青藏高原东缘及其紧邻的四川盆地大气气溶胶光学特性变化的观测与模拟研究

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青藏高原对我国的天气气候和大气环境变化有着深刻的影响。青藏高原东缘及其紧邻的四川盆地形成的一个特殊大地形,其高低气溶胶空间分布的区域特征,为开展比较和研究大气气溶胶光学特性及其相关影响机理工作提供了理想的研究区域。通过研究青藏高原东缘及其紧邻的四川盆地大气气溶胶光学特性变化的关联,将有助于我们认识青藏高原对我国大气环境变化的影响。本文通过大气气溶胶光学辐射特性的外场观测实验,反演得到青藏高原东缘地区气溶胶光学厚度、?ngstr?m波长指数、气溶胶粒径谱分布等大气气溶胶光学特性参数,并分析了它们的在不同时间尺度上的变化特征。根据地基太阳光度计遥感获得的高精度气溶胶光学厚度数据,评估了MODIS卫星遥感气溶胶光学厚度产品在青藏高原东缘地区的反演精度及其适用性。此外,利用地基太阳光度计对四川盆地一次重霾污染过程中大气气溶胶光学辐射特性的变化进行了观测研究。并利用WRF-Chem模式模拟了成都及其周边地区的局地人为排放对此次重霾污染过程中成都地区气溶胶光学辐射特性的影响。主要结论如下:1、青藏高原东缘大气气溶胶光学-辐射特性的变化:理塘观测站点年平均440 nm波段气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD440nm)为0.08±0.03,440870 nm波段的年均?ngstr?m波长指数(?ngstr?m Exponent,AE440-870nm)为0.72±0.23。在整个观测期间,理塘站AOD440nm呈现春夏季节高,秋冬季节小的特点;AE440-870nm则表现为夏季高,冬季低的变化特征。其中7月份的AOD440nm和AE440-870nm值均为全年最大值,分别为0.11±0.04和1.08±0.19;AOD440nm最低值出现在1月,为0.05±0.02,AE440-870nm最低值出现在2月,为0.48±0.32。理塘站大气气溶胶体积谱呈现双峰型分布,粗模态峰值浓度大于细模态峰值浓度,大气中粗模态气溶胶粒子占主导地位。春季理塘站主要受到粗模态气溶胶的控制,受沙尘气溶胶影响的大气状况出现频率为15.57%,远高于其他季节;AOD440nm随着AE440-870nm的增加先增加后减小,当AE440-870nm值为0.51.0时AOD440nm到达最大。夏季理塘站人为排放气溶胶主导的大气状况(高AOD440nm、高AE440-870nm)出现频率54.52%,AOD440nm随着AE440-870nm的增加先增加后减小,当AE440-870nm为1.01.5时AOD440nm达到最大值,细模态气溶胶的消光作用对AOD440nm的贡献最大。秋季理塘站主要受到背景气溶胶的控制,较小AOD440nm及较小AE440-870nm的大气状况出现频率最大,约为50%,大气中AOD440nm随着AE440-870nm的增加变化幅度不大。冬季理塘站主要受到粗模态气溶胶的控制,但是AOD440nm随着AE440-870nm的增加在细模态粒子处(AE440-870nm为1.01.5时)达到最大值,细模态气溶胶粒子的消光作用对该地区的冬季AOD440nm有重要影响。2、基于地基太阳光度计观测的青藏高原东缘MODIS气溶胶光学厚度产品适用性评估:对三种不同类型的高空间分辨率MODIS气溶胶光学厚度产品在青藏高原东缘地区的精度和适用性进行了评估:MODIS3K、MODISL2DT和MODSIL2DB数据与地基太阳光度计观测结果的相关系数分别为0.58、0.32和0.29,分别有61%、47%和92%的有效数据对落在期望误差包线内。当大气AOD较小时,MODISL2DB数据与地基观测的偏差较小,但是其误差会随着AOD的增加而增大。MODIS3K与MODISL2DT总体上高估了青藏高原东缘地区的AOD。MODIS 3km空间分辨率的气溶胶光学厚度反演产品(MODIS3K)在一定误差允许范围内可以表征青藏高原东源地区气溶胶光学厚度的变化趋势。3、四川盆地一次重霾污染过程中气溶胶光学-辐射特性变化:四川盆地的一次重霾污染过程中的地基太阳光度计观测结果表明,随着重霾过程的发展,成都地区的AOD440nm由0.61±0.34显著增加至1.04±0.11,大气消光作用增强;AE440-870nm由1.35±0.03降低至1.08±0.02,大气气溶胶平均粒径增大;单次散射反照率由0.84±0.01增加至0.94±0.04,大气中散射消光占比增加。气溶胶粒子体积谱的细模态峰值浓度由0.055μm3/μm2增加至0.096μm3/μm2,且细模态峰值浓度所对应的有效半径增加,而粗模态峰值浓度及其所对应的有效半径的变化不大。大气层底部的气溶胶辐射强迫由-106.18 W/m2增强至-120.87 W/m2,大气层顶部的气溶胶辐射强迫由-13.44 W/m2增强至-43.25 W/m2,大气气溶胶对大气层顶部和大气层底部的冷却作用增强;整层大气的气溶胶辐射强迫由92.72 W/m2减少至77.63 W/m2,大气气溶胶对整层大气的增温作用减弱。在此次重霾污染过程中,成都地区大气气溶胶的光学辐射特性的变化主要是受到大气中细模态气溶胶粒子的影响。4、大气污染物局地排放对四川盆地城市地区气溶胶光学-辐射特性的影响:为了探究四川盆地2017年1月一次重霾污染过程中大气污染物局地排放对成都及其周边地区气溶胶光学-辐射特性的影响,设置关闭成都及其周边地区人为排放源的WRF-Chem敏感性模拟实验。模拟结果表明,关闭局地排放后,成都地区重霾污染过程中AOD数值显著减小了约85%,大气层底部气溶胶辐射强迫显著减弱。局地排放的减少,使得成都地区AOD及地表辐射强迫显著减弱,特别是在污染较为严重的1月5日,局地人为排放对成都地区大气气溶胶光学-辐射特性的影响最为显著。
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