全球各地观测到的主要类型的气溶胶的吸收和光学特性的变化外文翻译资料

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全球各地观测到的主要类型的气溶胶的吸收和光学特性的变化

摘要

虽然气溶胶辐射强迫具有可变性和不确定性，但它依然是影响全球气候的关键因素。即便如此，气候模式仍依赖于气溶胶光学特性的矩阵信息。虽然在许多方面现场测量很重要，但在整个大气柱中未受干扰的气溶胶的测量上，它能提供的测量很少。在这里，来自AERONET地面辐射计网络的8年全球分布式数据被用于远程感测几个关键位置的气溶胶吸收和其他光学特性。用于维护和校准全球辐射计网络、除云处理和反演技术的程序允许在辐射源和辐射条件会变化的站点中始终用相同的反演方式检测气溶胶的光学特性。多仪器的多年观测结果表明，沙漠中的沙尘、生物质燃烧气溶胶、城市工业所产生的粒子和海洋气溶胶等气溶胶在吸收能力和对光谱的依赖性上有着明显的差异。此外，观察到相同类型的气溶胶由于气象特性、源区特征和发射特性不同，（它们的）吸收能力也有明显的差异。人们期望这种气溶胶特性描述能够有助于改进气溶胶光学模型，并减少卫星观测全球气溶胶所产生的不确定性和减少在建立气溶胶对气候的影响的模型过程中所产生的不确定性。

3.气溶胶光学特性描述

a.生物质燃烧气溶胶

1）单次散射反照率

图1比较了所研究的全部站点的单次散射反照率。生物质燃烧产生的烟被认为是一种有高浓度黑碳（由燃烧所产生）的吸收性气溶胶。但是，我们的数据显示，不同区域（和可能老化）的烟，其单次散射反照率的大小有明显的不同，并且与燃烧产物中黑碳的存在相关。伴随有最强光谱依赖性的吸收最大值（单次散射反照率最低值）在非洲热带草原上被观测到。吸收的最小值在两个森林区域上被观测到，并且虽然两个区域在森林类型和结构有着明显的不同（亚马孙热带森林和北美北方森林），但它们所有波长的单次散射反照率的值都非常相似。南美热带草原地区的单次散射反照率处于中等水平。这些地区之间吸收能力的大部分差异归因于各地区之间明火燃烧与阴燃的相对百分比不同。巴西和非洲的广泛实地测量（Ward等,1992,1996）显示，对于草原生态系统来说，生物质（主要是草）燃烧过程中80%经明火燃烧而被消耗掉，对于森林砍伐而言，燃烧过程中明火燃烧的比例小于或等于50%。然而，吸收的差异也可能部分地归因于其他因素，例如燃料的水分含量、颗粒的老化程度（Reid等,1999; Jacobson等,2001）、环境温度、相对湿度和火强度。虽然高强度的树冠火在北方森林中很常见，并且在树冠火燃烧阶段中发生次数占主导地位的明火燃烧在燃烧过程中可能会产生大量的黑碳（Cofer等，1998），但我们关于北方森林火灾烟雾的数据表明，这种类型的燃烧在北方地区烟雾的产生中并不占主导地位。在北方森林地区，我们测量到单次散射反照率相对较高可能是因为树冠火燃烧中阴燃的燃烧时间比明火燃烧更长。Radke等（1991）提出在两个小型北美森林火灾中，从火燃起的那一秒开始单次散射反照率（距地2.0-2.5千米）就是燃烧时间的函数的观测论点。他们展示了从剧烈燃烧（单次散射反照率起始值为0.7）到燃烧时间占主导地位的阴燃，单次散射反照率急剧增加，在火燃约60分钟后，单次散射反照率的值稳定在0.92。

在南美洲热带草原地区，除了有从亚马孙森林地区向北部长时间输送过来的烟雾之外，还有来自当地焚烧（像大草原）植被和农业牧场燃烧的烟雾的组合。因此，热带草原中等大小的单次散射反照率是部分归因于（Eck等，2001a）来自不同源区域的烟雾的混合，并且也可能来自有时草原生态系统转化到农业用地时所发生的热带草原树木的燃烧。从巴西的一个热带草原地区的光谱辐照度数据分析推断出，当该区域的烟雾来自北方森林燃烧烟雾时，单次散射反照率的光谱依赖性和大小（Eck等，1998）与图1中的亚马逊森林的值相近，但是如果烟雾来自区域热带草原燃烧的烟雾，则该区域的单次散射反照率则更像非洲大草原的值。

