氣溶膠輻射特性的簡化分析

氣溶膠輻射特性的簡化分析

1m到幾十微米全球氣凝膠通常是指懸浮在全球范圍內的小顆粒。粒度范圍為0.001m-幾十微米。這是地球-大氣和海洋系統(tǒng)的重要組成部分。它通過直接輻射強迫和間接輻射強迫影響著地球大氣的狀態(tài)。近些年來,人類活動引起的大氣氣溶膠變化導致的氣候變化問題成為科學家們關注的一個重要領域。2氣溶膠的分布和云在氣候變化的研究中,廣泛地使用著輻射強迫的概念。IPCC對輻射強迫有著明確的定義,它是指“若其他因素不變,大氣環(huán)境或天文環(huán)境中某一因素的變化使地球對流層以下輻射收支產(chǎn)生的變化稱為輻射強迫”。氣溶膠的直接輻射強迫是指氣溶膠對輻射散射和吸收造成的地球對流層以下輻射收支的變化。目前大部份氣溶膠直接輻射強迫的研究都是針對氣溶膠對太陽輻射(短波輻射)的散射和吸收,但氣溶膠對長波輻射也有一定的影響,雖然其數(shù)值要小得多。溫室氣體的輻射強迫都是以工業(yè)革命前為基準,指的是自從工業(yè)革命以來由于人類活動導致溫室氣體濃度的增加而造成的地氣系統(tǒng)輻射平衡的改變。對于氣溶膠的直接輻射強迫,原則上也應當是這樣來估計。1992年Charlson等的文章中也提到工業(yè)革命前全球氣溶膠的本底值可以用光學厚度0.12來估算。與溫室氣體的輻射強迫相比,氣溶膠的直接輻射強迫要復雜得多,這是由于氣溶膠本身的復雜性造成的。(1)氣溶膠自身的特性就十分復雜。對于溫室氣體,例如CO2,它每個粒子都是相同的(少量同位素不考慮在內)。但對氣溶膠來說,每個粒子的大小、形狀、表面結構、化學組分以及其折射率等特性都不同,這就給研究帶來巨大的困難。例如溫室氣體只要知道了它的濃度分布(無論是質量濃度或者是數(shù)密度濃度都可以,在知道了溫度、壓力等大氣條件后,這二種濃度值可以方便地互相換算),就可以研究它們的輻射強迫。但對氣溶膠來說,事情就沒有那么簡單。單單知道氣溶膠的數(shù)密度或質量密度是遠遠不能滿足輻射強迫研究的需要,而且就是這二個參數(shù),在沒有其他補充信息時,二者可能沒有一定的聯(lián)系。因此為了研究氣溶膠的直接輻射強迫需要有比溫室氣體多得多的信息。但目前尚很難說已經(jīng)有足夠的觀測數(shù)據(jù)能滿足研究的需要。(2)和溫室氣體相比,氣溶膠在大氣中的停留時間要短很多,這造成了它在大氣中分布的不均勻性和隨時間的快速變化,這種分布和變化的復雜性只有水汽可以與之相比。(3)氣溶膠直接輻射強迫的復雜性還在于它的作用不僅取決于氣溶膠本身的特性,而且與其環(huán)境,主要是下墊面的反射特性有關,這一點和溫室氣體是很不相同的。溫室氣體主要是通過長波輻射來影響到地-氣系統(tǒng)的輻射平衡,而地表(包括陸地和海洋長波射出率變化的范圍較小為0.9～1.0。氣溶膠主要通過短波輻射影響地-氣系統(tǒng)的輻射平衡,而地表對短波輻射的反照率變化范圍十分大,可以從0.02一直到接近1.0,在這樣大范圍的變化中,同樣一團氣溶膠粒子,其物理、化學特性完全沒有變化,它在某種下墊面條件下可能是使系統(tǒng)降溫的,但當它移動到另外一種下墊面時就可能是增溫的了。(4)氣溶膠直接輻射強迫的大小與云的狀況有關,而云又是大氣中最不確定的組份之一。廣義地說,云也是一種氣溶膠,但在氣溶膠直接輻射強迫的研究中習慣上是把云的作用給分出來,把它歸結為氣溶膠的間接輻射強迫。而所謂氣溶膠的直接輻射強迫是指晴空條件下的氣溶膠輻射強迫,在有云時氣溶膠的直接輻射強迫就不提了,因為這時云的作用要遠大于氣溶膠。這在單獨討論氣溶膠直接輻射強迫時可能沒有特別的困難,但在氣候研究中常常要知道某一地區(qū)某一時段中氣溶膠直接輻射的平均效果,這時計算平均量就離不開云的分布了。