大气短波辐射传输气溶胶的辐射效应
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大气短波辐射传输气溶胶的辐射效应
杨军(jyang@https://www.360docs.net/doc/552222223.html,)
?2
平面平行大气
19911994
Sunspot number
Lean et al 1995
Lockwood and Stamper (1999)
Hoyt ans Schatten (1993)
Plot from IPCC TAR
Solanki and Fligge 1998太阳常数的变化
1、方程求解－算法
2、大气性质
常用算法
Discrete-Ordinates Method
对天顶角的积分转换为有限求和→一阶线性微分方
程组
最简单形式：T wo-Stream Approximations Spherical Harmonics Methods
将辐射强度展开为球谐函数→一阶线性微分方程组“二流”形式退化为：Eddington Approximations Adding Method
Monte Carlo Method
0101110
110110112
12212'
2212221j k j k k kj k k j k k jk m n m n n nm U R D TU F D T D RU F U R D T U F D T D R U F U R D T U F D T D R U F U R D T U F D T D R U F ′′=++??′′=++?
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F kj 和F jk 是第k 层向上和向下的一次散射辐射通量密度
上下边界条件：D 0=0和U n =α[D n +S t λμ0exp(-τn /μ0)]，即模式顶没有入射的散射辐射，地面向上的反射辐射是地面反照率乘以总辐射。地面反照率α随地面覆盖物、相对湿度和波长变化。
00 exp(-/)
kj k t j F R S λμτμ=00 exp(-/)
jk k t j F T S λμτμ=
地面反照率
气溶胶光学性质
14
大气气溶胶
形状和大小？
散射的分类—尺度参数
2r
x πλ
=
Imaginary part of the refractive indexes of some aerosol materials
Note: Main absorbing
species in the SW are
black carbon (Soot) and
Hematite (dust)
折射指数—混合方式
大气辐射传输模型
[转载]大气辐射传输模型 已有 968 次阅读2010-11-6 14:31|个人分类:未分类|系统分类:科普集锦|关键词:辐射传输 转自https://www.360docs.net/doc/552222223.html,/s/blog_4b700c4c0100jgl7.html 相对辐射校正和绝对辐射校正 基于物理模型的绝对辐射校是利用一系列参数(例如，卫星过境时的地物反射率，大气的能见度，太阳天顶角和卫星传感器的标定参数等)将遥感图像进行校正的方法。仪器引起的误差畸变一般在数据生产过程中由生产单位根据传感器参数进行了校正。对于用户来所，绝对辐射校正的方法主要是辐射传输模型法，该方法校正精度较高，它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气校正的方法。由于有不同的不同的假设条件和适用的范围，因此产生很多可选择的大气较正模型，例如 6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ATCOR模型等。 基于统计模型的相对辐射校正,主要包括不变目标法、黑暗像元法与直方图匹配法等等。不变目标法假定图像上存在具有较稳定反射辐射特性的像元，并且可确定这些像元的地理意义，那么就称这些像元为不变目标，这些不变目标在不同时相的遥感图像上的反射率将存在一种线性关系。当确定了不变目标以及它们在不同时相遥感图像中反射率的这种线性关系，就可以对遥感图像进行大气校正。黑暗像元法的基本原理就是在假定待校正的遥感图像上存在黑暗像元区域、地表朗伯面反射、大气性质均一，忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元由于大气的影响，而使得这些像元的反射率相对增加，可以认为这部分增加的反射率是由于大气程辐射的影响产生的。利用黑暗像元值计算出程辐射，并代入适当的大气校正模型，获得相应的参数后，通过计算就得到了地物真实的反射率。直方图匹配法是指如果确定某个没有受到大气影响的区域和受到大气影响的区域的反射率是相同的，并且可以确定出不受影响的区域，就可以利用它的直方图对受影响地区的直方图进行匹配处理。此外，还有很多基于统计模型的方法，如有人提出利用小波变换的遥感图像相对辐射校正方法。