将南美的生物质燃烧气溶胶的AERONET反演的单次散射反照率与在烟，云和辐射 - 巴西（SCAR-B）实验期间进行的原位飞机测量中得到的单次散射反照率进行比较，AERONET值显著更高。对于亚马逊河地区森林区域的区域雾霾，Reid等人（1998）计算出550nm处的平均单次散射反照率为0.86，标准偏差为0.05。相比之下，亚马孙森林地区的AERONET反演的平均单次散射反照率为0.935。类似的，巴西热带草原地区的飞机现场测量显示局地烟雾产生的500nm处平均单次散射反照率为0.79plusmn;0.04，老化过的烟雾于500nm处的平均单次散射反照率为0.85plusmn;0.02，而AERONET反演得到的500nm处的平均单次散射反照率为则是0.90plusmn;0.02，值得注意的是，从现场测量技术确定的平均单次散射反照率通常低于AERONET反演值（参见戈达德空中飞行中心GSFC，墨西哥城和马尔代夫第3b (1)部分的比较）。不同测量类型（原位与遥感）之间差异显著的原因尚未完全了解，应成为未来检测的重点。

2）粒子谱

颗粒尺寸分布所研究的所有区域的所有烟雾的粒度分布由累积模式支配。相应地，观察到小颗粒散射的以下特征:（i）a(1.7～2.0)的高值;（ii）随着波长增加，单次散射反照率减小;（iii）不对称因子明显减少到相对较低的值（g(440)=0.69降至g(1020)=0.52)。同时，这些不同地区烟雾的气溶胶大小分布也呈现明显的差异。非洲大草原烟雾半径的中位数最小，森林地区（亚马孙和北方森林）烟雾最大。森林区域烟雾更大可能是由于森林有更大的阴燃燃烧比例，因为Reid和Hobbs（1998）测量到新鲜（小于4分钟）阴燃烟雾（半径粒子的中位数是0.145mu;m）粒子大小比新鲜明燃烟雾（半径0.12mu;m）。影响颗粒尺寸的因素还有燃料、颗粒老化程度、火的强度和环境相对湿度和温度的特征，除了燃烧类型。所有四个区域的模式生物质燃烧颗粒的大小是动态的，随着气溶胶光学厚度增加，粒子的半径显示出增加的趋势。模式中值粒径与T之间的这种相关性可能与气溶胶的老化和由于凝结，冷凝和气体 - 粒子转化而导致的粒度分布的相关变化相关（Reid等，1998）。这种模式中值粒径与光学厚度之间的相关性可能与气溶胶的老化和由于凝结，冷凝和“气-粒转化”而导致的粒度分布的相关变化相关（Reid等，1998）。

3）复折射指数

生物量燃烧烟雾折射率实部的反演范围是亚马逊森林区域烟雾的平均值1.47至南美洲热带草原烟雾的1.52。Yamasoe等人 （1998）用了不同的方法从一些相同的AERONET数据集中获取了其中一个热带草原观测点的复折射率，发现平均值范围从440 nm的1.53到1020 nm处的1.58。其他调查人员估计生物质燃烧气溶胶的折射指数的实部范围介于1.52和1.55之间（Westphal和Toon 1991; Lenoble1991; Li和Mao 1990）。

表1.AERONET地基辐射计网络的气溶胶主要光学特性的反演

注释：表中的每一个值都附有标准偏差，比如plusmn;0.01（这不是反演的精度）。复折射指数的实部和虚部及单次散射反照率只给出了城市工业气溶胶、混合型气溶胶和生物质燃烧气溶胶光学厚度（440）ge; 0.4、沙尘气溶胶总光学厚度（1020）ge; 0.3和波长指数le;0.6的部分。我们还给出了光学厚度和波长指数的完整观察范围粒子谱分布。由于灰尘中1020nm的总光学厚度的回归比440nm的总光学厚度的回归更精准，所以灰尘的动态依赖关系在1020nm处表现为光学厚度的函数。