這又是一個很難處理的問題。Coakley和Cess1985年提出了一個簡化的輻射模型,用以分析氣溶膠對地-氣系統(tǒng)輻射平衡的作用。該模式假定在原地-氣系統(tǒng)對太陽輻射反射的基礎上再疊加上一層氣溶膠層,研究這時對太陽輻射反射率的變化。被疊加上去的氣溶膠層對太陽輻射有一定的反射率、吸收率和透射率,在考慮了與地面的多次反射后,Coakley等得到了在不同下墊面反射率條件下,氣溶膠層的反射能力和吸收能力與這層氣溶膠層最終是使地氣系統(tǒng)增溫還是冷卻的判據(jù)。但這個模型沒有利用目前通用的氣溶膠輻射特性的參數(shù)——光學厚度δ、單散射反射率?ωω?0和對稱度因子g,因此有必要修改一下。假設在原地球和大氣(包括地面反射和分子散射)的基礎上又疊加了一層氣溶膠層。原來地球和大氣的短波反射率為αg,疊加中上去的氣溶膠層的光學厚度為δ,單散射反射率為?ωω?0,不對稱度因子為g。有:δ=kexH,其中kex為氣溶膠的消光系數(shù),H為氣溶膠層的標高;kex=ksc+kab,其中ksc為氣溶膠的散射系數(shù),kab為氣溶膠的吸收系數(shù)。其中散射可分為前向散射和后向散射,分別占的百分比為F和B,F+B≡1。ksc=kscF+kscBksc=kscF+kscB這里我們對不對稱度因子的定義做適當?shù)难由?不對稱度因子原來的定義是前半部散射光在入射光方向投影和與后半部散射光在同一方向軸上投影和的差值與總散射光之比,這個參數(shù)主要是在討論輻射場的光壓時引入的,用于討論輻射場動量的變化。但從能量角度講,它并不好用。因此在這里做一些改動,把不對稱度因子定義為前向散射和后向散射之差與總散射之比,這樣就有{F-B=gF+B=1?{F=0.5(1+g)B=0.5(1-g){F?B=gF+B=1?{F=0.5(1+g)B=0.5(1?g)根據(jù)單散射反射率的定義:?ω0=ksckex=kscksc+kabksc=?ω0kexkab=(1-?ω0)kexω?0=ksckex=kscksc+kabksc=ω?0kexkab=(1?ω?0)kex這層氣溶膠層的反射率R、吸收率A和透過率T分別有:R=kscBΗ=0.5?ω0(1-g)kexΗ=0.5?ω0(1-g)δA=kabΗ=(1-?ω0)δΤ=0.5?ω0(1+g)δ+(1-δ)R=kscBH=0.5ω?0(1?g)kexH=0.5ω?0(1?g)δA=kabH=(1?ω?0)δT=0.5ω?0(1+g)δ+(1?δ)可以看出,R+A+T≡1。利用與Coakley和Cess相同的方法,在原地面和大氣反射太陽輻射的基礎上,疊加了一層氣溶膠層,其短波反射率α有α=R+Τ2αg1-αgRΔα=α-αg(1)α=R+T2αg1?αgRΔα=α?αg(1)在經(jīng)過一些近似(主要是省略掉高階小量)以后,反射率的變化為Δα=?ω0(1-g)δ[12αg-2-?ω0(1+g)1-g](2)Δα=ω?0(1?g)δ[12αg?2?ω?0(1+g)1?g](2)反射率的變化決定了地氣系統(tǒng)的能量收支。如反射率增加,Δα>0,則地氣系統(tǒng)要降溫,反之則增溫。從式(2)中可以看到,反射率變化的符號(是降溫還是增溫)取決于等式右邊方括號中二項的大小。前一項反映地表的反射特性,后一項則取決于氣溶膠的特性。反射率變化的符號與光學厚度的大小無關,但反射率變化的絕對值則是和δ成正比,也和?ω0和(1-g)成正比。為了討論氣溶膠特性是怎樣影響到地-氣系統(tǒng)短波反射率的變化,在圖1中給出在不同ω0和g值時式(2)方括號中后一項的數(shù)值,并給出針對不同αg值時,1/2αg所對應值的等值線。