该方法对源图像小波变换域的低频成分实施辐射变换,并保持高频成分不变,重构的图像具有保持高频信息的特性,因而能够较好地保留原图像中由于地物变化引起的辐射差异；也有人利用主成分分析法把遥感图像中有用的信息和大气影响噪音区分开来。 大气辐射传输模型6S 1986年，法国Université des Sciences et Technologies de Lille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。1997年，Eric Vemote对5S进行了改进，发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。 这种模式是在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。6S是对5S的改进，光谱积分的步长从5nm 改进到2.5nm，同5S 相比，它可以模拟机载观测、设置目标高程、解释BRDF作用和临近效应，增加了两种吸收气体的计
项目名称气溶胶云辐射反馈过程及其与亚洲季风相互作用的精修订
项目名称气溶胶云辐射反馈过程及其与亚洲季 风相互作用的 SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
项目名称：气溶胶-云-辐射反馈过程及其与亚洲季 风相互作用的研究 首席科学家：张小曳中国气象科学研究院起止年限：至 依托部门：中国气象局
二、预期目标 总体目标: 提高我们对于气溶胶-云相互作用这个当今气候变化和云降水研究中最不确定问题的理解，研究我国气溶胶-区域性大气污染对天气和气候（特别是亚洲季风）的影响程度。发展一个包含气溶胶对云-辐射-降水影响及其反馈机制、可准确模拟气溶胶时空分布变化，并能有效耦合到全球/区域天气气候模式中气溶胶理化数值模式系统，建立雾的数值预报方法，并研究空气污染对天气预报的影响，特别是对云和降水预报的影响；提升我国参与IPCC第五次评估报告的气候系统模式模拟中国特点气溶胶、详细云过程和云辐射过程的能力，形成我国新一代气溶胶-云-辐射气候模式系统。更深入、准确地认识气溶胶的间接气候效应、气溶胶对云和降水的影响，对亚洲季风的影响程度，以及对未来气候变化的影响程度。为回答气溶胶是否应像温室气体一样纳入减排、稳定气候与控制污染之间的关系等气候变化议题中的敏感问题、为我国天气预报和气候预估准确率的提高、为污染控制的宏观决策等提供系统、独立的科学支撑。 实现我国大气气溶胶及其天气-气候影响方面的研究与国家的应对气候变化、预报服务需求的无缝隙连接。不仅将在气溶胶-天气气候变化这一国际研究的热点领域不断作出中国科学家具有国际水平的系统、独立的研究成果，还将在提高预报能力、更好地预估未来气候变化和控制区域大气污染，以及为国家气候变化外交这些重要国家需求方面，不断发挥作用。锻炼和形成一批活跃在国际大气科学热点领域的中青年科学家群体，五年中要争取再有2-3人进入国际学术组织任职，扩大我国在此领域的骨干研究队伍规模，提高我国在该领域的整体研究水平。 五年预期目标: 前2年目标： 1)获得对中国不同区域和珠三角典型季风区大气气溶胶化学、物理和光学特性，以及典型挥发性有机物形成二次有机气溶胶(SOA)的主要化学过程（均相和非均相），以及SOA在老化过程的变化；并在气溶胶光学特性和云微物理特
中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫及气候效应的数值模拟
中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫 及气候效应的数值模拟 X 田 华 马建中 李维亮 刘洪利 (中国气象科学研究院,北京100081) 摘 要 分析了M ODIS 卫星资料反演的2001年我国中东部地区气溶胶光学厚度的时空分布特 征,并利用中尺度数值模式M M 5对该地区硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应进 行了模拟。结果表明:2001年四川盆地、长江中下游地区、黄淮一带及两广等地区气溶胶光 学厚度较大。各季光学厚度变化不同,全年以春季最大。地面温度响应呈现出明显的区域 季节变化特征,主要表现为冬、春、秋季南方降温幅度明显,夏季北方降温幅度明显。就区域 平均而言,2001年中东部地区晴空时气溶胶辐射强迫以春季最大,达-34.53W/m 2;夏季 次之,达-22.76W /m 2;冬季再次,达-22.57W/m 2;秋季最小,达-20W/m 2。地面降温则 以冬季最大,达-0.65e ;秋季次之,达-0.37e ;春季再次,达-0.34e ;夏季最小,达 -0.09e 。 关键词:气溶胶 M OD IS 硫酸盐 辐射强迫 气候效应 引 言 大气气溶胶是引起气候变化的一个重要因子,它通过直接辐射强迫和间接辐射强迫强烈地影响气候系统[1]。Charlson 等[2]、Kiehl 等[3]、Hayw ood 等[4]对硫酸盐辐射强迫及其气候效应做了一定的研究并取得了一系列有意义的结果。概括起来,这些研究大多是将三维化学输送模式同气候模式耦合,在全球尺度上进行数值模拟。