大氣氣溶膠直接輻射強迫研究.pdf

1、日益嚴(yán)重的大氣氣溶膠污染不僅直接危害環(huán)境，而且直接或間接影響局地和全球氣候。氣溶膠吸收和反射太陽輻射，減少到達地面的輻射能量，從而改變了地面與低層大氣的能量收支。氣溶膠直接輻射強迫和與此相關(guān)聯(lián)的大氣污染和大氣邊界層問題，引起很多學(xué)者的關(guān)注。而氣溶膠輻射強迫的不確定性比較大，為了減少氣溶膠輻射強迫的不確定性，使計算得到的數(shù)值更客觀更準(zhǔn)確，本文分析了二、四、八流近似計算輻射強迫的精度，氣溶膠垂直分布對輻射強迫計算的影響，氣溶膠單次散射反照率

2、和非對稱因子對輻射強迫的影響。在此基礎(chǔ)上利用在香河大氣氣溶膠觀測站觀測的氣溶膠資料，以及北京、香河、興隆、敦煌AERONET觀測到得氣溶膠資料，研究了不同地點氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的特點和差別，以及造成的瞬時直接輻射強迫的特點和差別。得到的主要結(jié)論如下：
　　 大氣輻射傳輸方程的計算過程中不同流數(shù)的近似計算得到的凈輻射通量密度是有差別的：當(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度為3的時候，二流近似和四流近似計算地面凈輻射通量密度誤差分別為31.58Wm-2和-

3、14.8Wm-2，在大氣層頂?shù)恼`差分別為-20.52Wm-2和-21.03Wm-2，而八流近似就算地面和大氣層頂凈輻射通量的誤差分別為：0.39Wm-2和0.35Wm-2。因此采用八流近似計算得到氣溶膠輻射強迫是較為精確的。在一般情況下，不同的氣溶膠垂直分布對地面的凈輻射通量密度影響不明顯，而對大氣層頂處的凈輻射通量密度的影響較為顯著，其影響大小可以和單位氣溶膠光學(xué)厚度對大氣層頂處凈輻射通量密度的影響相當(dāng)。
　　 北京、香河、興

4、隆三地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度和AE指數(shù)的季節(jié)變化都比較明顯：春季氣溶膠包含較多的粗粒子，與春季相比，其他季節(jié)包含較多的細(xì)粒子。這是因為我國春季是沙塵暴的多發(fā)季節(jié)，還有春季風(fēng)大造成局地的揚塵也是春季氣溶膠中粗粒子增加的原因之一。其他季節(jié)，污染比較小的時候，氣溶膠AE指數(shù)也有非常小的數(shù)值，說明局地?fù)P塵也是氣溶膠的成分之一。在污染比較嚴(yán)重的時候，隨著氣溶膠光學(xué)厚度的增加氣溶膠AE指數(shù)是降低的，即氣溶膠光學(xué)厚度和氣溶膠的Angstrom指數(shù)都成很好的

5、反相關(guān)系，但是其AE指數(shù)的絕對值較春季要大，說明其他季節(jié)氣溶膠粒子中含細(xì)粒子的比例較春季要大。敦煌地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度和氣溶膠AE指數(shù)呈指數(shù)分布，說明敦煌地區(qū)氣溶膠主要是由沙塵氣溶膠組成的。
　　 北京、香河、興隆、敦煌四個地區(qū)氣溶膠單次散射反照率為別為0.89，0.90，0.93，0.97。說明北京地區(qū)的氣溶膠吸收性質(zhì)最強，敦煌地區(qū)的氣溶膠吸收最弱。四個地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度分別為0.70，0.63，0.26，0.41。說明北京地

6、區(qū)的污染最為嚴(yán)重，而興隆地區(qū)空氣最清潔。四個地區(qū)氣溶膠非對稱因子分別為0.65，0.65，0.63，0.72。說明興隆地區(qū)的氣溶膠含細(xì)粒子比較多，前向散射最弱，敦煌地區(qū)的氣溶膠含粗粒子比較多，前向散射最強。
　　 結(jié)合香河觀測站AERONET氣溶膠觀測資料和SBDART輻射傳輸模式，模擬了晴空條件下的太陽直接輻射、散射輻射、向下總輻射以及光合有效輻射(PAR)，并同觀測結(jié)果進行比較。結(jié)果表明：模擬值和觀測值相比絕對誤差分別是：4

7、.43 Wm-2、5.74 Wm-2、5.91 Wm-2、2.39 Wm-2相對誤差分別是：1.18％、3.09％、7.12％、1.71％。
　　 北京、香河、興隆、敦煌在觀測期間地面平均氣溶膠輻射強迫分別為：-83.97 Wm-2，-69.74 Wm-2，-44.85 Wm-2，-34.99 Wm-2，四個地區(qū)差別明顯。代表氣溶膠吸收能力的大氣層內(nèi)的平均氣溶膠輻射強迫分別為：58.87 Wm-247.757 Wm-2、18.8