對一個地表反射率αg,在圖1中有一根曲線,曲線左上方的區(qū)域是加熱的,曲線右下方的區(qū)域是降溫的。若一般取g=0.65和αg=0.15,當?ω0<0.5是增溫的,?ω0>0.5是降溫的。如g增大到0.75,則降溫和增溫的分界點將增大至?ω0=0.68。可以從物理上來分析一下為什么會出現(xiàn)這一結果。從圖1中可知,當g和αg固定,隨著?ω0的增大,將從增溫變?yōu)榻禍?。隨著?ω0的增大,氣溶膠層對太陽輻射的吸收減小,散射增加,這就把更多的太陽輻射能反射到太空,使地-氣系統(tǒng)溫度下降;同樣,當?ω0和αg固定,隨著g的增加,地-氣系統(tǒng)將從降溫變?yōu)樵鰷亍的加大表明前向散射加大,后向散射減小,其結果是直接減小地-氣系統(tǒng)對太陽輻射的反射,更多的太陽輻射能進入地-氣系統(tǒng)將導致系統(tǒng)增溫。最后,如果?ω0和g固定,相對于不同的αg,可以看到隨著下墊面反射率的增加,將使系統(tǒng)從降溫變?yōu)樯郎亍Ｆ湓蚩梢赃@樣理解,隨著αg變大,地表把更多的太陽輻射能反射回氣溶膠層,氣溶膠層有更多的機會吸收太陽輻射能,從而使地-氣系統(tǒng)增溫。這一結果表明,對同樣特性的一團氣溶膠,當它處于海洋或植被條件較好的地區(qū),那里下墊面反射率較低,它使該地區(qū)降溫,若這團氣溶膠遷移到極地,那里下墊面反射率較高,它的作用就可能是增溫的了。從這些分析可以聯(lián)想到中國的情況。從一些測量結果可以看到,中國上空氣溶膠層不僅光學厚度大,顆粒比較大,g值偏大,而且吸收也比較強,即?ω0值偏低。這樣的氣溶膠層對下墊面反射率較低時可能是以降溫為主,但當下墊面反射率升高了,例如中國西北地區(qū),氣溶膠的直接輻射強迫就可能是增溫的了。這一點目前尚沒有足夠的觀測資料做結論,但卻是需要盡快查清的。3氣溶膠光學厚度從上面的討論可以看到,對氣溶膠直接輻射強迫的研究需要有關氣溶膠光學厚度、單散射反射率和對稱度因子的數(shù)據(jù)?？梢詮牡孛婧涂臻g通過直接測量和遙感的方法來取得這些資料。3.1太陽光度計的定標和儀器穩(wěn)定性的監(jiān)視地面太陽光度計測量整層大氣氣溶膠的光學厚度是最通用的方法,也常常被用作對比的參考值。太陽光度計測量整層大氣氣溶膠的光學厚度的原理十分簡單,假設大氣水平分層,地面接收到的直接太陽輻射強度為:Sλ=S0λe-δ0m(3)其中S0λ為大氣上界入射的該波長太陽分光輻照度,δ0是整層大氣垂直光學厚度,m為大氣質量數(shù)。如果光度計探測器輸出電壓與光強成正比,則Vλ=CλS0λe-δ0m(4)Cλ為儀器的定標系數(shù)。在儀器定標后,根據(jù)所測的電壓值可算出大氣的總光學厚度δ0,在扣除空氣分子的散射和吸收的影響后,即可得到氣溶膠的光學厚度δ。為了保證光度計能準確地得出氣溶膠光學厚度的數(shù)值,有兩件事是需要特別注意的。其一是儀器的準確定標,并保持定標系數(shù)的長期穩(wěn)定性。目前儀器定標的基本方法是長法定標。只要大氣條件合適,長法定標可以得到足夠高的精度,多次定標并進行相互比較是檢驗定標精度的基本方法。在準確定標以后,保證在觀測期間定標系數(shù)的穩(wěn)定也是一件重要的事情,這就要求建立一種監(jiān)視系統(tǒng),周期性地對儀器的定標系數(shù)進行監(jiān)視。太陽光度計觀測中另外一個需要注意的問題是對日周光的修正。因為按定義,太陽光度計只測量太陽的直接輻射,但事實上儀器不可避免地也測到了太陽周圍的日周光輻射(主要是氣溶膠和大氣的部分前向散射光)。由于測到的輻射量大于單純的直接輻射,計算出的光學厚度就會偏小。