大气探测基础汇总.docx

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大气探测基础汇总大气探测基础汇总南京信息工程大学滨江学院大气探测基础目气溶胶化学特性大气探测的最新进专业名称电子信息工丁名20122305905号1级电3指导教师张小摘要：

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-3大小的液态或固态粒子。

气溶m1020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;胶又与云相互作用对气候产生间接影响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。

大气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，IPCC尽管第四次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、气溶胶辐射的不确定性，国际上已经实施了数个较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（AerosolOpticalThickness，AOT或AerosolOpticalDepth，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（SingleScatteringAlbedo，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，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反映了粒子的散射能力，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太阳光度计观测研究3.1.1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（500nm）为0.65，9月份最小，AOT（500nm）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、青海、广东、浙江、西藏等地做了系统的AOT观测，所得资料不仅用于该地区气溶胶辐射特性及其变化规律的研究，而且为校验卫星反演的AOT提供了数据。

利用多波段手持光度计于2000年6月2002年12月在上海观测的太阳直接辐照度数据，分析得到上海AOT的季节变化，显示夏季最大，春季次之，冬季最小。

国际气溶胶自动监测网AERONET（AerosolRoboticNetwork）和中国气象局建立的气溶胶观测网络（CAeroNet）都是统一采用法国CIMEL公司研制的CE-318系列太阳光度计，该光度计既可以自动进行太阳直射辐射观测，观测波段包括440、675、865、940和1020nm。

除了940nm用于反演柱水汽含量外，其他几个波段的太阳直接辐射观测用来计算相应波段的AOT，还可以与等高度角扫描、主平面扫描观测结合，来反演气溶胶尺度分布、复折射指数、SSA等特性参数。

AOT的精度可达0.010.02，反演的水汽含量的精度约为10%，SSA的反演精度约为0.03，复折射指数实部的反演误差约为0.04，对强吸收粒子虚部的反演精度可达30%。

作为ACE-Asia（AerosolCharacterizationExperiment-Asia）气溶胶观测计划的一部分，2001年春季一台CE-318太阳光度计在中国科学院大气物理研究所楼顶进行了为期三个月的观测；另一台分别在河北香河（2001年3月20日4月17日）和内蒙古桑根达来（2001年4月20日5月10日）进行观测。

2002年4月北京成为AERONET观测网的长期观测站，2004年9月河北香河、2005年3月河北兴隆也成为其长期观测站；此外，榆林、兰州、太湖、临安等地陆续建立了一些CE-318系列太阳光度计的长期和临时观测站点。

国内学者自2000年来比较系统的开展了基于CE-318太阳光度计气溶胶光学特性数据的分析研究。

探索了CE-318型太阳光度计室内积分辐射源的辐亮度定标方法、Langley定标法和标准仪器相对定标方法，对仪器不同波段的太阳直射辐射通道进行了定标试验。

提出一种增益校正的立体角定标方法，该方法可以在太阳直射辐射和天空漫射辐射之间相互转换定标系数，实现了替代辐射定标。

介绍了我国CAeroNet气溶胶观测网CE-318仪器的传递定标和AOT的验证。

采用CE-318太阳光度计在敦煌（1999年6月287月19日）和青海湖（1999年7月2531日）的观测数据，利用Langley方法获得AOT及其光谱变化，两地的AOT（550nm）分别为0.12和0.18。

利用中分辨和AOT月的6年2001月9年1998在北京的准连续观测获取了（MORSAS）率太阳天光光谱自动观测系统Angstrom指数，并用CE-318的同期观测资料做了对比检验。

分析了AERONET北京测站2002年2005年以来AOT、Angstrom指数、复折射指数和SSA的季节变化和年变化，北京地区AOT的最大值出现在夏季，最小值出现在冬季，而春天由于受沙尘天气的影响，Angstrom指数最小，冬季SSA最小。

毛乌素沙漠边缘榆林站，半干旱地区的乌鲁木齐和兰州，背景站黑龙江龙凤山、浙江临安和北京上甸子及长江三角洲地区；也开展了类似的研究工作。

利用全球AERONET和MODIS气溶胶光学厚度数据，系统分析了全球陆地气溶胶光学厚度“周末效应”，指出美洲东部，欧洲西部AOT工作日显著高于周末，且城市地区较郊区明显，而在我国东部地区未检测到类似变化特征。

