西北沙塵氣溶膠光學(xué)特性反演與沙塵暴的衛(wèi)星監(jiān)測.pdf

1、沙塵作為對流層中最主要的氣溶膠成分之一，可以調(diào)整地氣系統(tǒng)輻射能量收支平衡，因此對氣候變化產(chǎn)生了較大的強(qiáng)迫作用。強(qiáng)風(fēng)吹起的沙塵還可以在短時間內(nèi)對環(huán)境和人類造成嚴(yán)重的傷害。因此，研究沙塵氣溶膠的光學(xué)特性，及時準(zhǔn)確的監(jiān)測沙塵的發(fā)生、發(fā)展，對深入了解和準(zhǔn)確計算沙塵氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫作用，以及預(yù)警和預(yù)防沙塵暴帶來的危害有重要意義。本文發(fā)展了一套利用地面MFRSR反演氣溶膠光學(xué)特性的算法，通過該算法對2008年中美首次聯(lián)合沙塵觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)致分

2、析與研究，反演得到了我國西北地區(qū)沙塵氣溶膠的光學(xué)特性。并對地面與衛(wèi)星觀測的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行了對比，分析了衛(wèi)星在西北亮地表反演氣溶膠的可靠性，同時本文還結(jié)合衛(wèi)星觀測與模式分析了星載微波傳感器識別沙塵暴的能力，提出一種利用可見、紅外、微波多衛(wèi)星傳感器檢測沙塵的綜合方法。
　　 2008年中美首次聯(lián)合沙塵觀測，使用了包括有MFRSR和CIMEL等目前大量先進(jìn)的氣溶膠觀測儀器，對我國西北沙塵氣溶膠進(jìn)行了觀測。本文利用張掖站觀測數(shù)據(jù)反演

3、了沙塵氣溶膠的光學(xué)特性。通過MFRSR反演得到的沙塵氣溶膠光學(xué)厚度與AERONET標(biāo)準(zhǔn)觀測一致，二者在0.67μm公共波段誤差小于0.02。在假定沙塵粒子形狀為球形，分布滿足雙對數(shù)正態(tài)分布的情況下，通過調(diào)整粒子譜分布中粗、細(xì)模態(tài)的參數(shù)，使Mie計算的光學(xué)厚度值與MFRSR觀測值的誤差平方和達(dá)到最小，從而得到了沙塵氣溶膠的粒子譜分布。結(jié)果表明，沙塵氣溶膠的粗模態(tài)平均中值半徑為2.22μm，細(xì)模態(tài)平均中值半徑為0.137μm，大粒子占粒子分

4、布的主要部分，體積濃度約為小粒子的10倍。通過模式與觀測的散射輻射與總輻射比值(DDR方法)的比較，反演了沙塵粒子的單次散射反照率與不對稱因子。得到的沙塵單次散射率在0.415μm波段的平均值為0.76，隨波長增加而逐步增加到0.86，這一數(shù)值小于國內(nèi)、外關(guān)于亞洲和非洲沙塵的相關(guān)研究，表明我國西北地區(qū)沙塵對可見光實際具有較強(qiáng)的吸收性。同時我們對得的沙塵光學(xué)特性做了輻射閉合實驗，模式與觀測二者日平均直接、散射以及總輻射通量的誤差分別為-2

5、.07、-2.90、-8.54W/m2，說明反演得到的沙塵光學(xué)特性是合理、可靠的，這為準(zhǔn)確計算沙塵氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫奠定了堅實基礎(chǔ)。
　　 由于考慮到MFRSR觀測的是整個半球天空的輻射通量密度，因而假定了沙塵粒子為球形，實際上沙塵粒子是不規(guī)則的非球形，為了檢驗這種假設(shè)是否合理，我們用T-matrix，IGOM和Mie分別計算了非球形與球形沙塵粒子的光學(xué)特性參數(shù)，通過比較，發(fā)現(xiàn)球形與非球形二者的單次散射反照率、不對稱因子、消光

6、效率差別較小，而散射相函數(shù)有明顯差別，并進(jìn)一步計算對比了二者對到達(dá)地面的太陽輻射通量造成的差異。結(jié)果表明球形、非球形沙塵粒子不同的光學(xué)特性對到達(dá)地表太陽輻射通量的影響不大，從而證明球形粒子的假設(shè)對MFRSR反演沙塵光學(xué)特征是合理的。同時，利用蒙特卡洛輻射傳輸方法分析了球形、非球形粒子的前向散射在不同光學(xué)厚度、太陽天頂角以及有效粒子半徑和復(fù)折射指數(shù)情況下，對MFRSR反演光學(xué)厚度造成的誤差。結(jié)果表明當(dāng)光學(xué)厚度和氣溶膠有效粒子半徑小于1時，

7、前向散射造成的誤差小于-3％。當(dāng)光學(xué)厚度大于1并且太陽天頂角較大時(＞60°)，誤差能達(dá)到-40％。
　　 衛(wèi)星觀測是提供全球氣溶膠光學(xué)厚度分布以及監(jiān)測沙塵發(fā)生的有效途徑。我們通過利用地面觀測檢驗了MISR、MODIS在我國西北亮地表地區(qū)反演氣溶膠光學(xué)厚度的準(zhǔn)確性。結(jié)果的比較表明，MODIS暗像元業(yè)務(wù)算法使用近紅外通道(2.1和3.8μm)獲取地表反照率，并假定近紅外通道(2.1μm)與其他兩個通道(0.47和0.66μm)的地

8、表反照率的關(guān)系，在我國西北地區(qū)上空反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度與地面觀測存在較大誤差。Deep Blue使用了地表反照率較小的藍(lán)光波段(0.412和0.470μm)來剔除地表反射到達(dá)衛(wèi)星的太陽輻射，從而在亮地表地區(qū)上空可以較為合理的反演氣溶膠光學(xué)厚度。MISR從九個不同角度觀測，能有效的剔除了地面反射的太陽輻射，在我國西北干旱、半干旱地區(qū)反演的氣溶膠光學(xué)厚度有較高的準(zhǔn)確性。
　　 沙塵暴發(fā)生時，常常伴隨有云的出現(xiàn)(特別是在蒙古氣旋活