但由于气溶胶排放源的不均匀性以及生命期较短(约1周),气溶胶辐射强迫具有很大的区域差异性,为此在区域尺度上评估硫酸盐气溶胶的气候效应更具有意义。 20世纪90年代以来,国内外科学工作者对中国气溶胶区域气候效应产生了极大的关注。赵凤生等[5]利用一维辐射对流模式,模拟了乡村型和城市型两类气溶胶的直接和间接效应,指出了气溶胶在地气系统辐射收支及全球温度变化中的重要作用。王喜红等[6]利用三维区域欧拉型硫化物传输模式,研究了20世纪90年代中期东亚地区人为硫酸盐柱含量的分布,在此基础上,利用一个两层多次反射模式估算了东亚地区人为硫酸盐气溶胶直接辐射强迫,结果表明,东亚地区年平均的人为硫酸盐直接辐射强迫约为-0.7W/m 2。胡荣明等[7]用中国大陆SO 2的排放分布,计算了中国地区人为扰动气溶 第16卷3期2005年6月 应用气象学报JOU RNA L OF A PPL IED M ET EORO LOG ICA L SCIENCE Vol.16,No.3 June 2005 X 国家自然科学基金项目(批准号:40121120826)资助。2003-12-15收到,2004-06-17收到修改稿。
黑碳气溶胶及其气候效应
黑碳气溶胶及其气候效应 （上海大学环境与化学工程学院，上海200444） 摘要：黑碳气溶胶是气溶胶的重要组成部分，因其在大气辐射强迫中的特殊作用与对气候的影响而成为近来关注的热点。本文简要综述了黑碳气溶胶的研究近况和黑碳气溶胶对气候的影响，归纳了黑碳气溶胶研究的困难并作出展望。 关键词：黑碳气溶胶；辐射强迫；气候影响 Black carbon aerosols and its effects on climate Maguowen (School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China) Abstract:black carbon aerosol is an important component of aerosol, due to itsspecial role in atmospheric radiative forcing and impact on the climate,black carbon become the focus of attention of late. This article provides a brief summary of recent research on black carbon aerosols and its impacts on climate, summarized the difficulties and prospects of black carbon aerosol research. Keywords:black carbon aerosol;atmospheric radiative forcing;climate impact 1前言 黑碳气溶胶(BlackCarbon)是大气气胶中一种重要组成部分,主要是含碳物质不完全燃烧产生的不定型碳质,它在可见到红外波段范围内对太阳辐射均有强烈的吸收,所以习惯上被称为黑碳气溶胶。黑碳气溶胶对太阳辐射的强烈吸收作用,以及潜在的气候强迫效应已成为气溶胶气候效应研究中的一个重要内容,并受到世界各国科学家的关注,1995年的IPCC报告[1]就曾指出:作为大气气溶胶中太阳辐射的吸收主体,黑碳气溶胶同其它气溶胶如硫酸盐气溶胶混合存在,可能会大大降低硫酸盐气溶胶单独存在时对气候的负辐射强迫作用。2000年的IPCC报告[2]则根据近年来黑碳气溶胶辐射强迫研究的模式模拟结果,指出黑碳气溶胶能够导致正的辐射强迫,同硫酸盐等气溶胶混合在一起,黑碳气溶胶会极大地减弱气溶胶的负辐射强迫,尤其是在地表反照率较大的北半球地区,这种作用会更明显。 黑碳气溶胶粒子的尺度主要在0. 01～1. 0μm的细粒子区,它不会由大气中其它的化学反应过程生成或清除。黑碳粒子表面在大气中为非均相反应和气—粒转
气溶胶的光学特性参数
气溶胶的光学特性参数 （1）气溶胶光学厚度 气溶胶光学厚度,英文名称为AOD（Aerosol Optical Depth）或AOT（Aerosol Optical Thickness），表示的是单位截面的垂直气柱上的透过率，有时候又叫大气混浊度，它是一个无量纲的正值。数值范围在0-1之间，0代表完全不透明大气，1代表完全透明的大气，气溶胶光学厚度越大，大气透过率越低。值的大小主要由气溶胶质粒的数密度、尺度分布、气溶胶类型等物理、光学属性来决定。 气溶胶光学厚度的反演： 公式：L=L0+F*T*P/[1-S*P] L：传感器收到的辐射；L0：大气路径辐射；F：下行辐射 P：地表反射率；T：大气透过率；S：大气半球反射率 F*T*P/[1-S*P]：地表反射辐射 对于大气路径辐射项L0,它只是大气气溶胶光学厚度和几何参数的函数,假如地表反射辐射比较小或为零,就可以通过大气路径辐射项来反演获得气溶胶光学厚度,对于地表反射辐射（F*T*P/[1-S*P]）来说，仅是气溶胶光学厚度的函数,如果消去路径辐射信息,便可以通过它来反演气溶胶光学厚度。 （2）散射相函数 散射相函数反映的是电磁波入射能量经粒子散射后在方向上的分布，或者称相函数是粒子(散射体)将某个方向的入射波散射到其他方向的概率。定义相函数P(θ)为在θ角方向的散射辐射能量与各向同性散射时该方向的散射辐射能量之比。目前，常用的相函数有Mie散射相函数、HG相函数、双HG相函数和改进的HG*相函数等，这些函数各有优缺点。 Mie散射相函数： P Mie(θ)= [S1(θ)2 +S2(θ) 2]/ 2πα2 Qsca α=2πR/λ：球形气溶胶粒子的尺寸参数； S1(θ)、S2(θ)：散射振幅矩阵元； Qsca：气溶胶粒子的散射效率因子； S1(θ)、S2(θ)和Qsca可由Mie展开系数求解，Mie散射相函数适合于球形粒子求解。 （3）单次散射反照率 单次散射反照率（single scattering albedo,SSA），在随机介质中传播的光将会被介质中的粒子散射和吸收而衰减，我们称之为消光，其中因散射而导致入射光消光在总消光中所占的比例，可以用粒子的平均单次散射反照率来表示，其定义为： 0（x，m）= Cs（x，m）/C（x，m） C、Cs：粒子的消光截面和散射截面，消光截面是粒子或粒子群在电磁波传播路径上对电磁波衰减能力的度量； x=2πr/λ：为粒子的尺度因子，r、λ分别为粒子的半径和入射光的波长； m：复折射率，为复数m=n–ki，式中实数部分n为介质的折射率，虚数部分的k为介质的吸收系数； 如果用Ca表示粒子的吸收截面，则应满足C=Cs+Ca；如果粒子对入射光完全无吸收，即Ca=0，于是C=Cs，反照率为1，达到它的最大值。粒子有吸收时，反照率介于0到1之间。
遥感辐射传输模型
遥感辐射传输模型 姓名：张超 学院：地球科学与环境工程学院 专业：遥感科学与技术 班级：遥感一班 提交时间：2015年5月10日 大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是
获得准确的大气特性参数通常比较困难。通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，他不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。它是利用电磁波在大气中的 辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。 其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。 大气辐射传输原理 电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1] （1）式中，IΛ是辐射强度， s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。令在s=0 处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由式(1)积分得到 （2）假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度 （3）则式(2)可表示为 （4）上式就是比尔定律，也称朗伯定律。它指出，通过均匀消光介质传输的辐射强度按简单的指数函数减 弱，该指数函数的自变量是质量消光截面和路径长度的乘积。它不仅适用于强度
人为排放气溶胶引起的辐射强迫研究
收稿日期:1997-08-28第一作者:男,1962年生,硕士 *国家重点科技项目(96-911-01-02B)**任阵海为中国工程院院士 人为排放气溶胶引起的辐射强迫研究* 高庆先 任阵海 ** 姜振远 (国家环保局气候变化影响研究中心,北京 100012) 摘 要 利用建立的大气气溶胶辐射强迫模式,对我国历年大气气溶胶(TS P 和硫酸盐气溶胶)引起的直接辐射强迫进行了计算,并给出其全国分布。得到了一些有意义的结果:我国大气气溶胶引起的辐射强迫与我国能源,特别是燃煤的消耗量密切相关,随着消耗量的增加,大气气溶胶(T SP 和硫酸盐气溶胶粒子)引起的辐射强迫也增加;指出在利用辐射模式讨论大气气溶胶引起的直接辐射强迫时,不能忽视扬尘和沙尘的作用;我国由于大气气溶胶引起的直接辐射强迫主要集中在工业比较发达的城市或地区,四川盆地由于其特殊的地理位置和气候条件,在该地区因大气气溶胶产生的辐射强迫始终比较大。