基于全球AERONET长期站点气溶胶光学厚度和Angstrom指数数据，分析表明欧洲西部和美洲东部地区近10年来气溶胶光学厚度显著下降，气溶胶粒子尺度参数分析表明该下降趋势可能与大气中细模态气溶胶浓度下降有关。

印度Kanpur站表现出微弱上升趋势，而北京站表现出微弱下降趋势。

给出我国不同地区5个AERONET测站（北京、香河、兴隆、太湖和兰州）的AOT（550nm）变化，从中可以看出不同区域AOT的季节变化和年变化特征，2009年5个测站的AOT都达到最小，可能与我国经济发展以及气象条件有关，具体原因尚需探究。

图12我国不同地区AERONET站点观测的月平均AOT（550nm）变化Fig.1联合CE-318太阳光度计直射太阳辐射、天空光总辐射强度和偏振辐射强度，反演得到SSA、气溶胶散射相矩阵、复折射指数和尺度分布，并与AERONET反演产品做了比较检验，该反演方法的优点是不依赖于气溶胶粒子形状假设，对非球形粒子也适用。

分析了20052009年北京地区的AERONET气溶胶资料，发现北京地区的柱水汽含量与AOT之间有明显的相关，且440870nm的Angstrom指数与</spanAOT的细模态比显著相关，基于Angstrom指数的气溶胶分类结果显示北京地区AOT的增长主要源于细模态气溶胶的吸湿凝结增长。

通过分析北京、香河、兴隆和太湖四个测站1年的气溶胶Angstrom指数（）、粒子谱分布、AOT与波长的二次拟合参数（二次项系数，一次项系数），尝试联合，和来判断气1122溶胶粒子的粗、细模态及其贡献。

一些学者结合CE-318气溶胶观测资料和辐射传输模式，对气溶胶的区域辐射强迫做了研究整编了北京地区的气溶胶历史观测资料（19802000年，不连续观测）和AERONET气溶胶资料（20022005年），并结合辐射传输模式计算了北京地区的气溶胶直接辐射强迫。

结果显示：

北京地区1980年的秋季平均AOT（5502月减少6月减少了17.2W/m，12005nm）为0.28，到年增至0.68；气溶胶导致地面接收的净太阳辐射在2卫星CERES。

分析了香河站的气溶胶光学特性，并联合同期辐射资料、全天空成像仪资料和了63.5W/m2资料研究了长江AERONET。

25资料给出香河地区地表气溶胶直接辐射强迫年均值达W/m利用太湖地区的49.4109.2三角洲地区的气溶胶直接辐射强迫，气溶胶使得到达地面的直射和散射太阳辐射分别减少了2年的2012。

利用陕西榆林站2011</span和66.833.3W/mAERONET气溶资料，计算了当地气溶胶直接辐射强迫的季节变化。

高原、林区、沙漠、气溶胶地基观测网络外，国内学者还在我国不同地区（除了AERONET和CAeroNet。

根建立了手持光度计气溶胶观测网CSHNET（ChineseSunHazemeterNETwork）沿海、城市、农村和郊区）结果Angstrom指数，分析了我国不同区域的AOT和月2004年82005年9月的手持光度计观测资料，据Angstrom0.21，的变化范围是0.19平均AOT约0.15；其次是东北的偏远地区，AOT显示：

青藏高原AOT最小，气溶胶资料和气象资料分析了我国不同生CSHNET年8月利用2004年8月2007。

指数最大（1.161.79）青藏高原、而在秋冬降到最小。

大部分测站的AOT在春夏达到最大，态地区气溶胶的季节变化，结果显示：

；0.36土高原地区AOT约为0.20）最小；黄东北的偏远地区、北部林区和海南岛大气相对洁净，AOT（0.10。

0.80中东部和东南沿海地区由于高密度的工业和农业活动，气溶胶含量高，年平均AOT变化范围0.50全波段太阳直接总辐射遥感反演3.1.2在分析地面（1995）考虑到我国许多气象台站只有全波段或宽波段的太阳辐射的长期观测资料，邱金桓的方法及相AOTAOT及谱分布敏感性的基础上，提出了一个从该辐射信息反演晴天全波段太阳直接辐射对，AOT1994年间晴天10站1980应计算模式。

