论文部分内容阅读
大气气溶胶是影响大气辐射传输以及云和降水等过程的重要因子。相较于温室气体，气溶胶时空变化大、影响气候机制复杂，致使气溶胶气候效应的评估不确定度要大得多，仍然是人类活动引起的气候变化模拟和预测中最不确定的因素之一，其中加强气溶胶时空变化特征的研究是提升气溶胶气候效应认识的重要基础，也可为气溶胶环境效应研究提供新认识，因此具有重要科学意义。
气溶胶时空尺度的研究依赖于气溶胶观测技术的发展和数据的长期积累。遥感是获得气溶胶光学特性的重要手段，1990年以来，地基和卫星遥感取得了长足发展，提供了海量气溶胶特性观测数据，为深入开展气溶胶时空变化特征研究奠定了基础。中国地区是全球气溶胶高值区之一，由于独特的自然和人为气溶胶排放特征，加之地形和气候的配合，导致我国气溶胶特性呈现出特征明显的时空变化特征。本论文采用中国气溶胶遥感监测网络(CARSNET)和中分辨率成像光谱仪(MODIS)提供的2002～2018年气溶胶光学厚度(AOD)地基和卫星数据，结合2013年以来PM10与PM2.5小时浓度数据，针对中国地区气溶胶日变化和周变化这个科学问题开展系统研究。采用多种数据统计分析方法，重点探讨了地面PM10与PM2.5浓度和大气柱气溶胶光学厚度(AOD)变化之异同及其潜在原因，同时也采用辐射传输模式系统评估了AOD日变化对气溶胶直接辐射效应的可能影响。主要结论如下:
1、采用CARSNET/AOD系统评估了MODIS暗目标/深蓝算法(DT/DB)融合AOD产品和多角度大气订正算法(MAIAC)AOD产品。总体而言AOD/MODIS与AOD/CARSNET有比较好的相关，Aqua产品优于Terra产品，AOD/MAIAC与AOD/CARSNET的相关性稍逊于DT/DB融合产品。西北地区(NWC)DT/DB融合产品和AOD/MAIAC产品精度略低于华北地区(NCP)。
2、中国中东部地区气溶胶工作日低于周末，显著不同于美国和欧洲等地气溶胶周变化。基于AOD/Aqua二级产品（10km空间分辨率）分析表明中国中东部地区(21.5～41°N，105～123°E)绝大部分区域AOD工作日低于周末，三种显著性检验结果均支持上述结论。中国中东部地区19个省会城市AOD周变化分析结果也表明城市地区工作日AOD仍低于周末，内陆城市比沿海城市更加显著。基于AOD/MAIAC(空间分辨率为1km)，同样也发现该区域内为负周末效应，该结果与基于MODIS三级产品（1°空间分辨率）分析结果类似。采用美国脸书(Facebook)最新开发的基于灵活的时序模拟及预测模型(Prophet)，进一步验证了区域内负周末效应的存在。该结果显然不支持此前的MODIS三级产品因空间分辨率较粗，不能抓住城市尺度AOD周变化特征的推测。中国中东部地区AOD周变化截然不同于美国和欧洲等地揭示的周变化，这可能与中国气溶胶排放源和人民工作生活方式有关。基于城市尺度环境监测数据的PM周变化AOD大体类似，即工作日PM浓度低于周末，在华北地区表现最为显著。PM与AOD周内分布形态之间的差异在相对湿润的地区较大，PM与AOD之间的复杂关系通常与边界层高度、相对湿度、气溶胶种类、地形有关。当边界层高度较高、相对湿度较高时，PM/AOD比例变低，相关性减弱。
