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目 录

一、绪论 4

1.1 研究背景 4

1.2 国内外研究现状 5

1.3 论文目的及意义 6

1.4 技术路线和论文内容 6

二、研究区域概况、资料、方法 7

2.1 研究区域概况 7

2.2 数据来源 7

2.3 研究方法 8

三、结果与讨论 9

3.1概况 9

3.2年际变化 10

3.3月际变化 11

3.4季节变化 12

四、结论与建议 13

五、讨论与展望 14

参考文献 15

致谢 19

长江三角洲地区大气气溶胶单次散射反照率的卫星遥感研究

许梦婕

，China

Abstract：Aerosol single scattering albedo (SSA), one of the most important optical properties of aerosols, is a key optical parameter to describe aerosol direct radiation forcing. With the urbanization of the Yangtze River Delta region, increased aerosol pollutions occur due to vehicle emissions, industrial emissions, combustion heating and other anthropogenic sources. In this paper, we analyze aerosol column SSA over the Yangtze River Delta in terms of temporal, monthly and seasonal variations, which is a stepping-stone for understanding aerosol radiation properties. The SSA in the Yangtze River Delta has more dominant seasonal variations and monthly variations. From winter to summer, it shows an increasing trend as opposed to a decreasing trend from summer to autumn. The maximum SSA of 0.968±0.001 appears in summer while the minimum of 0.919±0.001 is observed in winter. For the monthly variation, the maximum SSA of 0.968±0.002 occurs in August, whereas the minimum occurs in February with a value of 0.915±0.008. The mean SSA values from June to August are significantly higher than other months. This may be explained as follows. The aerosol scattering coefficient increases with relative humidity and the SSA is positively correlated with relative humidity. Due to the rainy season in the Yangtze River Delta in June-August, and frequent typhoons, the climate is humid and the relative humidity is high. Therefore, the SSA is higher than in June, July and August than other months.

Key words： aerosol; single scattering albedo; temporal distribution; Yangtze River delta

一、绪论

1.1 研究背景

大气气溶胶是悬浮在大气中的固态、液态粒子和气体载体组成的多相体系^[1]，且固、液小颗粒(不包括云粒子)的下落末速度能够被忽略。当太阳和地面辐射穿过大气时，气体分子、气溶胶粒子的吸收和散射现象会对辐射产生削弱作用。从气候的角度来看，气溶胶的吸收是影响气溶胶在大气顶部、表面太阳辐射和气溶胶层辐射加热等直接辐射作用的关键参数，同时气溶胶粒子对辐射的吸收作用不仅自身很重要，而且对于其散射特征也具有一定影响，这些影响对大气稳定具有重要意义。不但如此，大气气溶胶中的一小部分可作为水汽在其上凝结生成水滴的质粒，而这些由气溶胶凝结生成的小液滴在云中可得到的过饱和度条件下，经由活化和凝结增长过程逐步变为云滴，既气溶胶颗粒也可作为云凝结核，由此可见其在云微物理学中是十分不可或缺的。晴空大气层顶的反射率与地表反照率二者具有一定相关性，二者之间的函数关系尤为明确，气溶胶和水汽是首要的变化因素，同样在有云的情况下，云对大气层顶的反射率的影响是首要的，地表反照率的数值往往高于晴空反照率。大气气溶胶通过散射和吸收辐射(直接效应)和其他多种方式影响地球的能量预算，例如扰乱云层的反射率和缩短它们的寿命(间接效应)。对这两种影响的估计都受到很大的不确定性的阻碍，并且气溶胶对导致气候变化的辐射强迫的总体不确定性做出了巨大的贡献^[2]。气溶胶的直接辐射效应可根据气溶胶的消失和存在的辐射通量的不同来计算^[3]。在大气层顶部的直接辐射效应的负(正)值表明气溶胶使气候系统变冷(变暖)。气溶胶层内部和下方的辐射扰动也与气候有关，因为它们会影响大气的温度结构、云的形成和持久性(半直接效应)。在没有云的情况下，直接辐射效应与气溶胶光学性质具有密切的相关性，主要是光学厚度和单散射反照率和表面反照率^[2]。

