大气气溶胶折射率虚部的宽谱反演方法 II.对比实验与应用研究

通过对比观测实验,分析了宽谱方法与总辐射-直射比方法对大气气溶胶折射率虚部的反演结果。对比结果表明:两种方法对虚部的反演结果分别为0.012±0.003和0.011±0.004。另外,本文直接利用气象台站的辐射观测资料计算了北京1992年的大气气溶胶折射率虚部,并分析了北京地区气溶胶的局地辐射气候效应,发现北京气溶胶的辐射气候效应在冬季是倾向于加热的,而其他季节则倾向于冷却。     

大气气溶胶折射率虚部的宽谱反演方法 II.对比实验与应用研究

通过对比观测实验 ,分析了宽谱方法与总辐射 -直射比方法对大气气溶胶折射率虚部的反演结果。对比结果表明 :两种方法对虚部的反演结果分别为 0 0 1 2± 0 0 0 3和 0 0 1 1± 0 0 0 4。另外 ,本文直接利用气象台站的辐射观测资料计算了北京 1 992年的大气气溶胶折射率虚部 ,并分析了北京地区气溶胶的局地辐射气候效应 ,发现北京气溶胶的辐射气候效应在冬季是倾向于加热的 ,而其他季节则倾向于冷却。     

大气气溶胶折射率虚部的宽谱反演方法 I. 理论

提出了从宽谱太阳漫射辐射信息反演大气气溶胶折射率虚部的新方法。通过敏感性分析发现:宽谱太阳漫射辐射对大气气溶胶折射率虚部的变化非常敏感,而对粒子谱分布、气溶胶折射率实部、地表反射率、大气中水汽和臭氧含量的变化不很敏感或弱敏感,因此可以从中较好地提取大气气溶胶折射率虚部。数值试验表明该方法具有较高的精度。     

大气气溶胶折射率虚部的宽谱反演方法I.理论

提出了从宽谱太阳漫射辐射信息反演大气气溶胶折射率虚部的新方法。通过敏感性分析发现：宽谱太阳漫射辐射对大气气溶胶折射率虚部的变化非常敏感,而对粒子谱分布、气溶胶折射率实部、地表反射率、大气中水汽和臭氧含量的变化不很敏感或弱敏感,因此可以从中较好地提取大气气溶胶折射率虚部。数值试验表明该方法具有较高的精度。     

光学遥感大气气溶胶特性

本文提出一种光学遥感大气气溶胶特性的新方法。由多波段望远光度计观测的太阳直接辐射和太阳所在地平纬圈天空亮度的相对分布值,同时反演出气溶胶散射相函数,整层大气的光学厚度随波长的变化,进而用“库”方法反演出气溶胶粒子的尺度谱和折射率的实部和虚部。对比平行观测的结果表明,光学遥感方法所得的结果是可信的。本文同时也讨论了北京地区大气气溶胶的光学参数在不同季节的变化。     

中国大气气溶胶辐射特性参数的观测与研究进展

长期系统的气溶胶辐射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.本文综合介绍中国大气气溶胶辐射特性观测与研究现状和成果,重点包括以下内容:地面太阳光度计联网观测气溶胶光学厚度、单次散射反照率、尺度谱;从全波段太阳辐射反演气溶胶光学厚度、单次散射反照率;浊度计和黑碳仪测量地面气溶胶散射系数和吸收系数;地基/星载激光雷达观测气溶胶(后向散射系数)垂直分布;极轨/静止卫星遥感反演气溶胶光学特性.     

多波段光度计和大气气溶胶测量

近年来对大气气溶胶的观测受到越来越多的重视。很多国家都利用对太阳光谱的观测来推算大气气溶胶,并且对计算气溶胶谱分布的反演方法也进行了很多理论上的分析。这里,我们介绍一种计算谱分布的简便方法及某些观测结果。一、方法从太阳直接辐射的测量可以算出大气总的光学厚度,在扣除空气分子的影响后,便得到大气气溶胶的光学厚度式中。n(r)——气溶胶谱分布 r——粒子半径Q_(ex)(r,λ,m)——削弱的有效因子 m——气溶胶折射率如果测出不同波长的大气气溶胶光学厚度,即可由(1)式反演出气溶胶谱分布。为了使反演过程简单化,引入以下两项假定:     