3、全球气溶胶自动监测网络(AERONET)与中国气溶胶遥感监测网络(CARSNET)站点主要集中于在中国西北和华北地区，研究该区域内AOD及AE的日变化对于气候系统内辐射效应的研究具有重要意义。采用18个观测站点的气溶胶观测数据分析了AOD与AE在西北区域与华北区域的日变化特征，主要特征为:西北区域AOD的日间变化呈拱形分布，早晚AOD值小于日平均，而且夏秋两季的日变化幅度(23％，22％)显著大于春冬两季(17％，10％)。AE指数四季变化一致，AE指数在午后时分较小，表示颗粒物粒径较大。华北区域AOD呈逐渐增长趋势，这种增长模式在冬季更加显著，日变化幅度可达到40％。AE指数在四季的日变化保持一致，变化幅度极小。气溶胶环境效应与人类关系密切且中国中东部地区环境监测站分布密集，因此基于该区域内19个省会城市和直辖市的环境监测站点PM10与PM2.5数据进行分析发现，PM10与PM2.5在中国中东部地区的日变化呈双峰型（上午当地时间10时左右、日落后各有一个峰值），主要受边界层高度日变化的影响，且无显著性季节差异。其中华北区域的PM10与PM2.5都呈典型的双峰型分布。虽有研究发现华北地区AOD与PM的相关性较其他地区要高，但以往结果都是基于日平均值，对比华北地区AOD与PM日间内的变化情况，并未发现两者间存在明显的规律。
4、气溶胶日变化影响气溶胶直接辐射效应的估算:采用中国西北和华北区域的地基遥感数据AOD与AE指数，结合SBDART辐射传输模式，系统分析了两个典型地区不同的AOD和AE日分布对气溶胶直接辐射效应定量估算的可能影响。以采用CARSENT观测的AOD日变化结果作为SBDART模式输入计算的气溶胶直接辐射效应(ADRE)作为参照，如采用CASRNET计算的AOD日平均结果作为模式输入参数，中国西北地区地表和大气顶ADRE分别被低估0.31Wm-2和0.05Wm-2，同时季节性变化明显。如采用MODIS过境时间内AOD值作为日平均值，地表和大气顶ADRE估算结果会分别高估0.47Wm-2和0.25Wm-2。如采用CARSNET日平均AOD作为模式输入参数，中国华北地区地表和大气顶ADRE分别被高估0.17Wm-2和0.03Wm-2，而采用MODIS过境时刻AOD作为日平均，则计算表明地表和大气顶的ADRE分别被高估0.07Wm-2和0.06Wm-2。另外，在两个区域内AE的日间变化在ADRE的计算中影响较小，采用AE日平均值和日瞬时值计算的ADRE差异不超过0.01Wm-2。结果表明需要慎重对待以往采用日平均气溶胶特性参数计算的气溶胶直接辐射效应研究结果。
气溶胶时空尺度的研究依赖于气溶胶观测技术的发展和数据的长期积累。遥感是获得气溶胶光学特性的重要手段，1990年以来，地基和卫星遥感取得了长足发展，提供了海量气溶胶特性观测数据，为深入开展气溶胶时空变化特征研究奠定了基础。中国地区是全球气溶胶高值区之一，由于独特的自然和人为气溶胶排放特征，加之地形和气候的配合，导致我国气溶胶特性呈现出特征明显的时空变化特征。本论文采用中国气溶胶遥感监测网络(CARSNET)和中分辨率成像光谱仪(MODIS)提供的2002～2018年气溶胶光学厚度(AOD)地基和卫星数据，结合2013年以来PM10与PM2.5小时浓度数据，针对中国地区气溶胶日变化和周变化这个科学问题开展系统研究。采用多种数据统计分析方法，重点探讨了地面PM10与PM2.5浓度和大气柱气溶胶光学厚度(AOD)变化之异同及其潜在原因，同时也采用辐射传输模式系统评估了AOD日变化对气溶胶直接辐射效应的可能影响。主要结论如下:
1、采用CARSNET/AOD系统评估了MODIS暗目标/深蓝算法(DT/DB)融合AOD产品和多角度大气订正算法(MAIAC)AOD产品。总体而言AOD/MODIS与AOD/CARSNET有比较好的相关，Aqua产品优于Terra产品，AOD/MAIAC与AOD/CARSNET的相关性稍逊于DT/DB融合产品。西北地区(NWC)DT/DB融合产品和AOD/MAIAC产品精度略低于华北地区(NCP)。
