利用高光谱分光辐射仪反演西北地区气溶胶单次散射反照率及辐射闭合研究

Northwestern China is regarded as one of the major dust aerosol source regions in Asia. Aerosols over this region, which have complicated type, rich concentration, dramatic spatial and temporal variations, have a significant impact on regional environment and climate change. Due to lack of the detailed and accurate data sets of aerosol optical and absorbing properties, the studies of aerosol radiative forcing on a regional scale have been little progress, most of which are intensive period observed data and without representatives of the regional scale and long-term climate change significance. First, this project will retrieve long-term and reliable data sets of multi-channel spectral aerosol optical and absorptive characteristics over Northwestern China using ground-based grating high-spectroradiometer(MS-700) measurements. And then we validate the reliability of the retrieved aerosol parameters through combination the SBDART radiative transfer model with ground-based observational data. Second, we compare our retrievals outcome with the simulated results of sky radiometer(POM-01), and reasonably parameterize the results. We can obtain reasonable and representative long-term data sets of aerosol optical and absorptive parameters over Northwestern China. Finally, we calculate the direct aerosol radiative forcing on some typcial regions of Northwestern China using the SBDART model. The implementation of this project will enrich the long-term ground-based observations of aerosol absorptive characteristics in Northwest China, and further deepen our understanding of the relative contribution of aerosols on the regional radiative energy balance and climate change.

我国西北地区是亚洲沙尘气溶胶的主要源区之一，其气溶胶类型复杂，含量丰富而且具有较大的时空分布特征，对区域环境和气候变化有重要影响。由于缺乏详细、准确的西北干旱半干旱地区气溶胶光学、吸收特性的数据集，使得这一地区气溶胶辐射强迫的研究工作进展不大，多为加强期观测资料，而区域模式中的输入参数具有较大的不确定性，不具有长期气候变化的代表意义。本项目首先利用外场地基光栅多光谱分光辐射仪（MS-700）观测资料反演西北地区多通道连续光谱气溶胶特性参量，通过辐射闭合实验验证反演参数的合理性，并与天空辐射计（POM-01）的反演结果进行对比分析，获得能够代表西北地区气溶胶光学、吸收特性的长时间数据集，最后利用SBDART辐射传输模式模拟计算西北典型地区气溶胶直接辐射强迫。本项目的实施将丰富我国西北地区气溶胶吸收特性的地面长期观测资料，进一步加深气溶胶对该地区辐射能量平衡和气候变化相对贡献的理解。

气溶胶辐射及气候效应的定量估算主要取决于我们对其物理、光学和吸收特征及其时空分布确切、全面的认识。我国西北地区的气溶胶类型以沙尘和人为活动排放为主要特征。由于缺乏长期、连续的地面观测，当前区域气候模式中气溶胶气候效应的模拟仍存在较大的不确定性。本项目在我国西北典型地区已开展了多站点外场观测试验，如兰州大学半干旱气候与环境观测站（简称“SACOL”）、兰州城市站、敦煌戈壁站、民勤治沙站，每个站点均配备有多光谱分光辐射仪（MS–700）或太阳/天空辐射计（CE–318或POM–01）、地基宽波段辐射表（太阳总辐射、直接辐射、散射辐射和长波辐射通量）。利用外场地面观测资料，反演得到西北地区长时间连续的多通道光谱气溶胶关键特性参量（如光学厚度、单次散射反照率、不对称因子和粒子谱分布等），通过辐射闭合实验验证反演结果的合理性，建立并完善了代表我国西北地区气溶胶光学、吸收特性的长期、可靠地基产品数据集。研究发现，西北地区春季气溶胶以粗模态沙尘粒子占主导，而冬季以人为污染气溶胶与沙尘混合物为主。在源区和长距离传输过程中，沙尘常常与污染物发生不同程度的混合，进而显著地改变其物理、化学及辐射特性。纯沙尘的光吸收能力（SSA550～0.96–0.98）比沙尘混合物（SSA550～0.92–0.95）偏低。这一地区气溶胶在大气层顶为较弱的冷却（-20～+5 Wm-2），对地表面有较强的冷却作用（-60～-10 Wm-2），而对大气层具有中等强度的加热效应（+15～+40 Wm-2），其日平均的垂直加热率在0.1–0.8 K/day，这将会对大气边界层结构、稳定性条件及边界层云的发生、发展产生深远的影响。本项目的研究成果将有助于改进当前气候模式中气溶胶对西北地区区域气候变化和干旱化趋势预测的模拟精度。