新书架

正《大气气溶胶及其气候效应》张华王志立赵树云等编著该书介绍了基于国家气候中心自主研发的大气辐射传输模式、气溶胶/大气化学-辐射-气候双向耦合模式并结合卫星等观测资料获得的气溶胶的分布、辐射强迫和气候效应等方面的研究结果,旨在对气溶胶的变化特点及其对气候的影响提供比较全面和系统的认识。该书重点对以下问题做     

华南气溶胶研究的回顾与展望

大气气溶胶的气候效应研究和环境效应研究都是当今国际科技界的热门研究话题,而研究大气气溶胶的气候效应和环境效应都必须充分细致地了解气溶胶的粒子谱分布、化学组成和辐射(光学)特性,其中大气气溶胶的辐射(光学)性质的直接观测研究是目前甚为紧迫的研究内容,其结果能直接为气溶胶强迫对气候变化的估计和预测的模式研究及其环境效应的研究提供必须的参数.     

气溶胶元素碳的测量及其与虚折射率的相关性

大气气溶胶的虚折射率是大气气溶胶的一个重要物理参数,它表示气溶胶对光辐射的吸收特性。大气气溶胶中的元素碳是重要的吸光物质。因此,对大气气溶胶中元素碳的测量及与大气气溶胶虚折射率测量的相关性研究具有重要意义。 本文提供了利用240C元素分析仪测量大气气溶胶中元素碳含量的方法,并对大气气溶胶元素碳含量与大气气溶胶虚折射率的测量结果作了相关性分析。结果表明,两者之间存在明显的正相关。     

中国大气气溶胶研究综述

文中综合论述了近 2 0年来中国大气气溶胶研究状况 ,包括对大气气溶胶的直接采样分析 ,地面和卫星的遥感 ,大气气溶胶辐射特性及其气候效应的研究以及沙尘暴的形成、输送及气候效应的研究等。直接采样分析不仅研究了气溶胶的浓度和粒子谱分布等特性 ,而且也对其化学组分做了分析 ,高空气球采样得到了对流层和低平流层的气溶胶样品 ,并用X能谱电子显微镜进行了分析。地面遥感和多种卫星资料 ,包括AVHRR ,SVISSR ,TOMS ,POLDER等 ,被用来研究大气气溶胶的辐射特性 ,并提出了用消光和前向散射相结合和利用天空散射光分布反演粒子谱分布相函数等方法。开展了有关气溶胶气候效应的数值模拟研究 ,并对非球形粒子以及吸湿性粒子的作用做了专门的计算。对沙尘粒子的直接观测为研究其生成条件和输送特性提供了基础数据。文中对不同的研究方法进行了初步评述 ,并对气溶胶的研究提出几点建议。     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演Ⅰ.理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性, 而偏振反射只对大气气溶胶敏感, 对地表不敏感.根据这个原理并结合POLDER (POLarization and Directionality of Earth Reflectance) 资料的特点, 作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演.首先, 利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数, 再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正, 同时获得地表反射率.数值模拟试验结果证明, 仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息, 而且其结果误差较大, 特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大, 但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善, 气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上.为提高查找表的计算效率, 提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表, 利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法.     

基于遥感测量的淮河流域中部气溶胶光学和微物理特性分析

利用设置在中国气象局寿县国家气候观象台2017年全年的太阳-天空辐射计CE318数据,对当地一年四季气溶胶光学和微物理特征进行分析。结果表明:春季气溶胶光学厚度最高,夏季和秋季最为接近,也最低,冬季介于夏、秋季之间;AE数据集中在0.9～1.5,以细模态粒子为主;四季的气溶胶体积谱分布基本相似,且既有细模态粒子,也有粗模态粒子;夏季气溶胶折射率实部最小,说明当地夏季水汽含量最大,实部与光谱波长没有明显关系,而虚部则有;单次散射反照率均在80%以上,气溶胶散射效应明显;非球形粒子占主要支配地位且在春季数量最多。研究结果对于掌握淮河流域中部区域气溶胶特征,及其对大气辐射、气候变化的影响,监测空气质量,以及提高我国该特定区域大气辐射传输模型计算精度有重要意义。     