基于该方法从气象台站辐射观测资料反演得到北京、沈阳等年北京地区1985李放和吕达仁（1996）对1977获得了这些地方AOT变化气候学特征（邱金桓等，1997）。

宽带太阳直接辐射资料进行了分析，根据实时大气浑浊度记录进行能见度分类，水汽影响采用实测值进行月获得的大气光学特性观年33月1995扣除，得到各能见度下AOT谱。

联合PIS太阳光谱仪从1993年年代到70从上世纪测资料和能见度记录，得到北京地区较为长期的气溶胶光学特性。

研究表明：

（1）AOT各季节之间的差别大为减小，地面能见AOT年代有逐年增高的趋势；

（2）能见度分级后，同一能见度下90发展了从宽带水平面直（2009）（2002）和许潇锋等度对整层光学厚度表现出了强约束作用。

邱金桓和杨理权气溶胶产AERONET高的云影响甄别方法。

通过与接辐射日曝辐量反演AOT的方法，并提出基于气溶胶标个甲种日射站196147（2000，2002）利用我国北京等地品对比，验证了该方法的可靠性和有效性。

罗云峰等19901961nm），表明个站1990年逐日太阳直接辐射日总量和日照时数等资料，反演了这4730年AOT（750总体呈明显增加趋势，其中西南地区东部、长江中下游地区及青藏高原主体，气溶胶增加最AOT年间我国为明显；华北地区、山东半岛、青海东部和广东沿海，气溶胶增加也较明显；西北地区和东北地区大部气个站中，四川盆地成都、重47溶胶增加相对较小；而新疆西部与云南部分地区气溶胶有所减小。

所选的最小。

最大，云南景洪站AOT庆和南充3站AOT，应用太阳漫射直射比方法遥感了塔克拉玛干沙漠地区和北京沙尘暴期间气王栋梁和邱金桓（1988）提出了从宽谱太阳漫射辐射信息反演气溶胶复折射，2000）溶胶的复折射指数虚部。

尉东胶和邱金桓（1998年辐射观测资料计算了气溶胶复折射指数虚部，分析了该地区气溶胶1992指数虚部的方法，并基于北京联合向下宽带辐射通量反演气溶AOTZhaoandLi（2007）提出用太阳光谱直接辐射强度或辐射气候效应。

月的气溶胶单次散射反照率，将反演年20058月年胶单次散射反照率的方法，反演获得香河站20049AERONET结果与的反演产品做了比较检验，表明该方法可获得比较可靠的反演结果。

3.1.3浊度计和黑碳仪观测气溶胶辐射特性气溶胶单次散射反照率可通过测量气溶胶的散射系数和吸收系数来计算，也可通过各种遥感方法来反演。

但相对于遥感方法而言，测量气溶胶的散射和吸收系数是一种较为直接的方法，而且常用于遥感反演结果的验证（毛节泰和李成才，2005）。

积分浊度计（Nephelometer）是一种能直接测量气溶胶散射系数的仪器，目前国内使用较多的积分浊度计主要有：

（1）美国生产的TSI3563积分浊度计，能直接探测三波长（450，550和700nm）气溶胶粒子散射特性的高精度仪器，可实现全天候连续自动观测，不破坏气溶胶的组分；

（2）澳大利亚ECOTECH公司生产的M9003系列浊度计，可获得525nm的气溶胶散射系数；（3）美国RadianceResearch公司生产的M903浊度计，中心波长为530nm。

胡波等（2003）利用2002年1月31日2月2日TSI3563浊度计资料和PM观测资料对冬季兰州市10西固区大气气溶胶粒子散射特征及其与空气污染的关系进行了研究。