b.城市工业气溶胶

城市工业气溶胶的光学性质也显示出显著的变化性，这取决于天然和人为因素对气溶胶形成和演化的复杂组合，包括对相对湿度、云量、高度、燃料类型、排放特征等过程中的影响。

1）单次散射反照率

GSFC的雾霾几乎不吸收（550nm的单次散射反照率约为0.97），而墨西哥城（550nm处单次散射反照率约是0.89）的污染和马尔代夫[omega;（550）〜0.90]的气溶胶吸收与非洲大草原烟雾吸收几乎一样强烈。克里特尔（巴黎郊区）的气溶胶吸收[omega;（550）〜0.94-0.93]处于在GSFC和墨西哥城的中间。在戈达德太空飞行中心获得的低吸收值接近于具有高相对湿度的水溶性气溶胶（Shettle和Fenn1979；Koepke等人1997）预期的值（Remer和Kaufman 1998; Tanre等人，1999）。然而，其他模型为城市气溶胶提供了较低的omega;值，如Hess等人的omega;（550）〜0.82（1998）和由Shettle和Fenn（1979）得到的omega;（550）〜0.84（相对湿度90％）。对戈达德太空飞行中心的AERONET反演结果与SCAR-America（SCAR-A; Remer等人1997）和对流层气溶胶辐射强迫观测实验（观测实验; Hegg等人1997;Russell等人1999; Hartleyet等，2000）用飞机现场测量到的气溶胶信息大致相同。在SCAR-A中飞机原位测量的同化数据（Remer等人，1997）说明omega;（450）〜0.98-0.99。Hegget 等（1997）观测实验估计平均单散射反照率的环境（湿）气溶胶更低：omega;（550）〜0.94（平均上限）。然而，Hartley等人（2000）对同一组测量的再分析后，给出了水合气溶胶的单散射反照率较高的值：omega;（550）〜0.95plusmn; 0.03。Russell等人（1999）通过对现场飞机测量中折射指数n =1.4和k =0.005（接近我们的反演结果）时粒子大小分布的模拟估算，给出了类似的值[omega;（550）〜0.95]。在墨西哥城观察到我们城市站的小样本中城市工业气溶胶的吸收最大[omega;（550）〜0.90]，但仍然显著低于许多模型的报告数据。例如，Hesset等（1998）给出omega;（550）〜0.84、谢尔和芬恩（1979）给出相对湿度为80%时的城市气溶胶单次散射反照率omega;（550）〜0.79，当相对湿度为50％-60％时，omega;更低，而这是墨西哥城相对湿度的代表值（Baumgardener等人，2000）。通过现场测量也观察到墨西哥城的高气溶胶吸收（Vasilyev等，1995；Baumgardener等，2000）。Vasilyev等（1995）通过近地面的光电计数器获得了气溶胶粒度分布的非常低的单散射反照率估计值：omega;（550）〜0.6-0.8。最近通过浊度计和吸收光度计测量墨西哥城气溶胶（Baumgardener等，2000；D.Baumgardener 2001）的单次散射反照率则更加接近我们的反演结果omega;（550）〜0.80-0.88，但仍较低。

INDOEX一部分实验是在马尔代夫观测气溶胶。结果显示，马尔代夫的单次散射率omega;（550）为0.90-0.91，与墨西哥城吸收相似。马尔代夫的这种气溶胶高吸收与在同一地区进行的其他INDOEX实验结果以及我们所测量的部分重叠时间框架一致（Eck等，2001b； R01；Satheesh等，1999）。利用基于陆地、船舶和飞机的现场测量和遥感技术，INDOEX实验期间采用了几种独立的技术来估计气溶胶单散射反照率omega;。Ramanathan等人比较了这些全部技术在加入Kaashidho气候观测站AERONET反演结果后（Du-bovik和King ,2000）的反演结果。这些不同的方法在马尔代夫INDOEX区域测量到omega;（530）〜0.86-0.90。这些值在AERONET和现场测量的不确定水平内表现出良好的一致性（详细讨论见R01和Eck等人，2001b）。

不幸的是，巴黎地区还没有任何有关omega;的报告或测量。然而，近地面气溶胶化学测量（Rueallan和Cashier, 2001; Liousse和Cashier,1992）表明了巴黎气溶胶中高浓度的黑碳。城市地区观察到的omega;变化较大，这可以用燃油类型，排放条件，长期运输和环境和气象条件不同来解释。戈达德太空飞行中心附近的汽车交通是当地最强的污染源，而来自墨西哥湾、田纳西州、俄亥俄瓦莱斯等远距离污染输送也存在。在马尔代夫（INDOEX）观察到的混合气溶胶主要是使用化石燃料（Novakov 等，2000）和一些生物质燃料以及各种工业过程的人为燃烧过程的结果。大量的柴油车辆和双冲程发动机也是印度次大陆气溶胶形成的重要因素（Satheeshet等，1999）。相应地，在马尔代夫（INDOEX）中观察到的气溶胶的相对较强的吸附性质主要由于化石燃料燃烧和生物质燃烧的烟灰的存在。Satheesh等人（1999）确定它对中度气溶胶光学深度有11％的贡献。巴黎的气溶胶现场测量（Liousse和Cachier ,1992）表明，化石燃料燃烧产生的大气输入很明显。欧洲密集的交通（与美国相比，欧洲柴油发动机数量更多）影响了巴黎的气溶胶。此外，从东欧运送气溶胶、距离硫酸盐的源地较短（使SO₂转化为SO₄更少）和/或相对于美国的二氧化硫排放量较低（由于使用核能而不是燃煤））可能是影响巴黎气溶胶形成的重要因素。汽车和工业污染的排放标准控制在法国比在墨西哥和印度更为先进，这可能有助于巴黎比起墨

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