青藏高原大气光学特性的测量与分析

本文在1986年6月西藏拉萨市十通道太阳光度计六天观测工作基础上，计算了高原地区的整层大气垂直光学厚度，与北京西郊1981年6月的资料对比表明，在可见和近红外波段，拉萨市的大气光学厚度只有北京的一半，甚至更小。分析了在高原地区利用臭氧的Chappuis吸收带反演大气臭氧总量的可行性、方法、结果及其合理性。接着，本文讨论了双通道法和多通道法计算水汽光学厚度的差别，并简要分析了影响水汽总量变化的原因。本文还讨论了拉萨地区六月份大气浑浊度的时变规律及其变化机制。大气浑浊度不仅与地面大气状况（对流、地面风速等）有关，而且取决于大气的湍流结构。最后，本文利用Philips—Twomey方法反演了气溶胶的谱分布，结果表明，高原六月份气溶胶谱形大多接近Junge分布形式。另外，文中还简单讨论了折射率对反演气溶胶谱的影响。     

北京等7个气象台站太阳总辐射观测资料的准确度评估

基于地面太阳短波总辐射对气溶胶光学特性和地表反照率的敏感性, 该文提出了一个评估我国气象台站总辐射资料准确度的方法。该方法选用气溶胶光学厚度和太阳天顶角较小情形下的晴天辐射资料, 从太阳直射辐射反演气溶胶光学厚度, 用于计算宽带透过率, 再从该透过率和总辐射资料反演太阳常数E_{0, P}, 并采用E_{0, P}对世界辐射基准 (WRR) 的偏差表示总辐射资料的不确定性。模拟结果表明:气溶胶折射率虚部和大气柱水汽含量的输入误差是两个主要的评估不确定因子。用于准确度评估的资料越多, 越有利于平滑气溶胶、水汽含量等输入参数随机误差的效应, 评估结果越合理。应用这一方法, 该文评估了2000— 2004年我国沈阳、额济纳旗、北京、乌鲁木齐、格尔木、上海和广州7个气象台站总辐射资料的准确度。7个站共有1161个太阳常数反演值, 都满足太阳天顶角余弦 (μ₀) 大于0.7的条件。这些E_{0, P}值对WRR的最大偏差为7.33%, 97.78%的E_{0, P}值对WRR的偏差小于5%, 总平均E_{0, P}值对WRR偏差只有-1.15 %。依据这些结果, 当μ₀≥0.7时, 这些台站的晴天总辐射资料的不确定度估计为5%。     

一个检验太阳光度计Langley定标结果可靠性的方法

准确反演气溶胶光学厚度（AOD）在气溶胶气候效应和环境效应研究中至关重要，仪器定标是目前AOD反演过程中最大的不确定性来源。Langley法作为应用最广泛的光度计定标方法，其对天气条件和大气洁净度要求苛刻，这在大气污染较重的地区难以实现，并可能导致AOD反演误差偏大。为了降低由不恰当的Langley定标所引起的AOD反演误差，本文提出一个利用辐射传输模式结合地面太阳直接辐射观测数据检验Langley定标结果合理性的方法，并利用西安2013年6月至2015年12月多滤波旋转遮光带辐射计（MFRSR）和直接辐射表（NIP）观测资料，探讨了方法的可行性。结果表明，该方法能够将Langley定标结果限定在较小的波动范围内，有效降低由定标不确定性引起的AOD反演误差，有助于提高单站点AOD观测精度。     