21世纪初，中国气象局批量引进M9003系列浊度计安装在各沙尘暴监测站点，应用积分浊度计进行气溶胶光学性质的监测（柯宗建等，2004）。

利用沙尘暴监测网联网观测的M9003浊度计观测资料、PM质量浓度、能见度和常规气象资料，分别比较系10统地分析了塔克拉玛干沙漠腹地塔中站（杨莲梅等，2006；陆辉等，2010），张北站和民勤站（延昊等，2008），锡林浩特站（章秋英等，2008）地面气溶胶变化特征及其与气象条件关系，表明散射系数能很好地反映沙尘天气的强度；它与PM质量浓度变化规律基本一致，两者之间具有很好的相关性。

此外也在我国东部城市10地区开展类似分析研究，如在北京（柯宗建等，2004），上海浦东（许建明等，2010）等以及在临安、上甸子etal.,2002；柯宗建和汤洁，2007；苏晨等，2009；赵秀娟等，2011）等本底站（Xu。

北京地区还开展了气溶胶散射系数吸湿增长特性及散射系数对能见度的影响研究（宋宇等，2003；颜鹏等，2008）。

测量吸收系数的常用方法有：

（1）采样法：

把一定空气体积的粒子收集在滤膜上，通过光学方法测量，确定其吸收系数。

此方法会改变气溶胶的自然悬浮状态并带来一些误差。

（2）间接测量法：

根据仪器测量粒子谱分布并通过Mie理论反演计算粒子吸收系数。

由于粒子谱分布及理论上的不确定性，所以会产生误差。

（3）光声法（Spectrophone）：

当一重复频率在声波范围的光脉冲通过气溶胶时，粒子吸收光能并通过能量释放加热空气，导致空气膨胀，产生一声波，测出声波的振幅便可得到粒子的吸收量。

目前，光声法是测量气溶胶吸收系数的标准方法，常用于其他仪器的校验工作。

20世纪80年代，栾胜基和毛节泰（1986）利用毛玻璃积分法直接测量了1983年1月1984年4月北京中关村地区气溶胶的吸收系数，并配合光度计测量的大气消光系数估计了该地区气溶胶单次散射反照率-4-3m-1-4m-1，10SSA变化范围，在非采暖期为10和复折射指数虚部，得到该地采暖期气溶胶吸收系数为10为0.760.94，复折射指数虚部变化范围为0.0060.035。

胡欢陵等（1991）同样利用毛玻璃积分法测量了19841988年期间中国东部城市、皖南农村、黄山山顶、南海等非城市地区的气溶胶吸收系数，并根据Mie理论计算了气溶胶复折射指数虚部。

王庚辰等（1998，2002）于1992年910月、19962001年在?

3黄m。

北京对黑碳气溶胶的浓度进行了观测和分析，北京冬季大气中黑碳粒子的背景浓度约为1.5g个地区边界层气溶胶的吸收系数做了观测，发现中国地区边界层23世鸿等（2000）采用粒子采样法对中国m-1-6-3之间，明显呈现北高南低的趋势，四川盆地和贵州有一相对较高的中心。

10气溶胶的吸收系数在10etal.（2003）对Cao香港和珠江三角洲地区的2002年冬季碳气溶胶进行了观测，得出了有机碳和元素碳在PM和PM的浓度分布特征。

这些研究工作对于气溶胶吸收性质的研究提供了重要的资料。

102.5由于气溶胶中的主要光学吸收性物质是碳，所以气溶胶的光学吸收测量方法，在某种程度上也可以说是基于元素碳光学吸收特性的测量技术。

利用黑碳光学性质进行测量的仪器常用的有颗粒物烟雾吸收光度计（PSAP，Particle/SootAbsorptionPhotometer）和黑碳仪。

黑碳仪又分为单波段黑碳仪、宽波段黑碳仪以及多波段黑碳仪。

单波段黑碳仪（如AE-16型黑碳仪）选择880nm波段的光测量黑碳的消光，因为880nm波段的红外光最稳定；宽波段黑碳仪（如AE-10型）利用黑碳特有的宽波段吸收能力，不区分波段，测量黑碳各波段综合消光；而多波段黑碳仪（如AE-31型）考虑了石墨碳质对不同波段光有不同的吸收作用，在一个周期内，依次用370，470，520，590，660，880和950nm七个波段的光照射气溶胶样品，测量气溶胶样品对七个波段光的消光作用（柯宗建，2004）。