這一現(xiàn)象在太陽光度計張角較大,氣溶膠光學厚度較大和氣溶膠顆粒較大,粒子的前向散射較大時更為明顯。Deepak和Box在1978年就分析過這一問題。對于中國的具體情況,氣溶膠光學厚度和粒子大小都偏大,日周光訂正是會很重要的。粗略計算表明,對張角為2°～3°的太陽光度計,當氣溶膠光學厚度超過0.5以后就應當考慮日周光的訂正,當氣溶膠光學厚度達到1.0以后,不做訂正的數(shù)據(jù)就不適用了。這方面還需要做許多具體的工作。北京大學從20世紀80年代初就開始研制多波段太陽光度計,并進行了相當系統(tǒng)的觀測。90年代末,結合中國地區(qū)氣溶膠輻射特性的研究,又研制了十波段太陽光度計,在全國多點進行了1a的同步觀測。為保證觀測資料的質量,對光度計的定標和儀器穩(wěn)定性的監(jiān)視都做了專門的工作。圖2給出光度計定標的結果,該儀器曾分別在河北興隆(1000m),安徽黃山(1800m)和西藏當雄(4600m)進行定標,并取得基本一致的結果。為了監(jiān)視光度計長期穩(wěn)定姓,用EG&G公司的R10標準光源到各觀測站做定期檢驗。圖3給出檢驗的相對誤差。從圖中可以看到,這種檢驗不能代替定標(精度不夠),但它可以監(jiān)視儀器長期工作的穩(wěn)定性。從1998年開始,利用所研制的太陽光度計在北京、青海、廣東、浙江、西藏等地做了系統(tǒng)的氣溶膠光學厚度觀測,所得資料不僅用于該地區(qū)氣溶膠輻射特性及其變化規(guī)律的研究,而且為校驗衛(wèi)星反演的氣溶膠光學厚度提供了數(shù)據(jù)。用太陽光度計除了觀測太陽直接輻射得到氣溶膠光學厚度以外,還可以測量日周光和太陽所在地平緯圈的天空散射光,用以反演散射相函數(shù)及氣溶膠折射率等許多重要的參數(shù)。我們在1987年就提出了通過逐次迭代的方法從測量的天空亮度分布得到一次散射的天空亮度分布的方法,并進一步反演氣溶膠散射的相函數(shù)和折射率,取得了很好的結果。3.2氣溶膠散射系數(shù)的測量在研究氣溶膠直接輻射強迫時,氣溶膠的單散射反射率是一個十分關鍵的參數(shù),它反映了在總的氣溶膠消光中,散射和吸收作用各占了多大的比重。這個量沒有直接的測量方法,只能通過測量氣溶膠的散射系數(shù)和吸收系數(shù)來計算,也可以通過各種遙感方法來反演。但相對于遙感方法而言,測量氣溶膠的散射和吸收系數(shù)還算是一種直接的方法,而且常用于對遙感反演結果的檢驗。直接測量氣溶膠散射系數(shù)的方法首推積分濁度計(Nephlometer)。Beutell等首先在1943年提出了這種裝置的原理,Middleton又對它進行了詳細的討論。其原理可查閱大氣物理教材。我們使用M9003型積分濁度計,這是一種單波段的裝置,用于測量532nm波長氣溶膠散射系數(shù)。由于儀器已設置了零點校準和靈敏度校準,零點校準可以設置在每天午夜自動做一次,靈敏度校準要用標準氣體,例如CO2或F22,每10d到30d人工校準一次。只要注意每天的零點和每次靈敏度校準的結果沒有太大的波動,儀器所測的氣溶膠散射系數(shù)就是可信的。吸收系數(shù)的測量是遠比散射系數(shù)困難的課題。早年都是把氣溶膠顆粒采集在濾膜上,再用光學的方法進行測量。在20世紀80年代,我們就研制了用積分屏方法測量氣溶膠吸收系數(shù)和當量碳的裝置。在該方法中將氣溶膠樣品采集在孔徑為0.4μm的Nuclepore濾膜上,再將濾膜放入由兩組毛玻璃組成的積分池中,測量濾膜上的氣溶膠粒子對光的衰減。為了保證這種衰減確實是由于氣溶膠的吸收而不是由于其散射所造成的,必須調整積分池的結構,使它對散射作用完全不敏感。為了檢驗這一點,可以在濾膜上采集足夠數(shù)量對所測波長沒有吸收的氣溶膠粒子進行試驗。