关键词 大气气溶胶 辐射强迫 人为排放 R esearch on Radiation Forcing C aused by Man -made Emission of Atmosph eric Aerosol GAO Qingxian REN Zhenhai JIANG Zheny uan (Center fo r Climate Change Impact Research,N EPA ,Beijing 100012) Abstract T he dir ect radiatio n forcing (RF )caused by atmospher ic aerosol (T SP and sulfate aerosol)over t he years was calculated t hrough using t he built RF model of atmospher ic aerosol,and the g eogr aphic distribution w as also g ot.T he RF had close r elation with t he energy consumption in China,especially with her coal consumption.With the incr ease of coal consumption,the RF also increased.It w as pointed out that fine sand and raise dust can not be ignored when discussing the RF by using RF models.T he high v alues of RF in China were mainly located in those industry-developed regions and cities.T he RF value in Sichuan Basin was larger all the time due to its special g eog raphic and climate condit ions. Keywords Atmospheric aerosol;R adiation forcing;M an-made emission 人为排放大气气溶胶的气候效应和环境生态效应是当前环境科学和大气科学界普遍关注的热门课题,已引起各国政府和联合国IPCC 组织的高度重视。不仅仅是因为气溶胶的强迫作用会改变(或影响)区域乃至全球的气候和环境生态系统,更重要的是为了要实现可持续发展和保护人类所共同拥有的自然生态环境,必须进行减缓向大气排放气溶胶。这就涉及到各国的国民经济发展和工农业生产的发展,是摆在各国政策制定者面前的一个严肃课题。大气气溶胶主要来源是化石燃料的燃烧、生物物质的燃烧和人为不适当活动导致的沙尘、扬尘等途径。对流层气溶胶已直接导致了全球减少015%的太阳辐射,并可能间接导致同样的负强迫。尽管 这一辐射强迫主要集中于特定的区域和次大陆地区,但它对半球乃至全球的气候将产生一定的影 响[1]。 目前,国际上有关气溶胶对气候和生态环境效应的研究相对较多。Chuang (1997)应用耦合的气候/化学模式,并取云核化过程参数化,以局地气溶胶数密度、人为硫酸盐质量浓度和上升气流速度作为输入,研究人为硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫和间接辐射强迫。研究表明气溶胶全球直接辐射强迫约为-014W/m 2,最大值出现在人为硫发射最强的亚洲,间接辐射强迫约为-016~-116W/m 2,主要出现于大陆上空,间接强迫最大值位于北美和大西洋沿岸。 气溶胶辐射强迫具有明显的不确定性,其主要原因在于人为硫酸盐气溶胶的大气负荷的变化,起源于硫酸盐气溶胶相对短的滞留时间(约一周),还随大气中的降水过程的湿沉降而变化,表现为明显的空间不均匀性和时间变率大。可以认为气溶胶的 第11卷 第1期 环 境 科 学 研 究Research o f Environmental Sciences V ol.11,No.1,1998
黑碳气溶胶气候效应研究进展
黑碳气溶胶气候效应研究进展 摘要 黑碳是目前在全球变化研究中备受关注的焦点问题之一。本文介绍了国内外黑碳气溶胶和沉积物黑碳的研究现状，在黑碳气溶胶方面，重点归纳了其在气候效应方面的作用：黑碳气溶胶吸收太阳辐射，在大气顶产生正辐射强迫，在地表产生负辐射强迫，被认为是导致温室效应仅次于二氧化碳的第二大成分。黑碳气溶胶既可以通过直接气候效应改变地-气系统的辐射平衡，又可以作为云凝结核或冰核改变云的微物理特性，间接影响区域或全球气候。对黑碳气溶胶的辐射强迫及其气候效应的研究现状进行总结和分析后，指出了目前黑碳气溶胶气候效应研究中存在的不确定性，并对未来的相关研究提出了一些建议。 关键词：黑碳气溶胶；辐射强迫；气候效应
Abstract Black carbon (BC) is an attentive research topic in the field of global change. In this paper, the recent research on black carbon aerosol ans sediment black carbon is reviewed. As we know, black carbon aerosol plays an important role in climate change and has become the second important component in green house effect. The top-of-the atmosphere (TOA) forcing is positive and the surface