大气探测基础讲解.doc

南京信息工程大学滨江学院 大气探测基础 摘要：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。 关键词：?气溶胶辐射特性?????地基观测?????卫星遥感?? 1?引言 大气气溶胶是指悬浮在地球大气中沉降速度小、尺度范围为10-3～20 μm大小的液态或固态粒子。气溶胶在气候系统中起着非常重要的作用，通过散射与吸收太阳短波和地球长波辐射对气候产生直接影响气溶胶又与云相互作用对气候产生间接影响;同时，非或弱吸收性气溶胶的辐射冷却效应还能在一定程度上抵消由温室气体造成的全球增温。气溶胶粒子作为非均相反应界面间接影响大气化学过程，从而改变温室气体等痕量大气成分；此外，对流层气溶胶，尤其是近地面气溶胶粒子影响空气质量，进而影响到环境和人类健康。 尽管第四次IPCC报告对于气溶胶直接辐射的估计精度比之前要高，但相对于其他外源辐射强迫，大气气溶胶辐射强迫估计仍然很不确定，尤其是对气溶胶间接辐射效应的估计。为了减小大气气溶胶气候效应的不确定性，国际上已经实施了数个较 大气溶胶研究计划，我国科学家也在气溶胶的观测、气溶胶辐射特性以及气溶胶气候效应估算等方面开展了许多基础研究工作。 本文拟综述我国，特别是中国科学院大气物理研究所近一二十年来气溶胶辐射特性观测方面的研究进展和研究成果，以期对后续气溶胶辐射气候效应研究有所借鉴。 2?气溶胶辐射特性参数 定量研究气溶胶辐射气候效应需要系统的气溶胶辐射特性观测资料。目前观测精度最高、观测手段最多、也是气溶胶气候效应中最为重要的光学特性是气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness，AOT或Aerosol Optical Depth，AOD)，AOT描述了气溶胶对光的衰减作用，是气溶胶消光系数在垂直方向上的积分。假设气溶胶粒子满足Junge谱分布，两波长的AOT可用于计算反映气溶胶粒子大小的Angstrom指数。气溶胶粒子的单次散射反照率(Single Scattering Albedo，SSA)定义为气溶胶散射系数与消光系数比，是衡量气溶胶吸收强弱的一个重要光学参数。研究表明，单次散射反照率是决定气溶胶的辐射强迫是冷却还是加热效应的重要因子。单次散射反照率与气溶胶粒子复折射指数有关。复折射指数是反映气溶胶粒子光散射和吸收能力的基本参数，通常表示为：，其中，是复折射指数实部，反映了粒子的散射能力，是复折射指数虚部，反映了粒子的吸收能力。实部和虚部大小与粒子组成成分及混合状态等有密切关系。这些参数是影响晴空地面直接辐射和天空散射辐射的重要因子，基于地基遥感手段并运用辐射传输理论，可较为准确地反演大气柱气溶胶光学特性，此外大气顶反射辐射卫星测量也是提取区域乃至全球尺度气溶胶光学特性的重要手段。 3?主要研究进展 3.1?地面观测气溶胶辐射特性 3.1.1 太阳光度计观测研究 地面太阳光度计通过测量可见到近红外波段范围内一系列窄波段大气对太阳直接辐射的消光，在扣除空气分子影响后，即可得到气溶胶的光学厚度。20世纪80年代初，北京大学就开始研制多波段太阳光度计，用自主研制的7波段太阳光度计，在北京地区开展了1年的地基观测并反演了气溶胶粒子谱。分析了这次遥感得到的AOT的特征、变化规律及与气象条件的关系。结果显示：北京地区AOT最大值出现在5月份，AOT(500 nm)为0. 65，9 月份最 小，AOT(500 nm)为0. 31。气溶胶尺度谱是决定气溶胶光学特性的关键参数。从分析气溶胶消光系数和散射相函数基本特征着手，发现气溶胶消光系数和前向小角散射相函数分别对细模态和粗模态气溶胶粒子敏感，基于此系统分析了光谱消光法和小角散射法在反演气溶胶尺度谱分布中的优缺点，从而创新性提出综合应用气溶胶消光系数与小角散射相函数反演气溶胶谱分布的新方法并开展数值试验和观测实验，结果表明综合遥感能够发扬消光法和小角散射法的长处，克服各自局限，既能提高粗模态气溶胶粒子反演精度，又能改善细模态气溶胶粒子反演结果。1980年代中后期中国科学院大气物理研究所和北京大学等均开展了基于多波段光度计观测太阳直接辐射和天空散射辐射，反演气溶胶散射相函数和尺度谱的 观测实验。1990年代末，北京大学研制出十波段太阳光度计，利用所研制的太阳光度计在北京、青