单次散射反照率是描述气溶胶直接辐射强迫的关键光学参数^[4]。因此，其不确定性的主要来源是单次散射反照率建模过程中直接气溶胶辐射强迫的不确定性，尤其是对于全天云场景模拟^[5]。在辐射传输建模中，单次散射反照率的值通常是基于有限的实地测量所得数据通过建模反演辐射测量或用米散射理论假定折射率得到的^[7]。研究表明^[6]，使用这些方法的估计值都不是一致的，这可能会在之后的预测中引起很大的偏差，这是因为建模对模型的敏感性很高。反演气溶胶单次散射反照率的误差主要与模式输出的辐照度、地表反照率、光学厚度、波长指数、大气柱臭氧浓度的不确定性有关^[8]。

本文对长江三角洲区域大气气溶胶单次散射反照率2006年-2017年的数据进行比较分析，主要是为了研究长三角地区气溶胶单次散射反照率的月、年变化以及季节变化特性，间接反应了长三角地区空气污染的时间变化规律，使得今后能够基于此而进一步探讨长三角地区空气质量与气溶胶时空分布的关系。

1.2 国内外研究现状

大气气溶胶颗粒物会对太阳辐射光产生散射和吸收效应，使得以下辐射平衡产生变化，即大气吸收的太阳辐射能、到达地表的太阳辐射能和大气层顶反射回外太空的太阳辐射能三者间的平衡，这种辐射平衡的变化就是气溶胶产生的直接辐射强迫；同时气溶胶也可以作为凝结核，对云的物理和微物理特性产生一定影响，进而改变云的辐射特性，从而间接影响地气辐射能量平衡，称为气溶胶的的间接辐射效应^[9]，从气候观点来看，气溶胶吸收是影响大气顶部气溶胶直接辐射强迫，表面入射太阳辐射和气溶胶层辐射加热的关键参数。所有这些影响都会对大气稳定性产生重大影响，并可能通过半直接效应产生云^[10]。表1给出了在全球化学传输模型(GEO-CHEM)中使用的550nm的几种主要类型干气溶胶的单次散射反照率^[11]。北半球大部分气溶胶的单次散射反照率在0.85-0.95范围内^[12]。

表1 GEO-CHEM中主要类型气溶胶的光学特性(相对湿度=0%)^[11]

在北京，气溶胶吸收的多年趋势是由AERONET通过 Lyapustin等测量到气溶胶单次散射反照率。由于该地点的气溶胶光学厚度非常高，因为随着气溶胶光学厚度的增加，对吸收的敏感度显着增加。这些结果表明，也许使用固定的气溶胶单次散射反照率值可能导致在某些地点强迫计算的不确定性。气溶胶吸收和气溶胶单次散射反照率的第二个重要领域是某些卫星气溶胶光学厚度反演的敏感性。粒子吸收，特别是在多重散射环境中(比如气溶胶光学厚度gt; 0.5)，在卫星用来推断气溶胶光学厚度的大气层顶辐射率中起着越来越重要的作用^[13]。

天空辐射的大小对气溶胶单次散射反照率的测量起到直接影响作用；由此可知，因为校准的不确定性，先前测量所得的数据可能会偏高。然而，无论这种年际变化如何，来自所有年份的数据都显示出类似的剧烈增加的气溶胶单次散射反照率，意味着从燃烧季节的开始到结束，吸收越来越弱。气溶胶单次散射反照率任何一致的季节性变化都有可能影响卫星气溶胶光学厚度反演，从而导致季节变化的偏差，在大型验证研究中可能被视为随机噪声，例如，从标准MODIS算法中提取气溶胶光学厚度取决于气溶胶吸收值的先验假设^[10,14-15]。

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