forcing is negative due to black carbon absorbing solar radiation. Black carbon aerosol can strongly absorb the solar radiation in a very broad spectral range from the visible to infrared waveband, therefore it is thought to be a potential factor that causes the global warming. BC aerosol not only alters the radiation equilibrium of the earth-atmosphere system through its direct effect, but also indirectly affects the global or regional climate through changing cloud microphysical properties by acting as cloud condensation nuclei or ice nuclei. In this paper, we reviewed the recent progresses in the studies on the radiative forcing due to BC and its climatic effects, reported the uncertainties existing in current researches, and gave some suggestions for the relevant studies in the future. Key words : black carbon aerosol; radiative forcing; climate effect
项目名称：气溶胶-云-辐射反馈过程及其与亚洲季风相互作用的
项目名称：气溶胶-云-辐射反馈过程及其与亚洲季 风相互作用的研究 首席科学家：X小曳中国气象科学研究院 起止年限：2011.1至2015.8 依托部门：中国气象局 二、预期目标 总体目标: 提高我们对于气溶胶-云相互作用这个当今气候变化和云降水研究中最不确定问题的理解，研究我国气溶胶-区域性大气污染对天气和气候（特别是亚洲季风）的影响程度。发展一个包含气溶胶对云-辐射-降水影响及其反馈机制、可准确模拟气溶胶时空分布变化，并能有效耦合到全球/区域天气气候模式中气溶胶理化数值模式系统，建立雾的数值预报方法，并研究空气污染对天气预报的影响，特别是对云和降水预报的影响；提升我国参与IPCC第五次评估报告的气候系统模式模拟中国特点气溶胶、详细云过程和云辐射过程的能力，形成我国新一代气溶胶-云-辐射气候模式系统。更深入、准确地认识气溶胶的间接气候效应、气溶胶对云和降水的影响，对亚洲季风的影响程度，以及对未来气候变化的影响程度。为回答气溶胶是否应像温室气体一样纳入减排、稳定气候与控制污染之间的关系等气
候变化议题中的敏感问题、为我国天气预报和气候预估准确率的提高、为污染控制的宏观决策等提供系统、独立的科学支撑。 实现我国大气气溶胶及其天气-气候影响方面的研究与国家的应对气候变化、预报服务需求的无缝隙连接。不仅将在气溶胶-天气气候变化这一国际研究的热点领域不断作出中国科学家具有国际水平的系统、独立的研究成果，还将在提高预报能力、更好地预估未来气候变化和控制区域大气污染，以及为国家气候变化外交这些重要国家需求方面，不断发挥作用。锻炼和形成一批活跃在国际大气科学热点领域的中青年科学家群体，五年中要争取再有2-3人进入国际学术组织任职，扩大我国在此领域的骨干研究队伍规模，提高我国在该领域的整体研究水平。 五年预期目标: 前2年目标： 1)获得对中国不同区域和珠三角典型季风区大气气溶胶化学、物理和光学特性，以及典型挥发性有机物形成二次有机气溶胶(SOA)的主要化学过程（均相和非均相），以及SOA在老化过程的变化；并在气溶胶光学特性和云微物理特性方面初步建立有统计或有物理意义的定量联系；获得气溶胶对云微物理结构影响的三维观测数据，并初步分析结果； 2)建立两个分别针对环境气溶胶单谱活化特性的观测系统和单粒子悬浮实验的室内实验系统，在认识气溶胶活化为云凝结核（C）的活化特性随粒径、化学成分等的变化特征，以及不同条件下气溶胶和云滴粒子的增长蒸发等微物理特性方面取得进展； 3)发展、完善、更新自主开发的中国区域气溶胶及其前体物排放源清单，并利用反演模式，研发可为当前气候和气溶胶-云-辐射模式提供最新的气溶胶及其前体物的排放源的源系统； 4)在发展的气体-气溶胶在线耦合气溶胶模式（CUACE/ Aero）中实现气溶胶-云-辐射-降水相互作用的模拟；并形成考虑气溶胶老化过程的环境气溶胶混合状态的参数化方案等；获得一个可准确模拟气溶胶分布变化，并能有效耦合到全球/区域天气气候模式中、包含气溶胶对云-辐射-降水影响及其反馈作用的气溶胶模式系统；
大气辐射传输理论 第一章..
