论文部分内容阅读
自然或人为排放的大气气溶胶可以通过气溶胶-辐射相互作用和气溶胶-云相互作用在全球及区域尺度上对地球气候系统产生重要影响。而气溶胶光学特性是估计大气气溶胶辐射强迫及其气候响应中最大的不确定性之一。针对全球及区域气溶胶变化,从气溶胶光学特性出发,对全球及区域气溶胶进行长期演变趋势及成因研究是目前气溶胶气候效应研究领域的热点问题。本文首先利用AERONET和CARSNET地基观测数据对MERRA-2再分析和MISR卫星反演气溶胶光学厚度（AOD）产品在全球及典型区域的适用性进行了全面评估。接着,基于长期的MERRA-2和多源卫星AOD数据集,综合性的分析了总气溶胶、不同化学组分、不同粒径大小和非球形AOD在全球及12个典型研究区域（华北、华南、东北亚、美国东部、欧洲西部、南亚、撒哈拉沙漠、中东、中国西北、亚马逊流域、非洲中南部和东南亚）不同历史时期的演变趋势。然后在揭示了本地排放和气象驱动因子长期变化对区域性AOD变化影响的基础上,定量评估了排放和气象驱动因子的相对贡献。最后,运用CALIPSO反演的气溶胶消光系数垂直廓线和分层统计探测样本数据,对不同类型气溶胶的三维分布结构、区域垂直分布差异和分层演变趋势进行了综合性的分析。主要结论总结如下:从全球尺度来看,MERRA-2 AOD具有与卫星反演AOD可比拟的精度（R=0.84,RMSE=0.14和MAE=0.07）,但其表现具有明显的区域性差异。在中国东部、南亚等人为气溶胶主导区域,MERRA-2存在系统性偏低,这可能与MERRA-2缺少硝酸盐、铵盐气溶胶模块有关。尽管如此,通过对比多源AOD数据集的趋势评估结果表明,MERRA-2能够定量地重现MODIS/Terra观测到的年和季节性AOD趋势（尤其是十年趋势）。MISR AOD的评估结果表明,MISR AOD日产品在全球范围内表现良好,与地基观测之间的R、MAE、RMSE和RMB分别为0.85、0.06、0.12和0.96。AOD总匹配样本掉入预期偏差EE＿1[±(0.05+0.20×AODob s)]和EE＿2[±(0.03+0.10×AODob s)]以内的百分比分别为80.4%和59.9%。通过分析1980-2016年全球不同区域的AOD时间序列发现,AOD在美国东部和欧洲西部均呈现出非单调的下降趋势,其下降趋势的强度在近十年有所放缓。在中国东部,AOD在2006年前经历了一个持续而显著的上升,而之后得益于我国实施的多项减排措施,趋势急剧反转（由正转负）。在南亚,AOD在整个研究期间均呈现显著而持续的上升趋势,响应了该地区不断增加的人为排放。统计分析表明,在1980-2014年期间,与排放驱动因子的贡献（0%–56%）相比,气象因素在几乎所有的研究区域均能解释更大比例的AOD年际变化（20.4%–72.8%）。在人为排放主导区域,SO2是主导的排放驱动因子,能够解释12.7%–32.6%的区域性AOD变化;在生物质燃烧主导区域,碳质气溶胶（BC和OC）是首要的排放驱动因子,贡献了24.0%–27.7%的变化。此外,风速和环境湿度（土壤湿度和相对湿度）分别是沙尘和生物质燃烧主导区域最重要的气象驱动因子,分别能够贡献11.8%–30.3%和11.7%–35.5%的区域性AOD年际变化。以上结果表明,气象参数的变化是驱动区域性AOD年代际变化的关键因子之一。不同化学组分AOD的区域性年际变化揭示了硫酸盐气溶胶（SO4）是驱动美国东部和欧洲西部总气溶胶下降最主要的化学组分,但碳质气溶胶和自然源气溶胶（沙尘和海盐气溶胶）的增加在一定程度上削减了总气溶胶的下降幅度。在撒哈拉沙漠和中东地区,沙尘气溶胶是驱动总AOD年际演变的主导气溶胶类型。然而,人为源气溶胶在中东地区总AOD年际变化中扮演的角色正在逐年攀升。人为排放产生的人为源气溶胶（特别是硫酸盐气溶胶）是主导华北和华南地区总AOD年际演变中最主要的气溶胶类型。总AOD在上述区域2006年以后的下降,除了归因于硫酸盐气溶胶的显著下降以外,其他类型气溶胶的下降也在不同程度上有所贡献。在南亚地区,总AOD的年际演变是由人为和自然源气溶胶所共同驱动的,而前者的主导作用正在逐年增强。此外,MISR反演的不同类型气溶胶的演变趋势进一步表明,在多数以人为气溶胶为主导的陆地区域,小粒径气溶胶（直径<0.7μm）变化趋势的空间分布模态与总气溶胶保持高度一致。也就是说,人为活动排放产生的小粒径气溶胶是驱动人为气溶胶主导区域总气溶胶变化中最主要的气溶胶类型。分析CALIPSO反演的不同类型气溶胶消光系数（EC）的多年平均（2007-2018）三维垂直结构表明,纯沙尘气溶胶垂直EC的增强主要发生在沙源地的近地层（3km以下）,而在0-1 km高度范围内,EC能超过0.1km-1。对比而言,污染性沙尘气溶胶的分布较为广泛,多分布于沙源地及其下游人为活动密集区域,其最大的抬升高度超过4 km。而烟尘气溶胶的影响范围遍布全球,其在海洋上的抬升高度甚至能超过6 km。在全球及所有的12个研究区域,超过50%的柱气溶胶含量均位于对流层低层（0-2km）,而6km以上的贡献比小于2%。陆上气溶胶在地形和大气环流的作用下能够被抬升到更高的高度。评估CALIPSO不同类型气溶胶的整层及分层发生频率（Fo O）发现,所有类型气溶胶的全球多年平均整层Fo O为5.6%,其中清洁性海洋、纯沙尘、污染性大陆、清洁性大陆、污染性沙尘、烟尘、沙尘和海盐混合型气溶胶分别贡献了2.08%、1.08%、0.41%、0.10%、0.86%、0.64%和0.48%。所有类型气溶胶整层Fo O的区域平均最大值出现在中东地区（21.0%）,而最低值出现在欧洲西部（6.3%）。华北地区是污染性沙尘整层Fo O最高的区域,约为5.13%。评估全球及区域不同类型气溶胶（纯沙尘、污染性沙尘和烟尘）的整层及分层演变趋势可知,纯沙尘气溶胶在华北、东南亚以及中东地区均呈现了显著的（P<0.1）下降趋势,过去10年分别下降了-38.02%、-20.34%和-23.05%。污染性沙尘气溶胶在东北亚、华北、华南地区呈现显著的下降,而在南亚和中东地区呈现显著的上升。对比而言,烟尘气溶胶在全球多数区域均呈现了显著的下降趋势,其中全球、陆地和海洋在过去十年分别下降了13.29%、13.51%和12.89%。此外,不同类型气溶胶的分层AOD在驱动整层AOD的演变趋势中扮演着不同的角色。例如,在人为气溶胶主导区域（例如中国东部、南亚和美国东部）,总AOD的变化趋势与0-3km内积分AOD的变化趋势基本一致,说明累积在低层的人为排放气溶胶的变化主导了这些区域的总AOD变化。