大氣氣溶膠直接輻射強迫研究.pdf

1、日益嚴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聯(lián)的大氣污染和大氣邊界層問題，引起很多學者的關注。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：當氣溶膠光學厚度為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厚度對大氣層頂處凈輻射通量密度的影響相當。
　　 北京、香河、興

4、隆三地區(qū)氣溶膠光學厚度和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，說明局地揚塵也是氣溶膠的成分之一。在污染比較嚴重的時候，隨著氣溶膠光學厚度的增加氣溶膠AE指數(shù)是降低的，即氣溶膠光學厚度和氣溶膠的Angstrom指數(shù)都成很好的

5、反相關系，但是其AE指數(shù)的絕對值較春季要大，說明其他季節(jié)氣溶膠粒子中含細粒子的比例較春季要大。敦煌地區(qū)氣溶膠光學厚度和氣溶膠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厚度、氣溶膠單次散射反照率、太陽天頂角有關，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厚度的大小有關。
　　 不同天氣的輻射強迫和氣溶膠光學性質(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：當太陽天頂

13、角為50-60°時，輻射強迫效率為-119.24 Wm-2τ550-1；當太陽天頂角為60-70°時，為-105.83 Wm-2τ550-1；當太陽天頂角為70-80°時，為-79.29 Wm-2τ550-1。大氣層頂?shù)膶柼祉斀怯尚〉酱蟮臍馊苣z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氣溶膠光學厚度和觀測到氣溶膠光學厚度相關性很好，其相關系數(shù)R2超過96％；不過由MODIS反演的氣溶膠光學厚度要比觀