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。     

2010—2012年我国西北地区沙尘个例气溶胶特征分析

利用2010—2012年间中国西北地区敦煌、民勤和塔中3个站点的CE-318太阳光度计观测资料,反演获得了气溶胶440 nm波段的大气气溶胶光学厚度（AOD）及440—870 nm波长指数（Alpha）,同时结合Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)卫星L1B产品及环境颗粒物监测仪Tapered Element Oscillating Microbalance(TEOM)观测的PM10数据,挑选出2010—2012年间沙尘天气特征明显的6个日期,并对这6天的气溶胶光学特性、PM10浓度变化特征及沙尘气溶胶来源进行了分析。研究结果表明：MODIS卫星图有明显沙尘天气过境时,当天的AOD值较高,Alpha值则较低,且AOD和Alpha表现出相反的变化趋势。这表明在这3个站点沙尘气溶胶占主导,PM10浓度变化与AOD变化趋势有较好的正相关性。Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory（HYSPLIT）后向轨迹分析表明,气团大多起源于塔克拉玛干沙漠或干旱、半干旱区。     

2006年春季西北地区黑碳气溶胶的观测研究

利用西北地区兰州、敦煌和塔中3个观测站2006年3-5月黑碳气溶胶（black carbon aerosol;BC）的观测资料及相关台站PM10和气溶胶光学厚度（aerosol optical depth;AOD）的观测数据,分析该地区2006年春季BC分布特征。结果表明：兰州地区BC质量浓度均值最高,达2．22μg／m^3,敦煌地区为1．89μg／m^3,塔中地区为2．07μg／m^3,低于北京、上海和珠三角等地区,高于瓦里关本底站观测值。BC的日变化具有明显的峰值峰谷特征,一般在12：00—14：00质量浓度低,08：00前后和20：00前后质量浓度较高,这主要取决于其源的日变化及其在近地层中的湍流交换以及大气稳定度的日变化等。表明西北地区BC与PM10的相关性非常小,相关性最好的塔中地区总体小时观测值的相关性仅为0．24,BC主要来自当地的人类活动,PM10的主要成份是沙尘气溶胶;由于沙尘气溶胶对辐射也具有一定的吸收特性,当出现沙尘天气时,BC的测量值受其影响将增加50％以上：大量的沙尘中也携带了少量BC．但其所占比例有限。     

使用6S模型由GMS5卫星资料反演陆地大气气溶胶光学厚度

采用每日08、11、14、17时（北京时）地面气象观测资料、卫星资料，应用6s辐射传输模型（second simulation of satellite signal in the solar spectrum）建立一幅晴空条件下4个时次的大气辐射参数背景底图。利用辐射传输理论，在辐射参数（背景底图上）与大气气溶胶光学厚度（aerosol optical depth，AOD；任意一天与背景底图同时次）之间建立了闭合一元非线性方程，求解方程得到晴空条件下陆地大气气溶胶光学厚度。选用一月内的GMS5-VISSR可见光通道资料，按上述方法得到选定时间段内的每日08、11、14和17时北京气象观测站位置处的550nm晴空大气气溶胶光学厚度。反演得到的晴空AOD值可以反映1个月内气溶胶光学厚度的日变化规律。另外，在中国大陆范围内划定反演试验区域，选择试验区域内的气象站所在位置为反演点，制作底图，并求算2002年5月1-17日、7月13日-8月14日站点位置的AOD。由站点值插值到整个反演试验区域内，所得结果反映出任意时次反演试验区内的气溶胶空间分布情况。     