8、47 Wm-2、22.797 Wm-2，說明了北京地區(qū)大氣層內(nèi)的氣溶膠平均輻射強迫對大氣層的加熱作用最大，香河次之，最小為興隆地區(qū)。四個地區(qū)差別比較明顯。四個地區(qū)大氣層頂平均氣溶膠輻射強迫分別為：-25.11 Wm-2，-22.00 Wm-2，-16.56 Wm-2，-22.07 Wm-2，差別比較小。
　　 氣溶膠輻射強迫效率同氣溶膠的光學(xué)厚度、氣溶膠單次散射反照率、太陽天頂角有關(guān)，相同條件下隨著太陽天頂角的增加，氣溶膠輻射強

9、迫效率是降低的。相同條件下四個地區(qū)的平均氣溶膠輻射強迫效率同氣溶膠單次散射反照率成反比，氣溶膠單次散射反照率越小，輻射強迫效率越大。因此在同樣天頂角范圍內(nèi)北京地區(qū)輻射強迫效率最大，香河次之，興隆和敦煌地區(qū)比較小。同樣氣溶膠光學(xué)厚度下氣溶膠單次散射反照率越強輻射強迫就越小，非對稱因子越大輻射強迫也越小。在這四個地區(qū)，隨著氣溶膠光學(xué)厚度的增加氣溶膠的單次散射反照率、氣溶膠非對稱因子也是增加的，因此氣溶膠輻射強迫效率隨著氣溶膠光學(xué)厚度的增加是

10、降低的，所以說氣溶膠輻射強迫效率同氣溶膠光學(xué)厚度的大小有關(guān)。
　　 不同天氣的輻射強迫和氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的對比來看，霾、霧天氣的污染主要是城市氣溶膠，以細(xì)粒子為主；沙塵天氣的污染，氣溶膠以粗粒子為主，兩者對輻射的影響是不一樣的；霾、霧天氣的城市氣溶膠吸收性更強，而沙塵氣溶膠的散射性強。氣溶膠性質(zhì)的不同主要是氣溶膠源區(qū)不同造成的。
　　 北京地區(qū)2001年到2009年年平均氣溶膠光學(xué)厚度有降低趨勢：由2001年的0.95逐漸

11、降低到2009年的0.43。2001年到2008年年平均氣溶膠輻射強迫也是逐漸降低的，2001年年平均氣溶膠輻射強迫在地面、大氣層頂、整層大氣分別為：-114.58Wm2、-30.66Wm2、83.92 Wm2；2008年年平均氣溶膠直接輻射強迫在地面、大氣層頂、整層大氣分別為：-74.54 Wm2、-27.43 Wm2、47.11 Wm2，降低非常明顯。
　　 香河地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度變化相對來說要弱一些，不過變化趨勢也是降低的

12、，其光學(xué)厚度從2001年的0.63降低到2008年0.44；2001年年平均氣溶膠直接輻射強迫在地面、大氣層頂上、大氣層內(nèi)直接輻射強迫分別為-79.92Wm2、-29.12Wm2、50.79 Wm2；2008年年平均氣溶膠直接輻射強迫在地面、大氣層頂、整層大氣分別為：-53.95 Wm2、-21.04 Wm2、32.9 Wm2，降低也是明顯的。
　　 北京地區(qū)2001年-2008年地面氣溶膠的直接輻射強迫效率是這樣的：當(dāng)太陽天頂

13、角為50-60°時，輻射強迫效率為-119.24 Wm-2τ550-1；當(dāng)太陽天頂角為60-70°時，為-105.83 Wm-2τ550-1；當(dāng)太陽天頂角為70-80°時，為-79.29 Wm-2τ550-1。大氣層頂?shù)膶?yīng)太陽天頂角由小到大的氣溶膠輻射強迫效率分別為：-34.76 Wm-2τ550-1、-34.2Wm-2τ550-16和-32.57 Wm-2τ550-1，三者差別比較小。而大氣層對應(yīng)的氣溶膠輻射強迫效率分別為：84.4

14、9 Wm-2τ550-1、71.57 Wm-2τ550-1和46.72 Wm-2τ550-1，三者差別比較明顯。香河地區(qū)2001年-2009年地面氣溶膠的直接輻射強迫效率對應(yīng)太陽大頂角由大到小分別為-83.22 Wm-2τ550-1，-87.15 Wm-2τ550-1和-74.83 Wm-2τ550-1。在大氣層頂處氣溶膠輻射強迫效率對應(yīng)的斜率分別為：-31.68 Wm-2τ550-1、-31.35 Wm-2τ550-1和-33.73W

15、m-2τ550-1，三者差別比較小。大氣層對應(yīng)的氣溶膠輻射強迫效率分別為：51.54Wm-2τ550-1、55.79 Wm-2τ550-1和41.10 Wm-2τ550-1，三者差別也不大。這同北京地區(qū)在2001年-2008年氣溶膠輻射強迫效率相比，差別比較明顯，香河地區(qū)的氣溶膠輻射強迫效率要小。
　　 MODIS氣溶膠光學(xué)厚度和觀測到氣溶膠光學(xué)厚度相關(guān)性很好，其相關(guān)系數(shù)R2超過96％；不過由MODIS反演的氣溶膠光學(xué)厚度要比觀