散射相函数的原位测量及气溶胶光学特性垂直分布的观测研究

Measurements of aerosol optical properties form a critical foundation for investigating aerosol radiative effects. Current observational studies focus mainly on ground-based measurements of aerosol optical properties and the remote sensing of columnar aerosol optical properties. Vertical distributions of aerosol optical properties largely influence the reliability and accuracy of the estimation of aerosol radiative effects. However, observational studies regarding vertical profiles of aerosol optical properties especially in-situ measurements are still quite limited. This project intends to carry out aircraft measurements of vertical distributions of aerosol optical properties in the North China Plain (NCP). Particularly, vertical distributions of scattering phase function will for the first time be obtained from aircraft measurements by utilizing an inversion algorithm, which is developed on the basis of measured aerosol optical properties including multi-angle scattering coefficients. Vertical profiles of aerosol optical properties (such as absorption coefficients, scattering coefficients, extinction coefficients, single scattering albedo, asymmetry factor, scattering phase function) will be synthetically investigated through intensive flight experiments. The impact of aerosols on radiation will be estimated by observation-based radiative transfer model simulations. Observational studies on vertical distributions of aerosol optical properties, especially those on scattering phase function, will provide valuable data for accurately estimating aerosol direct radiative forcing. Corresponding results also have important application for data retrieval in satellite- and ground-based remote sensing and the radiative transfer modeling.

气溶胶光学特性测量是气溶胶辐射效应研究的重要基础。目前的观测研究主要集中在地面气溶胶光学性质的直接测量和整层大气气溶胶光学性质的遥感反演。气溶胶光学特性的垂直分布极大地影响着气溶胶辐射效应评估的可靠性和准确性，但相关的观测研究尤其是原位观测却相当有限。.本项目计划在华北地区开展气溶胶光学特性垂直分布的飞机观测。特别的，基于多角度散射系数等的原位测量发展散射相函数的反演算法，并应用于飞机观测首次获得其垂直廓线。通过大量飞行试验，比较系统地研究这一地区气溶胶光学特性（吸收系数、散射系数、消光系数、单次散射反照率、不对称因子、散射相函数等）的垂直分布特征，并根据观测用辐射传输模式计算气溶胶的辐射效应。气溶胶光学特性垂直分布的观测研究，特别是散射相函数的观测研究，将为准确评估气溶胶的直接辐射强迫提供宝贵的观测资料，相关研究结果还具有地基和空基遥感以及辐射传输计算方面的应用价值。

气溶胶光学特性垂直分布对于认识气溶胶污染过程和评估气溶胶辐射效应很重要，但相关的观测研究尤其是原位观测还比较有限。因此，本项目开展气溶胶光学特性外场观测试验，进行相关的特征分析和过程分析，并发展基于多角度散射系数等原位测量反演气溶胶尺度谱和散射相函数的算法。.开展室内试验，基于Mie散射计算对浊度计Aurora-4000的角度截断函数及仪器性能进行了评估。开展地面观测和机载观测，获取了包括多波长多角度气溶胶散射系数、气溶胶吸收系数、气溶胶尺度谱在内的第一手探测资料。基于地面观测数据，分析了地面气溶胶光学特性的变化特征，评估了减少Aurora-4000观测角度数以提高时间分辨率的可行性，并在地面观测和飞机观测中予以应用。基于飞机观测数据，分析了气溶胶光学参数垂直分布的统计特征，讨论了污染过程不同发展阶段光学特性的演变。采用正则化方法，建立了气溶胶尺度谱及散射相函数反演算法，并评估了其可靠性。.在本项目支持下开展的地面观测和飞机观测获取了大量宝贵的观测资料，增进了气溶胶光学特性垂直分布特征的认识。后续将基于这些观测资料进一步深入研究气溶胶光学特性垂直分布对气溶胶辐射气候效应的影响，对大气遥感也将有所支持。发展的反演算法可进一步改进为后续外场观测和云室试验中反演气溶胶尺度谱与散射相函数提供支撑。