大气辐射传输理论 引言 学科定义： 1、大气辐射学研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换的规律及其应用，属大气物理学的一个分支。大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感等学科的理论基础之一。 2、地球－大气系统的辐射差额是天气变化和气候形成及其演变的基本因素，可以说辐射过程与动力过程的作用共同决定了地球的气候环境。 学习、研究的意义 辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式 数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程 辐射传输规律是大气遥感的理论基础 气候问题——辐射强迫 近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气科学研究热点，其原因也在于人类活动所排放的某些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。 大气辐射学主要研究内容： 一、地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律，包括 1、太阳的辐射(97%E在0.3～3μm波段内，λ m=0.5μm附近)； 2、地-气系统辐射(绝大部分E在4～80μm波段内，λ m=10μm附近)； 3、不同地表状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。 二、大气辐射学还要研究辐射传输方程的求解。 辐射传输方程：是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用(吸收、散射、发射等)而使辐射能按一定规律传输的方程，在地球大气条件下，求解非常复杂，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要内容。 三、另外，对辐射与天气、气候关系的研究也是大气辐射学的重要内容，它是从地-气系统辐射收支的角度，来研究天气和气候的形成以及气候变迁问题的。 相关内容： 许多复杂的物理动力气候学问题中，涉及到海洋、极冰、陆地表面的辐射和热状况，大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响，以及这些过程和大气辐射过程之间复杂的相互作用和反馈关系。 第一章用于大气辐射的基本知识 第一节辐射的基本概念 太阳辐射和地球大气辐射虽具有不同的特性，其本质是相同的，它们都是电磁辐射。电磁辐射是以波动和粒子形式表现出的一种能量传送形式。 1.1.1电磁波及其特性 一、波：波是振动在空间的传播。有横波和纵波的形式之分。 二、机械波：机械振动在媒质中的传播，如声波、水波和地震波。 三、电磁波（ElectroMagnetic Spectrum）：变化电场和变化磁场在空间的传播。 四、电磁辐射: 电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和投射）称为电磁辐射。 五、电磁波的特性： 1、电磁波是横波 2、在真空中以光速传播 3、电磁波具有波粒二相性： 波动性：表现在电磁辐射以波动方式在大气中传播，并发生反射、折射、衍射和偏振等效应。也就是说电
气溶胶与云相互作用的研究进展
第23卷 第3期2008年3月 地球科学进展 A DVAN CE S I N E AR T H S C I E N C E V o l.23 N o.3 M a r.，2008 文章编号：1001-8166（2008）03-00 -10 气溶胶与云相互作用的研究进展* 段 婧，毛节泰 （北京大学物理学院大气科学系，北京 100871） 摘 要：气溶胶和云在气候系统中扮演着重要角色，近年来随着人们对它们重要作用的深入认识，气溶胶与云的相互作用也逐渐成为气候研究的一个重要方向。对该领域的研究方法和近20年来国内外的相关研究做了全面回顾。飞机观测、卫星观测、以及观测和模式模拟相结合3种研究方法被主要应用于该项研究。大量观测和模拟都证明了气溶胶对辐射、云滴以及降水的影响；云凝结核作为气溶胶和云相互作用过程中的重要环节，近些年在观测技术上有了较大进展，对相关理论的研究也随着观测水平的进步有了较大发展。我国在该领域的研究也从单一的观测资料分析逐渐转向模式模拟、多种方法综合分析。最后结合国内外研究进展，对该领域未来的发展进行了展望。 关 键 词：气溶胶；云；相互作用；气溶胶间接效应；云凝结核 中图分类号：P426．5 文献标识码：A 1 引 言 气溶胶是大气中一种重要的微量成分，它是许多大气化学过程的媒介或终端产物。尽管气溶胶的研究已经进行了几十年，但是它仍然是气候变化中最不确定的因素。伴随着矿物能源的消耗，人类向大气排放硫氧化物和氮氧化物，这些物质不但导致酸沉降，而且还能和其它人类活动排放的物质在大气中形成气溶胶。实际大气气溶胶的成分非常复杂，它可以通过吸收和散射太阳辐射而直接影响地气系统的辐射平衡，即直接辐射气候效应。另一方面，气溶胶粒子又可以作为云的凝结核影响云的光学特性、云量以及云的寿命，产生间接效应。