和68%(±0.05),兴隆分别为50%(±0.03)和76%(±0.05),兰州数据一致性较好,分别为51%(±0.03)和86%(±0.05),总体来说是受人为活动影响比较明显的地区,数据一致性较差。

中国地区AERONET站点数据的使用概述

AERONET气溶胶观测数据对于卫星遥感气溶胶数据的验证和评估有着重要意义。本文梳理了中国地区AERONET站点的分布情况,统计了中国境内具有level2.0的AOD数据的时空分布,介绍了中国主要AERONET站点AOD数据的可获得性以及加密观测的情况。并回顾了近期中国地区AERONET主要站点数据的使用情况以及有代表性的研究结果。统计结果发现中国地区已有研究使用的AERONET二级AOD数据主要集中在SACOL站、北京站、香河站、兴隆站、太湖站等观测时间序列超过3年的AERONET站点。研究领域涉及中国气溶胶光学特性研究鉴定、卫星反演及数值模式产品的验证和评估、环境和辐射效应的研究等多个方面。

Using MAN and Coastal AERONET Measurements to Assess the Suitability of MODIS C6.1 Aerosol Optical Depth for Monitoring Changes from Increased Arctic Shipping

Collocated data of the moderate resolution imaging spectroradiometer (MO-DIS) Collection 6.1 aerosol optical depths (AOD) at 3 km × 3 km north of 59.9°N over ocean were assessed at 550 nm by aerosol robotic network (AERONET) data from coastal sites and marine aerosol network (MAN) data from vessels during June to October 2006 to 2018. Typically, MODIS AOD was higher at low and lower at high values than the AERONET AOD. Discrepancies were largest for sites where the Earth’s surface around the site is very heterogeneous (Canadian Archipelago, coast of Greenland). Due to the higher likelihood for sea-ice, MAN and MODIS AOD differed stronger west of Greenland and over the Beaufort Sea than at location in the Greenland and Norwegian Seas and Atlantic. MODIS AOD well captured the inter-seasonal variability found in the AERONET AOD data (R = 0.933). At all sites, MO-DIS and AERONET AOD agreement improved as time progressed in the shipping season, hinting at errors in sea-ice vs. open water classification. Overall 75.3% of the MODIS AOD data fell within the limits of the error envelops of the AERONET/MAN AOD data with MAN ranging between 87.5% and 100%. Changes in both MODIS and AERONET mean AOD between two periods of same length (2006-2011, 2013-2018) were explainable by changes in emissions for all sites.

基于CALIPSO数据的沿海区域气溶胶光学特性时空特征

气溶胶可以直接和间接地影响大气辐射,从而对全球气候产生重要影响。利用AERONET地基气溶胶光学厚度观测数据对CALIPSO气溶胶光学厚度数据进行验证,并利用2010年3月至2020年2月的CALIPSO Level 2数据产品分析了沿海区域及两个典型区域(京津区域和珠江三角洲区域)气溶胶光学特性时空分布,通过分析气溶胶光学厚度、消光系数、退偏比和色比得到沿海区域及两个典型区域气溶胶光学特性的变化特征。结果表明:①沿海区域气溶胶光学厚度存在明显的时空分布特征及季节变化规律,整体呈现北高南低的分布;沿海区域北部气溶胶光学厚度夏季最大,南部春季最大,南、北部夏季气溶胶光学厚度差值最大。②沿海区域北部的天津及河北中部气溶胶消光系数较大,消光范围主要集中在4 km以下,气溶胶色比及退偏比较大;沿海区域中部秋季和冬季气溶胶消光系数高值范围大于沿海区域北部;沿海区域南部气溶胶消光系数四季都较小,消光范围主要集中在2 km以下,气溶胶退偏比较小,但气溶胶色比较大。③京津区域气溶胶光学厚度总体高于珠江三角洲区域;京津区域夏季气溶胶光学厚度平均值最大,珠江三角洲区域春季气溶胶光学厚度平均值最大;两个典型区域气溶胶光学厚度整体呈下降趋势。④京津区域每年消光系数都偏大,消光系数高值集中于夏季,2017年气溶胶消光系数开始逐渐减少,气溶胶退偏比及色比相对较大,两者随着高度的增加大体上也呈现增加趋势,该区域主要以非球形大颗粒气溶胶为主;珠江三角洲区域气溶胶消光系数整体小于京津区域,春季气溶胶消光系数较大,气溶胶退偏比较小,粒子偏球形,但气溶胶色比较大,说明粒子颗粒比较大。

卫星和地基遥感观测资料约束下的核-壳态气溶胶光学特性模拟研究

针对结合星地观测与模型定量模拟消光性气溶胶光学特性及黑碳质量空间分布这一热点问题,利用TROPOMI卫星紫外波段观测数据与AERONET地基观测数据,基于“核-壳”假设下的米散射模型提出了一种准确量化黑碳气溶胶质量空间分布的模拟方法,并对北京、中国香港、首尔三个站点的模拟结果进行分析与验证。多源数据约束后米散射模型模拟得到的结果显示:北京的吸收系数在0.04~0.13之间,中国香港的吸收系数整体小于0.08,首尔的吸收系数介于0.02~0.06之间。计算得到的黑碳气溶胶柱内质量空间分布结果显示:北京站黑碳气溶胶柱内质量在200~600 kg/grid之间,中国香港站黑碳气溶胶柱内质量在180~650 kg/grid之间,首尔站黑碳气溶胶柱内质量在300 kg/grid以下。结合卡尔曼滤波排放清单与一阶箱模型对黑碳气溶胶柱内质量结果进行间接验证,计算得到的黑碳气溶胶生命周期为1~4 d不等,符合其在大气中的真实状态,说明结果具有一定可靠性。通过对比加入TROPOMI紫外波段卫星观测数据前后对模型进行约束得到的粒径分布及吸收系数结果的差异发现:加入紫外波段观测数据对模拟结果具有一定增强作用。所提方法模拟结果良好,方案具有一定应用潜力。

气溶胶大气辐射校正区域性分析

针对使用6S模型中标准气溶胶模型进行大气辐射校正时结果较差的问题,该文提出使用实测气溶胶模型代替其进行计算。利用AERONET数据产品分析了香河、榆中等部分站点的气溶胶成分及其区域性分布特点,证明了中国气溶胶的成分具有明显的区域特性;并对6S模型中标准气溶胶模型与香河地基观测气溶胶光学参数进行比较,结果表明,两者具有较大的差异;最后使用不同的气溶胶模型校正Landsat5TM影像,结果表明,采用实测气溶胶数据进行大气辐射校正结果较优。