對可見光波段可采用分析純的NaCl粒子。圖4顯示當濾膜上NaCl重量已達到0.8mg時,將它置入積分池中只造成不到3%的光的衰減,表明該積分池確實能很好地消除散射的影響,通過吸收池所測到的光衰減是由于氣溶膠粒子的吸收所造成的。積分池雖然可以解決散射過程的干擾,但并不能解決由于氣溶膠粒子被采集在濾膜上而改變的在空氣中原來的分散狀態(tài)。要解決這個問題要利用聲光法的儀器,目前這類設備已成為測量氣溶膠吸收系數(shù)的標準方法,常用于和其他儀器的校驗工作。從2003年開始,我們引進了用于測量氣溶膠吸收系數(shù)和黑碳濃度的黑碳儀(AE-16Aethalometer),這是一種單波段的設備,測量880nm波段的氣溶膠粒子的吸收系數(shù),并推算黑碳濃度。其原理是把氣溶膠粒子采集到纖維濾膜上,測量粒子對光的衰減。儀器利用纖維濾膜的多次散射效應減小粒子散射造成光衰減對測量的干擾。由于測量過程中已設置了參考光束和測量光束,每組測量都測暗電流,因此從透過率的測量來講儀器是完全可以保證測量的可靠和精度。唯一的缺點是單靠纖維中的多次散射并不能完全解決散射對測量的干擾,另外把粒子采集到膜上也改變了它們在大氣中分散的狀態(tài),因此用黑碳儀測出的氣溶膠吸收系數(shù)和黑碳濃度還有必要與其他儀器進行校驗。我們用光聲法儀器測得的氣溶膠吸收系數(shù)與黑碳儀的結果進行了比較,發(fā)現(xiàn)所測的吸收系數(shù)系統(tǒng)偏大5%。為了檢驗黑碳儀測量中散射的影響,將黑碳儀的觀測結果與多角度氣溶膠吸收儀(MAAP)進行了比較,發(fā)現(xiàn)黑碳儀測量的黑碳濃度系統(tǒng)偏大10%,表明黑碳儀中所用的纖維膜還不能完全消除散射的影響?？磥磉m當?shù)男拚潜匾?。但總體來說,積分濁度計和黑碳儀配合還是可以對氣溶膠的散射系數(shù)和吸收系數(shù)進行有效的監(jiān)測,綜合這兩份資料,就可以得到氣溶膠單散射反射率的信息。在過去2年多期間,我們在北京、臨安等地進行了系統(tǒng)的測量,得到了有關氣溶膠輻射特性的一批數(shù)據(jù)。圖5是2003年6月至12月在北京測得的氣溶膠單散射反射率的分布,總的平均值為0.793。3.3氣溶膠粒子譜的測量氣溶膠的輻射特性除了散射系數(shù)、吸收系數(shù)和單散射反射率外,一個很重要的參數(shù)是散射相函數(shù),常用對稱度因子g來表示。散射相函數(shù)一般用所測的氣溶膠粒子譜,用米散射理論計算而得。計算過程肯定會帶來許多誤差,例如關于球形粒子的假設和對粒子折射率的假定。直接測量相函數(shù)和不對稱度因子都很困難,現(xiàn)在有些積分濁度計提供了測量總的散射系數(shù)(散射角3°～177°)和后向散射系數(shù)(散射角90°～177°),這為直接測量g值提供了很大的方便。我們在過去幾年利用振蕩石英微天平氣溶膠多級采樣器在北京、內蒙、青海、廣東、甘肅和浙江等多處進行了氣溶膠粒子譜的觀測,積累了一批資料。振蕩石英微天平氣溶膠多級采樣器利用石英振蕩晶體作為氣溶膠粒子的采集器,當石英振蕩晶體上氣溶膠的沉積量增加,石英振蕩晶體的振蕩頻率下降。測量頻率的變化便可以算出沉積在晶片上氣溶膠的質量濃度。多級采樣器共分10級,各級的切斷直經(jīng)分別為25,12.5,6.3,3.2,1.6,0.8,0.4,0.2,0.1和0.05μm。因此利用該儀器可測很寬范圍中氣溶膠粒子的質量譜分布。在假設了氣溶膠粒子的密度后(假設密度為2g/cm3),還可以算出數(shù)密度譜。圖6給出2002年在浙江臨安站所觀測的氣溶膠質量譜和數(shù)密度譜。