中国东北城市地区大气气溶胶光学特性及其直接辐射效应研究

来源 :中国气象科学研究院 | 被引量 : 29次 | 上传用户:wendiii
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利用中国东北城市地区沈阳、鞍山、本溪、抚顺四个站点CE318太阳光度计观测数据反演了大气气溶胶光学特性包括:大气气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、单次散射比、粒子体积谱分布、复折射指数实部及虚部等,分析了它们的季节变化及影响因素。四个地区气溶胶光学厚度最大值多出现在春夏季节,最小值多出现在秋季。Angstrom波长指数在四个地区都是秋冬季节高而在春季较低。根据反演得到的沈阳、鞍山、本溪、抚顺四个站点晴空条件下地面和大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫和直接辐射强迫效率,分析其分布情况及季节变化特征。本溪地区直接辐射强迫平均值在地面、大气层顶分别为:-222.90±76.61W/m2,-24.80±15.87W/m2,其平均值要高于其他三个地区,这说明该地区污染较严重,气溶胶对地面和大气层的冷却能力都比较强。首次对沈阳、鞍山、抚顺三个地区吸收性气溶胶光学厚度(AAOD)及吸收性Angstrom波长指数(AAE)的季节变化进行了反演分析,结果表明:三个地区吸收性气溶胶光学厚度在冬季和夏季较大,在春季较小。沈阳地区吸收性Angstrom波长指数年平均值小于1.00,鞍山地区吸收性Angstrom波长指数约为1.19,抚顺地区吸收性Angstrom波长指数约为1.33。吸收性Angstrom波长指数的变化范围说明影响这三个地区的气溶胶粒子分属于不同类型。结合水平能见度观测研究了其与大气气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、单次散射比、粒子体积谱分布、复折射指数等参数的相互关系,分析了低能见度情况下四个地区大气气溶胶的光学特性及直接辐射强迫效应的特征和变化趋势。结果发现:沈阳、鞍山、本溪、抚顺四个中国东北城市地区的气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数随着能见度的增加而降低。当能见度较低时,鞍山地区气溶胶粒子的散射性要明显强于其他三个地区,单次散射比均大于0.90,而本溪地区气溶胶粒子的吸收性较强,单次散射比均小于0.85。四个地区晴空条件下地面大气气溶胶直接辐射强迫随着能见度的降低而增加,这说明污染大气中的气溶胶粒子对地面的冷却作用明显。主要结论如下:1.沈阳地区年平均500nm大气气溶胶光学厚度为:0.69±0.38;Angstrom波长指数为:0.88±0.26;440nm整体/细/粗粒子单次散射比分别为:0.84±0.06,0.86±0.06,0.77±0.06;440nm复折射指数为:1.47±0.028。沈阳地区晴空条件下年平均地面大气气溶胶的直接辐射强迫为约-136.52±80.50W/m2;年平均大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫为约-3.81±21.73W/m2;地面大气气溶胶的直接辐射强迫效率为约-267.77±86.38W/m2;大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫效率为约-7.83±38.89W/m2。沈阳地区440nm、670nm、870nm、1020nm吸收性大气气溶胶平均光学厚度分别为0.15±0.11,0.11±0.09,0.10±0.08,0.09±0.08,吸收性Angstrom波长指数为0.86±0.24。沈阳地区年平均能见度约为13.88±7.39km;能见度小于10km时440nm单次散射比为:0.82±0.06;气溶胶光学厚度为0.89±0.45;Angstrom波长指数为0.98±0.31;440nm复折射指数为1.46±0.030。2.鞍山地区年平均500nm大气气溶胶光学厚度为:0.65±0.33;Angstrom波长指数为:0.79±0.26;440nm整体/细/粗粒子单次散射比分别为:0.87±0.06,0.89±0.06,0.81±0.06;440nm复折射指数为:1.49±0.018。鞍山地区晴空条件下年平均地面大气气溶胶的直接辐射强迫为约-102.14±52.59W/m2;年平均大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫为约-25.37±20.99W/m2;地面大气气溶胶的直接辐射强迫效率为约-208.45±66.11W/m2;大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫效率为约-48.91±32.76W/m2。