不同污染条件下气溶胶对短波辐射通量影响的模拟研究

将高光谱分辨率的气溶胶光学参数化方案应用于高精度的辐射传输模式BCC_RAD（974带）中,研究不同污染状况下气溶胶在地表与近地层大气中造成的直接辐射强迫与辐射强迫效率。发现气溶胶在地表产生的直接辐射强迫为负,在近地层大气中产生的直接辐射强迫为正,且随气溶胶浓度的升高变大,说明大气气溶胶的含量越高,单位气溶胶光学厚度产生的直接辐射强迫越大。将短波划分为3个波段:紫外、可见光和近红外,发现在紫外、可见光和近红外波段中,不同污染状况下气溶胶在地表造成的直接辐射强迫范围分别为:-1.36—-13.66、-3.03—-32.41和-2.74—-28.62 W/m2,在近地层大气中产生的直接辐射强迫范围分别为0.44—4.26、0.99—9.80和0.93—8.87 W/m2。通过进一步对比自然和人为气溶胶的影响,发现人为气溶胶在地表和大气层顶产生的负直接辐射强迫以及对整层和近地面大气造成的正直接辐射强迫均大于自然气溶胶的影响,且上述两种排放源的气溶胶对整层大气辐射收支的影响主要集中在800 hPa高度以下的大气中。按照地表直接辐射强迫大小来分析不同种类气溶胶的影响,结果为硫酸盐>有机碳>黑碳>海盐>沙尘;按照近地层大气直接辐射强迫大小排序则为黑碳>有机碳>沙尘>海盐>硫酸盐。最后,通过分析散射型气溶胶与吸收型气溶胶对辐射通量的影响,还探究了大气中散射与吸收过程的异同。      

气溶胶-气候耦合模式系统BCC_AGCM2.0.1_CAM气候态模拟的初步评估

本文讨论了国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1和加拿大气溶胶理化模式CAM所组成的耦合模式系统对5种典型气溶胶(硫酸盐、黑碳、有机碳、沙尘和海盐)和气候要素的模拟效果。结果表明,耦合系统对5种典型气溶胶的模拟总体上比较合理,尤其是对硫酸盐、沙尘和海盐的模拟比BCC_AGCM2.0.1原有的月平均气溶胶资料有很大的改进。耦合系统模拟的全球平均气候态参量与观测/再分析资料比较一致,在总云量、陆地表面温度和降水等方面要略优于原月平均气溶胶资料的模拟结果。耦合系统对沙尘和海盐气溶胶模拟的改进使得撒哈拉沙漠和南半球中纬度海洋大气顶净太阳辐射的模拟也有所改进,而这将直接影响地表温度尤其是陆地表面温度。而不同气溶胶方案在赤道海洋上引起的云反馈不仅引起辐射的改变,还将对降水产生明显影响。     

2006年中国地区大气气溶胶浓度分布特征的模拟研究

结合2006年最新的气溶胶排放源资料,以NCEP/NCAR再分析资料为气象场,驱动大气化学传输模式MATCH（Model of Atmospheric Transport and Chemistry）,模拟了2006年中国地区硫酸盐、黑碳和沙尘气溶胶的质量浓度分布及其季节变化。模拟的气溶胶光学厚度（AOD）结果与CSHNET观测网数据比较分析后发现,基于21个观测站的61组月平均数据与相应模拟结果的相关系数为0.63。模拟结果表明：2006年中国地区硫酸盐气溶胶高值区主要分布在中国的四川盆地、华北及长江流域等工业较发达地区,而且具有明显的季节变化,四川盆地及长江以南地区,硫酸盐气溶胶1月份浓度高于7月份,长江以北的大部分地区,7月份浓度高于1月份;黑碳气溶胶主要分布在黄河、长江中下游地区及华南等地区,1月份浓度高于7月份;沙尘气溶胶主要分布在内蒙古中部沙漠地区,4月份浓度最高,7月份次之,其他月份较少。     

全球不同类型气溶胶光学厚度的时空分布特征

利用MERRA-2(第2版现代研究与应用再分析)资料分析了1980-2017年全球硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐、沙尘及总气溶胶光学厚度的时空分布特征;选取了北美、北非、南非、印度、中国和印度洋6个典型区域研究了硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶对总气溶胶光学厚度的贡献率。结果表明,硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶在全球非均匀分布,并且具有季节变化;全球总气溶胶的光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)在夏季最大(0.137),春季次之(0.130),冬季最小(0.118);在6个典型区域里,北非地区总气溶胶的光学厚度最大,为0.43;其次是中国的东部地区,为0.41;每个区域其主要气溶胶的类型并不相同,在北美、中国东部及印度中部地区,硫酸盐是主导的气溶胶类型,贡献率分别为66%,63%和42%,在印度洋、南非及北非地区,海盐、有机碳和沙尘分别是最主要的气溶胶类型,贡献率分别为65%,51%和82%;对于黑碳、硫酸盐和总气溶胶,中国东部地区和印度中部地区有较为明显的增长趋势,其中总气溶胶光学厚度的线性增长率分别为0.007 a^-1和0.0056 a^-1,但在2010年以后,中国东部地区出现明显的下降。     