4衛(wèi)星觀測表觀反射率與幾何因子利用衛(wèi)星遙感是獲取大范圍氣溶膠輻射特性的不可替代的方法,雖然目前所得的資料是以氣溶膠光學厚度為主,但隨著新的衛(wèi)星遙感探測器的啟用,多波段、多角度、多時次、多偏振方向遙感信息的使用,完全有可能獲取全球范圍氣溶膠的各種輻射特性參數(shù)。衛(wèi)星遙感氣溶膠輻射特性的原理并不復雜,衛(wèi)星探測器所測到地球大氣系統(tǒng)某一方向發(fā)出的輻射包括兩部分,第1部分是大氣層中分子和氣溶膠粒子的散射(包括多次散射),第2部分是太陽輻射透過大氣射到地面,再由地面反射射向衛(wèi)星,這部分輻射還需要考慮大氣層和地面的多次反射。綜合考慮這兩部分的輻射,衛(wèi)星測到的地氣系統(tǒng)反射率一般可寫成Rv=R+Τm1Τm2αg1-Rαg(5)這里Rv是衛(wèi)星觀測到的表觀反射率,R是大氣層的反射率,T是大氣層的垂直透過率,m1,m2是取決于太陽天頂角和衛(wèi)星觀測天頂角的大氣質量,αg為地面反射率。注意式(5)和式(1)是非常相似的,實際上兩式所考慮的物理過程也是一樣的。仔細分析式(5)的各項可以發(fā)現(xiàn),衛(wèi)星測到的表觀反射率取決于4組變量,形式上可寫為:Rv=f(θ???θ0,?0;δ;αg;n(r),m)(6)其中θ,?,θ0,?0是衛(wèi)星觀測的天頂距、方位角和太陽的天頂距和方位角,被稱為幾何因子;δ為大氣的光學厚度,包括空氣分子和氣溶膠的光學厚度;αg為下墊面的反射率;n(r),m為氣溶膠的粒子譜和復折射率,可以稱它為氣溶膠的微物理參數(shù),它取決于對氣溶膠模型的選擇。在決定表觀反射率的4組變量中,幾何因子可以直接計算,光學厚度和地面反射率2個參數(shù)經(jīng)常是遙感的目標,氣溶膠模型則是最難確定的參數(shù),通常我們只能做一些簡單的假設,從有限的可選模型中選擇一種。但即使在氣溶膠模型選定之后,從衛(wèi)星測到的一個表觀反射率也只能反演出一個未知量,因此在光學厚度和地面反射率這兩個參數(shù)之間只能選擇一個,而另一個需要知道。根據(jù)遙感目的不同,選擇哪個參量作為未知量是不同的,在氣溶膠遙感時我們選擇光學厚度為未知量,這時地面反射率應當已知,而在遙感應用部門,他們選擇地面反射率為未知量,那么光學厚度應當是已知的。這當然是一種無奈的做法,如果衛(wèi)星能測到更多的參數(shù),也就可以反演得到更多的未知量,下面將會討論的多角度、多波段等方法就可以部分地解決這個問題。對目前應用最廣的利用一個表觀反射率的觀測數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學厚度而言,地面反射率和氣溶膠模型必須設法確定。在早期的工作中,用NOAA衛(wèi)星的AVHRR可見光通道資料反演海洋上空的氣溶膠光學厚度。因為海水(應當說是清潔的海水)的反射率很低(0.02～0.05)而且穩(wěn)定,因此可以用一些簡單的假設指定海水的反射率。另外海洋上空氣溶膠模型也比較好確定。因此NASA很早就開始洋面上空氣溶膠光學厚度的反演,并每周一次公布洋面上空平均氣溶膠光學厚度分布的資料。4.1模型選擇和檢驗直到2000年Terra所攜帶的MODIS設備上天之前,關于陸地上空氣溶膠光學厚度的反演工作一直沒有解決好。1998年開始的中國地區(qū)氣溶膠輻射特性研究課題使用了2種方案來利用當時可以獲得的衛(wèi)星資料反演中國地區(qū)的氣溶膠光學厚度,其一是選擇中國境內25個湖泊的水面作為目標物,利用靜止衛(wèi)星GMS-5可見光通道所測的表觀反射率來反演氣溶膠光學厚度,其出發(fā)點是水面的反射率會比較穩(wěn)定。