鞍山地区440nm、670nm、870nm、1020nm吸收性大气气溶胶平均光学厚度分别为:0.10±0.07,0.05±0.04,0.05±0.04,0.04±0.04;吸收性Angstrom波长指数为1.19±0.39。鞍山地区年平均能见度约为13.56±6.20km;能见度小于10km时440nm单次散射比为:0.88±0.05;气溶胶光学厚度为0.88±0.35;Angstrom波长指数为0.93±0.31;440nm复折射指数为1.46±0.016。3.本溪地区气溶胶光学厚度最大,而Angstrom波长指数明显小于沈阳、鞍山、抚顺三个地区,这说明影响本溪地区的气溶胶粒子的粒径较大。本溪地区年平均500nm大气气溶胶光学厚度为:0.82±0.34;Angstrom波长指数为:0.52±0.22;440nm整体/细/粗粒子单次散射比分别为:0.81±0.03,0.82±0.03,0.81±0.09;440nm复折射指数为:1.46±0.041。本溪地区晴空条件下年平均地面大气气溶胶的直接辐射强迫为约-222.90±76.61W/m2;年平均大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫为约-24.80±15.87W/m2;地面大气气溶胶的直接辐射强迫效率为约-337.65±102.43W/m2;大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫效率为约-40.59±22.84W/m2。本溪地区年平均能见度约为12.83±5.68km;能见度小于10km时440nm单次散射比为:0.80±0.08;气溶胶光学厚度为1.21±0.48;Angstrom波长指数为0.74±0.26;440nm复折射指数为:1.47±0.046。4.抚顺地区气溶胶光学厚度最小,年平均500nm大气气溶胶光学厚度为:0.45±0.27;Angstrom波长指数为:0.84±0.29;440nm整体/细/粗粒子单次散射比分别为:0.85±0.06,0.88±0.05,0.77±0.06;440nm复折射指数为:1.49±0.025。抚顺地区晴空条件下年平均地面大气气溶胶的直接辐射强迫为约-85.94±37.49W/m2;年平均大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫为约-13.28±16.19W/m2;地面大气气溶胶的直接辐射强迫效率为约-232.86±61.19W/m2;大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫效率为约-27.81±28.91W/m2。抚顺地区440nm、670nm、870nm、1020nm吸收性大气气溶胶平均光学厚度分别为:0.08±0.04,0.04±0.02,0.03±0.02,0.03±0.02,吸收性Angstrom波长指数为1.33±0.36。抚顺地区年平均能见度约为11.52±5.84km;能见度小于10km时440nm单次散射比为:0.84±0.05;气溶胶光学厚度为0.54±0.30;Angstrom波长指数为1.04±0.26;440nm复折射指数为1.48±0.026。5.鞍山地区气溶胶粗粒子和细粒子的散射性都比较大;本溪地区气溶胶粗粒子和细粒子的吸收性都比较大;沈阳、抚顺地区气溶胶粗粒子的吸收性比较强。气溶胶光学厚度对沈阳地区气溶胶粒子的吸收性影响并不明显,而在鞍山、本溪、抚顺三个地区,大气气溶胶粒子在气溶胶光学厚度较低时以吸收性为主,在气溶胶光学厚度较高时以散射性为主。6.四个地区气溶胶粒子谱分布特征均呈现出:夏季细模态粒子起主要作用,春季粗模态粒子起主要作用,而秋冬季节则受到两种模态气溶胶粒子的共同影响,粒子谱分布呈现了典型的城市特征。随着气溶胶光学厚度的增加,气溶胶细粒子体积也明显增加,这说明细粒子是影响该地区光学厚度的主要因素之一。7.四个地区晴空条件下地面大气气溶胶直接辐射强迫具有明显的季节变化特征,均呈现出夏季大、秋冬季节小的特点。四个地区晴空条件下大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫则呈现春季较大,冬季较小的变化趋势,其中沈阳和抚顺两个地区晴空条件下大气层顶大气气溶胶的直接辐射强迫在冬季出现了正值,这与东北地区因地表存在积雪导致地表反照率较高有关。8.沈阳、鞍山、抚顺三个地区吸收性Angstrom波长指数分别为0.86±0.24,1.19±0.39,1.33±0.36。吸收性Angstrom波长指数(AAE)的变化范围表明:沈阳地区的气溶胶粒子类型可能与具有沙尘和有机碳等粒子外部涂层的黑碳气溶胶有关。鞍山地区气溶胶粒子则可能包含了大量的黒碳气溶胶。影响抚顺地区大气消光性的气溶胶粒子则可能与生物质燃烧有关。
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