利用激光雷达观测资料研究兰州气溶胶光学厚度

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2006—2011年晴空无云时激光雷达（CE-370—2）资料,结合2006年12月至2007年5月多波段太阳光度计（CE-318）资料,对比验证了激光雷达资料的反演结果,并分析了兰州地区气溶胶光学厚度的分布特征。结果表明：激光雷达反演得到的光学厚度与光度计观测得到的光学厚度,两者具有较好的相关性,相关系数为0．86。兰州地区气溶胶光学厚度3—5月和11-12月较大,主要原因是3—5月是当地沙尘频发期,11—12月是居民集中采暖期,沙尘排放和燃煤排放显著增加了大气气溶胶光学厚度。气溶胶光学厚度6～10月偏小,湿沉降清除是主要的影响因素。光学厚度季节分布为春季0．42,冬季0．36,秋季0．30,夏季0．21。光学厚度频数分布于0．0～0．3的最多,占总数的一半,且存在季节差异。兰州上空夏季干净,春季浑浊,冬季次浑浊。     

FY-3A/MERSI、MODIS C5.1和C6气溶胶光学厚度产品在中国区域与地面观测站点的对比分析

准确获取气溶胶光学厚度对于气候变化研究和大气环境监测具有重要意义。通过波长插值和时空匹配方法,利用气溶胶自动观测站网（AERONET）观测的气溶胶光学厚度（AOD）对风云3A/中分辨率光谱成像仪（FY-3A/MERSI）、Terra（Aqua）/MODIS的C5.1（Collections 5.1）和C6（Collections 6）气溶胶光学厚度产品在中国区域的反演精度进行验证分析。结合一次发生在中国境内的沙尘天气与一次严重雾霾天气个例,分析上述卫星气溶胶光学厚度的分布特征。研究结果表明,（1）FY-3A/MERSI AOD的反演精度较高（R=0.887,RMSE=0.234）,其值低于AERONET的观测值（Bias=-0.293）。（2）在不同的下垫面下,各种卫星暗像元算法AOD产品反演精度有差异,植被覆盖情况越好,反演精度越高,而植被很少的地区,即亮地表甚至没有反演值。（3）MODIS C5.1深蓝算法产品能在亮地表地区反演AOD,但效果不佳。MODIS C6中的深蓝算法产品在不同下垫面的反演精度都很高（RMSE为0.096-0.127）。（4）在不同季节的对比中,各种卫星AOD产品在夏季的反演精度最差,而反演最好的季节各有不同。（5）在一次沙尘天气污染与一次严重雾霾天气个例中,中国西部与北部区域,MODIS C6深蓝算法AOD的监测效果优于其他算法AOD;MERSI AOD产品在此区域的分布不连续。总体而言,MODIS C6 AOD分布比MODIS C5.1产品连续,MODIS 3 km产品在相同区域的AOD值高于其他产品。以上结论可为卫星AOD产品在中国区域的使用提供参考。      

A global satellite view of the seasonal distribution of mineral dust and its correlation with atmospheric circulation

Aerosols make a considerable contribution to the climate system through their radiative and cloud condensation nuclei effects, which underlines the need for understanding the origin of aerosols and their transport pathways. Seasonal distribution of mineral dust around the globe and its correlation with atmospheric circulation is investigated using satellite data, and meteorological data from ECMWF. The most important sources of dust are located in North Africa, the Middle East and Southwest Asia with an observed summer maximum, and East Asia with a spring peak. Maximum dust activity over North Africa and the Middle East in summer is attributed to dry convection associated with the summertime low-pressure system, while unstable weather and dry conditions are responsible for the spring peak in dust emission in East Asia. Intercontinental transport of mineral dust by atmospheric circulation has been observed, including trans-Atlantic transport of North African dust, trans-Pacific transport of Asian dust, and transport of dust from the Middle East across the Indian Ocean. The extent of African dust over the Atlantic Ocean and its latitudinal variation with season is related to the large-scale atmospheric circulation, including seasonal changes in the position of the intertropical convergence zone (ITCZ) and variation of wind patterns. North African aerosols extend over longer distances across the North Atlantic in summer because of greater dust emission, an intensified easterly low level jet (LLJ) and strengthening of the Azores-Bermuda anticyclonic circulation. Transport of East Asian aerosol is facilitated by the existence of a LLJ that extends from East Asia to the west coast of North America.     

耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟青藏高原地区气溶胶特性

基于新耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟分析了2002-2011年青藏高原地区气溶胶时空分布特征.结果表明:青藏高原地区,沙尘,硫酸盐,碳质气溶胶(包括黑碳,有机碳和混合碳)地表质量浓度分别占比为53.6％,32.2％,14.2％;在拉萨站点,模拟的气溶胶地表质量浓度被低估,尤其是黑碳和有机碳气溶胶;模拟的气溶胶光学厚度(AOD)时空分布与卫星观测结果较为一致,均方根误差和偏差分别为0.081和0.036;由于模式中沙尘排放参数化的不确定性,模式对AOD的模拟效果在夏季和秋季优于春季.     

利用MODIS光学厚度遥感产品研究北京及周边地区的大气污染

对2001年在北京地区利用太阳光度计观测的气溶胶光学厚度和NASA发布的MODIS气溶胶产品进行了比较,验证了这一卫星遥感产品的可靠性;比较了2001年MODIS气溶胶光学厚度(AOD)产品和由空气污染指数(API)计算的每日平均可吸入颗粒物(PM10)浓度,得到了比较高的相关系数,证实该气溶胶产品可用于污染分析.将北京地区AOD与气象能见度观测资料进行比较,得到了不同季节的气溶胶"标高".利用统计的不同季节的气溶胶标高,从光学厚度的季节分布得到了能见度(能见距离)的季节分布.气溶胶光学厚度图像的个例分析表明,除局地排放外,周边区域(主要为西南和南向)的输送对北京市区的空气污染贡献份额较大.卫星遥感气溶胶可以比较直观地再现污染物的区域分布和输送,不仅为研究全球气候变化也为研究区域环境的空气质量提供了一种有效手段.     

Lidar and Sun photometer observations of atmospheric boundary-layer characteristics over an urban area in a mountain valley

We present measurements of the vertical aerosol structure and the aerosol optical depth in the lower troposphere performed above the city of Sofia (an urban area situated in a mountain valley), western Bulgaria by means of a ground-based aerosol lidar operating continuously for a number of years. The lidar measurements were accompanied by measurements of the aerosol optical depth (AOD) in the visible and near infrared regions of the spectrum performed in October 2004 using Microtops II radiometers. The maximum values of the AOD were found to occur 1–2 h before the complete development of the atmospheric boundary layer, i.e. during the residual layer destruction, which confirms our hypothesis concerning the slope circulation effect on the processes taking place in the atmospheric boundary layer. The AOD values obtained by the lidar are lower than those taken by the sun photometer. Further, the AOD exhibits two different types of behaviour. In the case of a ‘clear atmosphere’ (i.e. in the absence of volcanic eruptions and/or dust transport from the Sahara) most of the aerosol accumulated within the atmospheric boundary layer over the urban area considered. The combined use of the two instruments allows the comparison between the optical characteristics of the atmospheric aerosol (e.g. aerosol extinction coefficient, etc.) obtained by the lidar and through an independent method (sun photometer).     

Aerosol Data Assimilation Using Data from Fengyun-3A and MODIS:Application to a Dust Storm over East Asia in 2011

Aerosol optical depth(AOD) is the most basic parameter that describes the optical properties of atmospheric aerosols,and it can be used to indicate aerosol content. In this study, we assimilated AOD data from the Fengyun-3 A(FY-3 A) and MODIS meteorological satellite using the Gridpoint Statistical Interpolation three-dimensional variational data assimilation system. Experiments were conducted for a dust storm over East Asia in April 2011. Each 0600 UTC analysis initialized a24-h Weather Research and Forecasting with Chemistry model forecast. The results generally showed that the assimilation of satellite AOD observational data can significantly improve model aerosol mass prediction skills. The AOD distribution of the analysis field was closer to the observations of the satellite after assimilation of satellite AOD data. In addition, the analysis resulting from the experiment assimilating both FY-3 A/MERSI(Medium-resolution Spectral Imager) AOD data and MODIS AOD data had closer agreement with the ground-based values than the individual assimilation of the two datasets for the dust storm over East Asia. These results suggest that the Chinese FY-3 A satellite aerosol products can be effectively applied to numerical models and dust weather analysis.     