另一種方法是利用TOMS所測的紫外通道(360nm)的表觀反射率數(shù)據(jù)來反演氣溶膠光學厚度,因為在紫外波段,地表反射率都很低,不管是植被密集的地區(qū)還是無植被地區(qū),可以簡單地假定一個地表反射率值進行反演。當然,所有這些反演過程中也都會遇到氣溶膠模型的選擇問題。在利用25個湖面作為目標物反演氣溶膠光學厚度工作中會碰到幾個問題。第1是這些湖面的反射率如何確定?最后是選用清潔日的方法,即每個月選擇一個最清潔的日子(表觀反射率最低),假設清潔日氣溶膠光學厚度為0.1,由此算出該湖的反射率,并應用到這個月用以反演計算氣溶膠的光學厚度。用上述方法算出的湖面反射率是否確實適用由下面2種考慮來檢驗:(1)反演出的湖面反射率在1a中應有合理的變化規(guī)律;(2)在有太陽光度計觀測的點,最后反演的光學厚度應當合理。第2個問題是氣溶膠模型應怎樣選擇?因為是反演中國廣大地區(qū)的氣溶膠光學厚度,所以首選是SRA模型中大陸氣溶膠模型。但也用多波段太陽光度計所測的光學厚度隨波長變化的規(guī)律進行了檢驗,最后顯示選用大陸型氣溶膠模型還是合理的。第3個問題是反演氣溶膠光學厚度的正確性如何檢驗?課題組織了在5個湖(北京的密云水庫、安徽的巢湖、廣東的新豐江水庫、青海的青海湖以及西藏的納木錯)附近太陽光度計的觀測,用以檢驗衛(wèi)星反演氣溶膠光學厚度。比較結果顯示,至少在季度平均值上兩者的符合程度是可以接受的。據(jù)此,最后用25個點的反演資料給出4個季度中國氣溶膠光學厚度分布的圖像。圖7給出利用25個湖面反演的中國氣溶膠光學厚度的季節(jié)分布。這個工作的水平并不很高,這個結果存在一定誤差,其原因一是25個點對中國廣大地區(qū)來說是太少了一點,而且因為要依賴湖面,在空間分布上也不理想;另一個原因是反演精度并不高,因此只能得到季節(jié)的平均分布。在利用25個湖面反演氣溶膠光學厚度分布的同時,也用TOMS360nm資料反演。如前所說,在紫外波段地表反射率較低,有利于反演工作。圖8給出用TOMS資料反演北京地區(qū)氣溶膠光學厚度與上甸子站太陽光度計觀測結果的對比及反演得到北京地區(qū)氣溶膠光學厚度的季節(jié)變化。4.2基于太陽光度計的氣溶膠光學厚度分布2000年8月Terra上的MODIS正式工作以來,由Kaufman等開始的暗背景反演大陸上空氣溶膠光學厚度的方法就成為這一領域最重要方法。暗背景反演方法的基本依據(jù)是根據(jù)Kaufman等在美國多處飛機觀測的結果認為對植被條件較好的暗背景條件下,MODIS第1,3通道的地表反射率和第7通道的地表反射率之間有簡單的線性關系。由于7通道波長較長(2.13μm),大氣散射的影響不大,衛(wèi)星測到的表觀反射率就是地面反射率。這樣,用MODIS7通道所觀測的表觀反射率可以容易地算出1,3通道的地表反射率。這就解決了衛(wèi)星反演氣溶膠光學厚度中最困難的一個問題。當然在衛(wèi)星反演氣溶膠光學厚度時還有一個困難就是氣溶膠模型的選擇問題。Kaufman等的方法中通過同時對2個通道進行反演的方法來解決。因為對某種氣溶膠模型,所用的2個通道(0.49和0.66μm)的光學厚度比應當有一定的值。當所用的氣溶膠模型不正確,反演得到的光學厚度之比也不對,據(jù)此可對氣溶膠模型進行調整。根據(jù)暗背景反演方法,NASA每天在網(wǎng)上提供全球絕大多數(shù)地區(qū)氣溶膠光學厚度的反演結果,空間分辨率為10km。我們的工作首先是要檢驗這一份數(shù)據(jù)對中國大陸是否適用,為此在北京、浙江臨安和香港開展太陽光度計的觀測,以便和MODIS反演結果進行檢驗。