吸收性气溶胶多参数分类模型的建立及对辐射过程的影响

The radiative forcing due to light-absorbing aerosols is one of the largest sources of uncertainties in climate change. The classification of the experience threshold does not apply to the local aerosol radiative transfer model input. A small amount of research results and our team's preliminary study indicate that the combination of the Mahalanobis distance method and the sunphotometer data can be used to quantitatively calculate the optical parameter threshold. This project is based on the AERONET long time series ground-based remote sensing observation data. First of all, we make optimal conjunctive use of the number of aerosol optical parameters, such as aerosol absorption optical thickness , the absorption Angstrom exponent , scattering Angstrom exponent , single scattering albedo and the index of refraction. The classification of a particular aerosol observation as one of the light-absorbing aerosol types is determined by its five-dimensional Mahalanobis distance to each reference cluster. Then we establish the black carbon, organic carbon and dust absorbing aerosol parameterized classification model. Secondly, to carry out the vertical observation comparative verification by using unmanned aerial vehicle mount detection sensors such as aethalometer, etc. Finally, to apply the classification algorithm of absorbing aerosol for correction the atmospheric radiation transmission model SBDART. This work could be useful to understanding effects and feedback mechanisms of the light-absorbing aerosol in haze, and to quantifying assessments of absorbing aerosol radiative impacts on climate.

吸收性气溶胶辐射强迫是气候变化的不确定性因素之一，辐射模式中不同类型吸收性气溶胶光学参数的经验值并不适用于本地模式的输入。少量的研究结果和本团队的预研究表明，将马氏聚类分析方法与太阳光度计数据相结合能够较好的定量出光学参数阈值。鉴于此，本项目拟基于AERONET长时间序列地基遥感数据，首先联合利用气溶胶吸收性光学厚度、吸收性波长指数、散射性波长指数、单次散射反照率和复折射指数等光学参数，采用马氏距离聚类分析对不同类型吸收性气溶胶（黑碳、有机碳和沙尘）光学参数的分类阈值进行定量化统计，建立三类吸收性气溶胶参数化分类模型；其次利用无人机挂载黑碳仪等设备进行垂直观测，对模型分类效果进行对比验证；最后尝试将该模型应用于大气辐射传输模式SBDART，改进模式中气溶胶分类参数化方案，定量评估长江三角洲地区典型霾天不同类型吸收性气溶胶辐射强迫的贡献率，以期减小吸收性气溶胶辐射强迫评估的不确定性。

本研究针对大气校正中不同类型气溶胶对光吸收影响的不确定性，重点探讨本地区域更精确的气溶胶分类模型参数化研究。利用长期遥感协同观测的多源数据(太阳光度计CE318，米散射激光雷达，MODIS和CALIPSO)以及新高分辨率再分析资料MERRA-2，精确反演得到气溶胶吸收性光学厚度（AAOD)、吸收性Angstrom 波长指数(AAE)、单次散射反照率（SSA）、相函数、复折射指数、粒子谱分布等光学参数，结合综合气象条件，对比分析长江三角洲地区典型城市霾污染过程气溶胶类型差异，讨论了吸收性气溶胶长期变化的时空特征，定量评估了黑碳气溶胶和沙尘气溶胶对总AAOD的变化影响。我们利用观测资料修正气溶胶模式，基于高斯混合模型(GMM)构建典型地区大气气溶胶分类模型。通过马氏聚类进行吸收性气溶胶分类与识别，讨论不同波长对建模结果的影响，确定最优建模参数。并将该分类模型应用到长江三角洲地区，量化估算典型区域不同类型吸收性气溶胶的贡献率。结果表明：1）南京地区以城市工业气溶胶为主的气溶胶具有较强的吸收性(AAE1.0)，AAE冬季最高(0.86±0.41)，春季最低(0.49±0.29)，冬季AAE的值在1.0-1.2的累积频率为87%；AAOD冬季最低(0.079±0.036)，夏季和秋季最高(0.095±0.041)；SSA最大值出现在夏季(0.89±0.05)，细模态气溶胶中大约70%的SSA值分布在0.85-0.95；对比夏季和冬季2次典型污染过程，夏季局地潜在源贡献占主导(>90μgm-3)，冬季潜在源区的气团沿西北-东南气流轨迹长距离传输(80-150μgm-3)。2)对我国吸收性气溶胶光学厚度的长期时空变化研究表明，黑碳和沙尘气溶胶对总AAOD的贡献率分别为66.3%和30.56%，黑碳年均最高值（约6.0μgm-3）及最快增长率（0.06μgm-3a-1）位于京津冀和河南地区。3）确定EAE440-870和SSA440、EAE440-870和RRI670建立南京地区气溶胶光学2维参数化分类模型，将本地气溶胶分为城市工业、生物质燃烧、混合、沙尘和海洋5类，城市工业类型气溶胶年均占比最大，2009年占比最高(75%),之后呈下降趋势，2017年占比最低(28%)。