Aerosol characteristics over the Tibetan Plateau simulated with a coupled aerosol–climate model (FGOALS-f3-L) 耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟青藏高原地区气溶胶特性

This study presents the simulated aerosol spatiotemporal characteristics over the Tibetan Plateau (TP) with a newly developed coupled aerosol–climate model (FGOALS-f3-L). The aerosol properties are simulated over the TP for the period 2002–11. The results indicate that soil dust, sulfate, and carbonaceous aerosols (black carbon (BC), organic carbon (OC) and BC/OC) account for 53.6%, 32.2%, and 14.2% of the total aerosol mass over the TP, respectively. The simulated aerosol surface mass concentrations and aerosol optical depths (AODs) are evaluated with ground-based and satellite observations, respectively. Underestimations of the aerosol surface mass concentration are found at the Lhasa site, especially for BC and OC. The spatial distribution and interannual variation of AOD are consistent with MODIS observations, with the RMSE of 0.081 and bias of 0.036. Due to the uncertainty of the parameterization of dust emissions, the model's performance in summer and autumn is much better than that in spring.摘要基于新耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟分析了2002–2011年青藏高原地区气溶胶时空分布特征.结果表明:青藏高原地区, 沙尘,硫酸盐,碳质气溶胶 (包括黑碳,有机碳和混合碳) 地表质量浓度分别占比为53.6%, 32.2%, 14.2%;在拉萨站点, 模拟的气溶胶地表质量浓度被低估, 尤其是黑碳和有机碳气溶胶;模拟的气溶胶光学厚度 (AOD) 时空分布与卫星观测结果较为一致, 均方根误差和偏差分别为0.081和0.036;由于模式中沙尘排放参数化的不确定性, 模式对AOD的模拟效果在夏季和秋季优于春季     

小洋山岛大气气溶胶光学厚度的特征分析

小洋山岛位于上海东南面距海岸线约30km处,四面环海,研究其上空的大气气溶胶光学特性对了解我国东部沿海地区及其近海海域的环境和气候影响等都具有重要的意义。对于近岸海岛的气溶胶光学厚度(AOD)观测,至今国内尚未见这方面的实测资料与分析。本次实验利用2006～2007年连续观测得到的AOD值,分析了AOD的季节变化及其与地面风向、湿度和能见度等气象要素的关系,并给出了气溶胶消光谱。分析发现:小洋山地区AOD具有春季最大,冬季次之,秋季较小的特点,而且在低能见度情况下,气溶胶以大粒子为主;盛行西风时,AOD值增大且大粒子比重增加;AOD与湿度有较好的正相关关系。     

Aerosol optical properties and its radiative forcing over Yulin,China in 2001 and 2002

The aerosol optical properties and direct radiative forcing over the Mu Us desert of northern China, acquired through a CE318 sunphotometer of the ground-based Aerosol Robotic Network (AERONET), are analyzed. The seasonal variations in the aerosol optical properties are examined. The effect of meteorological elements (pressure, temperature, water vapor pressure, relative humidity and wind speed) on the aerosol optical properties is also studied. Then, the sources and optical properties under two different cases, a dust event and a pollution event, are compared. The results show that the high aerosol optical depth (AOD) found in Yulin was mostly attributed to the occurrence of dust events in spring from the Mu Us desert and deserts of West China and Mongolia, as well as the impacts of anthropogenic pollutant particles from the middle part of China in the other seasons. The seasonal variation and the probability distribution of the radiative forcing and the radiative forcing efficiency at the surface and the top of the atmosphere are analyzed and regressed using the linear and Gaussian regression methods.