2、中国中东部地区气溶胶工作日低于周末，显著不同于美国和欧洲等地气溶胶周变化。基于AOD/Aqua二级产品（10km空间分辨率）分析表明中国中东部地区(21.5～41°N，105～123°E)绝大部分区域AOD工作日低于周末，三种显著性检验结果均支持上述结论。中国中东部地区19个省会城市AOD周变化分析结果也表明城市地区工作日AOD仍低于周末，内陆城市比沿海城市更加显著。基于AOD/MAIAC(空间分辨率为1km)，同样也发现该区域内为负周末效应，该结果与基于MODIS三级产品（1°空间分辨率）分析结果类似。采用美国脸书(Facebook)最新开发的基于灵活的时序模拟及预测模型(Prophet)，进一步验证了区域内负周末效应的存在。该结果显然不支持此前的MODIS三级产品因空间分辨率较粗，不能抓住城市尺度AOD周变化特征的推测。中国中东部地区AOD周变化截然不同于美国和欧洲等地揭示的周变化，这可能与中国气溶胶排放源和人民工作生活方式有关。基于城市尺度环境监测数据的PM周变化AOD大体类似，即工作日PM浓度低于周末，在华北地区表现最为显著。PM与AOD周内分布形态之间的差异在相对湿润的地区较大，PM与AOD之间的复杂关系通常与边界层高度、相对湿度、气溶胶种类、地形有关。当边界层高度较高、相对湿度较高时，PM/AOD比例变低，相关性减弱。
3、全球气溶胶自动监测网络(AERONET)与中国气溶胶遥感监测网络(CARSNET)站点主要集中于在中国西北和华北地区，研究该区域内AOD及AE的日变化对于气候系统内辐射效应的研究具有重要意义。采用18个观测站点的气溶胶观测数据分析了AOD与AE在西北区域与华北区域的日变化特征，主要特征为:西北区域AOD的日间变化呈拱形分布，早晚AOD值小于日平均，而且夏秋两季的日变化幅度(23％，22％)显著大于春冬两季(17％，10％)。AE指数四季变化一致，AE指数在午后时分较小，表示颗粒物粒径较大。华北区域AOD呈逐渐增长趋势，这种增长模式在冬季更加显著，日变化幅度可达到40％。AE指数在四季的日变化保持一致，变化幅度极小。气溶胶环境效应与人类关系密切且中国中东部地区环境监测站分布密集，因此基于该区域内19个省会城市和直辖市的环境监测站点PM10与PM2.5数据进行分析发现，PM10与PM2.5在中国中东部地区的日变化呈双峰型（上午当地时间10时左右、日落后各有一个峰值），主要受边界层高度日变化的影响，且无显著性季节差异。其中华北区域的PM10与PM2.5都呈典型的双峰型分布。虽有研究发现华北地区AOD与PM的相关性较其他地区要高，但以往结果都是基于日平均值，对比华北地区AOD与PM日间内的变化情况，并未发现两者间存在明显的规律。
4、气溶胶日变化影响气溶胶直接辐射效应的估算:采用中国西北和华北区域的地基遥感数据AOD与AE指数，结合SBDART辐射传输模式，系统分析了两个典型地区不同的AOD和AE日分布对气溶胶直接辐射效应定量估算的可能影响。以采用CARSENT观测的AOD日变化结果作为SBDART模式输入计算的气溶胶直接辐射效应(ADRE)作为参照，如采用CASRNET计算的AOD日平均结果作为模式输入参数，中国西北地区地表和大气顶ADRE分别被低估0.31Wm-2和0.05Wm-2，同时季节性变化明显。如采用MODIS过境时间内AOD值作为日平均值，地表和大气顶ADRE估算结果会分别高估0.47Wm-2和0.25Wm-2。如采用CARSNET日平均AOD作为模式输入参数，中国华北地区地表和大气顶ADRE分别被高估0.17Wm-2和0.03Wm-2，而采用MODIS过境时刻AOD作为日平均，则计算表明地表和大气顶的ADRE分别被高估0.07Wm-2和0.06Wm-2。另外，在两个区域内AE的日间变化在ADRE的计算中影响较小，采用AE日平均值和日瞬时值计算的ADRE差异不超过0.01Wm-2。结果表明需要慎重对待以往采用日平均气溶胶特性参数计算的气溶胶直接辐射效应研究结果。