全国多地也开展了用黑碳仪分析气溶胶吸收特性的工作。

汤洁等（1999），秦世广（2001），朱厚玲（2003）利用AE-10和AE-14U型宽波段黑碳仪在四川温江、北京上甸子、浙江临安和西藏拉萨等地进行了黑碳气溶胶的观测研究，其结果基本代表了我国东南、西南、西北、华北和青藏高原不同环境背景下黑碳气溶胶的本底变化特征。

李杨等（2005），朱崇抒等（2006）研究了西安20032004年大气中黑碳气溶胶的演化特征，分析了黑碳气溶胶中有机碳和元素碳的理化特征和来源。

娄淑娟等（2005）利用两台黑碳仪在北京大学2003年78月、2003年11月2004年1月的观测资料，研究了北京北部城区不同尺度气溶胶中的黑碳含量。

伍德侠等（2006）用黑碳仪对2005年夏季北京南部城区（丰台）的黑碳气溶胶进行了观测研究。

潘小乐等（2010）利用黑碳仪观测资料，结合北京城区环保控制措施和气象资料，分析了2008北京奥运会前后和奥运会期间黑碳气溶胶浓度变化的主要影响因子。

此外，西宁（赵玉成等，2008）、上海（杨溯等，2008；肖秀珠等，2011）、珠江三角洲（陶俊等，2008；孙杰等，2012）、长春（高枞亭等，2009）、鞍山（王绪鑫等，2010）、天津（蔡子颖等，2011）、兰州（陈霖等，2012）等城市也开展了黑碳气溶胶的观测研究工作。

除了上述城市地区，章秋英等（2009），陆辉等（2011）还分别对锡林浩特和塔中地区的黑碳气溶胶进行了观测分析。

积分浊度计和黑碳仪配合可对气溶胶的散射系数和吸收系数进行有效的监测，从而得到气溶胶单次散射反照率的信息。

柯宗建（2004）分析了临安、上甸子本底站及北京观象台的气溶胶散射系数和吸收系数的变化特征，讨论了局地风对气溶胶吸收系数和散射系数的影响，计算了临安和上甸子地区的SSA，并与国内外的观测结果进行比较。

刘新罡等（2006）通过对广州2004年10月1日11月5日污染性气体NO、气2溶胶散射系数和吸收系数以及粒子化学成分组成等观测资料的分析，得到了影响广州市大气能见度因子的贡献比例：

气溶胶散射为75.3%、气溶胶吸收为12.9%、水汽为5.8%、气体吸收为3.7%、大气分子散射为2.4%；给出了不同粒径段气溶胶对散射的贡献比例。

李学彬等（2008）根据黑碳仪和浊度计测量的气溶胶吸收系数和散射系数以及光学粒子计数器测量的粒子谱分布，采用Mie散射理论反演气溶胶复折射指数，利用此方法对厦门地区2006年12月的观测数据进行了气溶胶复折射指数的反演实验。

吴兑等（2009）对广州番禺大气成分站20042007年黑碳仪观测的黑碳浓度与吸收系数、浊度计观测的散射系数及导出的SSA进行了分析讨论。

指出4年来当地的黑碳浓度逐年下降，每年年均值下降1gm?

3左右；使用3台黑碳仪，分别同步观测PM、PM、PM中的黑碳，结果表明黑碳气溶胶主要存在于细粒子中；珠江三角洲地12.510区高浓度黑碳与低SSA过程可能与来自珠江三角洲周边香港、深圳、东莞等地的输送有关。

颜鹏等（2010）分析了2004年912月京津地区4次雾霾天气过程时北京上甸子站观测的大气气溶胶光学特性，发现4都远高于雾霾过后清洁时段的数值，表明雾霾天SSA次雾霾影响时段，平均气溶胶散射系数、吸收系数和气有利于气溶胶的累积和生成。

相比于光吸收性气溶胶，雾霾天气对光散射性气溶胶的增加更为有利，etal.（2010）利用2008年512反映了二次气溶胶的产生及