基于国际大气化学-气候模式比较计划模式数据评估中国沙尘气溶胶直接辐射强迫

目前气候模式对沙尘气溶胶直接辐射强迫模拟仍有很大不确定性,多模式对比有助于定量评估不确定范围。国际大气化学—气候模式比较计划（Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project,ACCMIP）旨在评估当前模式对短寿命大气成分辐射强迫和气候效应的模拟能力。基于7个ACCMIP模式模拟的中国地区沙尘气溶胶浓度,我们评估了中国区域沙尘气溶胶直接辐射强迫和不确定性范围。结果显示,中国区域沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tg a-1,区域年均地表浓度为41±27 μg m-3,柱浓度为9±4 kg m-2,光学厚度为0.09±0.05。中国区域年均沙尘气溶胶产生的大气顶短波、长波和总辐射强迫分别为-1.3±0.8 W m-2、0.7±0.4 W m-2和-0.5±0.7 W m-2;地表短波、长波和总的辐射强迫值为-1.5±1.0 W m-2、1.8±0.9 W m-2和0.2±0.2 W m-2。沙尘气溶胶长波辐射强迫对沙尘浓度的垂直分布敏感。高层沙尘气溶胶浓度越大,其在大气顶产生更强的正值长波辐射强迫。然而,沙尘气溶胶短波辐射强迫主要受整层沙尘柱浓度控制,对沙尘浓度的垂直分布较不敏感。本文结果可为中国沙尘气溶胶的气候模拟提供参考。     

宽带太阳漫射辐射法反演辐射加权平均的气溶胶一次散射反照率研究

引入了一个辐射加权平均的宽带气溶胶一次散射反照率(SSA)的定义,提出了一个从宽带的漫射信息反演该SSA的方法.数值模拟结果表明,在Junge气溶胶谱分布情形下,对气溶胶光学厚度、(A)ngstr(o)m 指数与气溶胶虚部的通常变化范围,应用该SSA所计算的2160组宽带太阳辐射反射率、漫射透过率、总透过率和吸收率的相对标准误差都在1.107%以内; 绝对标准差在0.00287以内.对非Junge的大陆性和都市工业污染气溶胶模式(由水溶性、沙尘和碳粒子组成),在72组反射率、漫射透过率、总透过率和吸收率计算中,相对标准差都在2.047%以内,绝对标准差在0.0075以内.在Junge气溶胶假设下,作者提出了一个综合应用宽带太阳直射和漫射信息同时反演气溶胶光学厚度与辐射加权平均SSA的方法,并通过模拟反演分析了SSA反演的3个主要误差因子.从反演结果可以看出:(1)如果(A)ngstr(o)m指数误差在±0.2以内,对0.55 μm气溶胶光学厚度大于0.312大陆性气溶胶,SSA误差在±0.0418以内;(2)波长无关的宽带地表反照率适用于SSA反演;(3)气溶胶光学厚度越大,辐射资料误差所引起的SSA解误差越小.当辐射误差在±2%以内以及0.55 μm气溶胶光学厚度大于0.312时,SSA解的误差在±0.0149以内; 辐射误差在±4%以内时,SSA解的误差在±0.0317以内.     

地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析

利用北京国家综合气象探测试验基地超大城市观测试验建设的地基垂直遥感设备(激光气溶胶雷达、微波辐射计及风廓线雷达),使用2021年5—8月的观测资料,根据不同设备的探测优势以及边界层的日变化规律,利用激光气溶胶雷达、微波辐射计、风廓线雷达观测资料进行联合反演,得到全天候大气边界层高度。并将联合反演所得的边界层高度与探空资料计算及ERA5再分析资料提供的全天候大气边界层高度进行比较,发现:联合反演边界层高度与ERA5数据提供的大气边界层高度有较好的一致性;激光气溶胶雷达适用于白天对流边界层的观测,微波辐射计适用于夜间稳定边界层的观测,使用微波辐射计与风廓线雷达联合反演大气边界层高度可以改善弱降雨时单设备的反演结果;联合反演的大气边界层高度结果与单设备反演大气边界层高度均符合大气边界层的日变化规律;得到的联合反演边界层高度与探空数据计算得到的大气边界层高度差值的标准偏差为62 m,相较于ERA5数据提供的一定范围内大气边界层高度均值,联合反演边界层高度能更精准地反映更小范围内的大气边界层高度。     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演 I. 理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性,而偏振反射只对大气气溶胶敏感,对地表不敏感。根据这个原理并结合POLDER(POLarization and Directionality of Earth Reflectance)资料的特点,作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演。首先,利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数,再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正,同时获得地表反射率。数值模拟试验结果证明,仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息,而且其结果误差较大,特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大,但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善,气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上。为提高查找表的计算效率,提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表,利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法。