檢驗的結果表明用暗背景方法反演的10km分辨率的氣溶膠光學厚度對中國東部地區(qū)植被條件較好的地區(qū)還是適用的。圖9是在北京、臨安和香港的相關圖。在此基礎上得到中國東部地區(qū)氣溶膠光學厚度分布,并把這一資料用于分析不同地區(qū)氣溶膠分布的特性及研究區(qū)域間氣溶膠的輸送問題[28,29,30,31,32,33]。圖10為中國東部地區(qū)氣溶膠光學厚度的年平均分布。NASA提供的MODIS氣溶膠產(chǎn)品的空間分辨率是10km,這對研究城市的氣溶膠污染是太低了。經(jīng)研究MODIS1km分辨率的資料有可能做相應1km分辨率的氣溶膠光學厚度的反演工作。在此基礎上的反演產(chǎn)品已被應用到香港和北京等城市氣溶膠分布的研究中。雖然暗目標方法反演氣溶膠光學厚度是相當成功的,但對中國廣大地區(qū)而言仍有改進的必要。一些明顯的問題包括地面反射率的計算方法是否合適?氣溶膠模型應當如何確定?對高反射率的情況反演工作應如何進行?從MODIS7通道的觀測值推算1和3通道的地面反射率的方法是在美國用飛機觀測所得的資料統(tǒng)計而得的,對中國廣大地區(qū),尤其是那些干旱和半干旱地區(qū),很可能是需要做適當?shù)男拚牡孛嬗锰柟舛扔嫼蚆ODIS反演結果對比來看,北京的結果也較差,MODIS反演的光學厚度偏大,這顯示可能地面反射率估計偏低了。為此我們用清潔日的方法檢驗了北京地區(qū)這3個通道下墊面反射率之間的關系。選擇清潔日,即大氣特別清潔,氣溶膠光學厚度十分均勻的日子,這時可人為地假定整個地區(qū)氣溶膠光學厚度均為太陽光度計觀測的值,在假設了氣溶膠模型以后,就可以算出1和3通道的地面反射率,再和對應的7通道反射率進行統(tǒng)計回歸。表1給出幾次統(tǒng)計的結果。從表中的結果來看,1,7通道的比例系數(shù)應取0.64左右,3,7通道的比例系數(shù)應取0.29左右。和Kaufman所取的0.5和0.25相比,要增大一些?？紤]到北京處于半干旱地區(qū)的邊緣,植被條件不很好,這種增大也是合理的。第2個需要改進的是氣溶膠模型的選取問題。如果局限于SRA模型,那么只有有限的幾種模型可供選擇,但實際情況會復雜得多。Kaufman等也提出了動態(tài)氣溶膠模型,這是他們從不同光學厚度條件下氣溶膠粒子譜有變化這個觀測事實中總結出來的。動態(tài)氣溶膠基本上還是沿用SRA的思路,每種實際的氣溶膠都是由幾種標準的氣溶膠模型組合而成,但其中組合的比例與光學厚度有關。在利用動態(tài)氣溶膠模型反演氣溶膠的光學厚度時,首先用大陸型氣溶膠模型進行反演得到一個光學厚度的值,再據(jù)此修改氣溶膠模型。這樣反復幾次就能得到合適的值。我們試用了這一思路,其結果稍有改進,但改進并不明顯。自從2002年Aqua衛(wèi)星開始工作以后,同時有2顆衛(wèi)星攜帶有MODIS設備在進行工作,它們通過地面上某一點的時間相差2～3h,這為多時次、多角度反演大氣氣溶膠光學厚度的工作創(chuàng)造了極好的機會。唐家奎(TangJiakui)等試驗了利用Terra和Aqua2顆衛(wèi)星的資料反演氣溶膠光學厚度的方法(SYNTAM),并取得了覆蓋北京及周邊地區(qū)的一些結果。但所用的輻射傳輸模型較為簡單,不利于反演精度的提高。我們根據(jù)唐家奎等的思路,用完整的輻射傳輸模式計算代替了簡化的計算。唐家奎等的反演方法的基本思路:(1)氣溶膠光學厚度隨波長的變化可以用Angstr¨om公式來表示δ(λ)=βλ-α(7)對2顆衛(wèi)星觀測而言,由于觀測時間相隔了將近2h,β值可能有變化,但α值不變,即氣溶膠數(shù)量有變化,但氣溶膠模型不變。(2)每個波段有各自的地表反射率值。對于2顆衛(wèi)星觀測