目前对间接辐射强迫估计的不确定性很大［1］，而且对云本身的辐射特性的了解也还不是很全面。因此，气溶胶－云－辐射间的相互作用情况既是气候系统最不确定的因素之一，也是当前气候研究和预测中的难点问题［2］。 本文简要介绍了气溶胶与云的相互作用原理及 其国内外主要研究进展，并对我国未来气溶胶与云相互作用的研究重点和难点进行了展望。 2 气溶胶与云的相互作用 2.1 气溶胶与云相互作用过程 气溶胶的间接辐射强迫作用表现为气溶胶与云的相互作用，具体来讲就是气溶胶可以通过参与云中的微物理过程来改变云的物理特征，从而改变其辐射特性。通过近些年的研究，这种间接辐射强迫主要可以描述为两类间接效应（图1）。第一类间接效应也称T w o m e y效应，指气溶胶增加使云中云滴数量增加，减少云粒子半径，从而增加云的反照率（它依赖于气溶胶的吸收特性和光学厚度）；第二类间接效应也称为“云的生命期效应”或“A l b r ec ht效应”，是由人为气溶胶增加引起粒子半径的减小，从而抑制降水，使云的生命时间发生变化［3］。另有新近的研究提出一种气溶胶对云的半直接效应（s e m i-d i r ec t e ff ec t o n c l o ud）：吸收性气溶胶也可以通过云的半直接效应来使地面变暖［4，5］，在这种效应的作 * 收稿日期：2007-11-12；修回日期：2008-02-20. *基金项目：国家自然科学基金项目“华北地区大气气溶胶与云凝结核的飞机观测及其云物理效应的初步研究”（编号：40475003）；国家重点基础研究发展计划项目（973）“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”（编号：2006 C B403706）资助. 作者简介：段婧（1981-），女，河北石家庄人，博士研究生，主要从事气溶胶及其气候效应的研究. E-m a i l：d u a n j i ng＠p ku. e du. c n
典型城市和乡村大气黑碳气溶胶的质量吸收截面和吸光增强效应
典型城市和乡村大气黑碳气溶胶的质量吸收截面和吸光增强效 应 碳质气溶胶是环境和气候变化的驱动因子,其中元素碳(EC),或者称之为黑碳(BC),具有吸光吸热性质,是一种能够造成全球温室效应的空气污染物。BC有着积极的辐射强迫,其热辐射强迫被认为仅次于CO2,这使得黑碳减排成为一种可以在短期内缓解全球升温的有效途径,但黑碳的排放、浓度水平、来源和光学特征等问题尚无明确的科学定论。 大气中,黑碳与有机碳(OC)、硫酸盐等非吸光气溶胶混合后,非吸光气溶胶可能在BC表面形成涂层(外混或者内混),该包裹体会增加黑碳的质量吸收截面(MAC),从而造成黑碳的吸光增强效应。国内外对环境黑碳气溶胶的MAC和吸光增强效应的评估存在较大不确定性,研究尚不完善,进一步导致对黑碳的全球辐射强迫以及气候效应的估算产生巨大的误差。 为了进一步准确测定黑碳的质量吸收截面(MAC)及吸光增强因子(EMAC),本研究选择气溶胶污染严重的华北平原的两个站点(城市济南以及乡村禹城),收集其气溶胶样品进行分析。建立了气溶胶滤膜溶解过滤(AFD)系统,两步去除滤膜样品的黑碳包裹物,分离出样品中“纯黑碳”,并利用OCEC分析仪以及一系列野外在线观测仪器,对黑碳光学性质(MAC和EMAC)进行着重研究。 在济南市和乡村站禹城,观测到黑碳的MAC分别为8.99±2.29 m2/g、9.58±1.83 m2/g,通过与文献数据对比得知：不同地区、不同排放源,表现出不同的MAC数值,并整体呈现出较大的变化范围(3.4～16.8 m2/g)。同时发现MAC与OC/EC、NO3-/EC、NH4+/EC以及SO42-/EC均有一定的相关性,表明二次气溶胶对黑碳的包裹作用造成了MAC的增强。
气溶胶的影响
气溶胶的影响 气候： 气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏；另一方面却能通过微粒散射，漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。 气候变化受到气候系统内部可变化性和外部因子（包括自然因素和人类活动）的共同影响，气溶胶的福幅射强迫效应是其中重要的外部银子之一，但目前对气溶胶气候效应的科学理解水平还相当低。最近Menon等利用美国GISS气候数值模式得到的模拟结果表明黑炭气溶胶吸收短波辐射，从而产生大气异常加热的直接影响，这种加热引起东亚中部大气的上升运动和南北两侧弃团的下沉，造成了我国东部地区夏季降水“南多北少”的变化趋势。Xu的工作却指出我国夏季“南涝北旱”的原因是工业排放的硫酸盐气溶胶显著减少了太阳辐射，陆地气温降低，使海陆温差减小，夏季风偏弱，进而造成我国夏季雨带位置偏南，气溶胶的气候效应仍是一个存在较大争议的额科学问题。 东亚是全球硫化物排放较多的地区之一，今年来伴随着经济的高速增长有更多的含硫气体排入大气中，大量生成的硫酸盐气溶胶除了使环境恶化外，还可能对该区域气候造成一定影响，Li等认为中国四川盆地近40年来气温的变冷趋势可能与这一地区硫酸盐气溶胶含量的增加有关。Qian等利用一个简单的硫酸盐气溶胶辐射模式与区域气候模式（RegCM）耦合，模拟了东亚区域硫酸盐气溶胶的辐射强迫气候效应，发现硫酸盐气溶胶的直接，间接，辐射强迫对屈原气候都有影响，其中间接辐射强迫的作用较大。……中国东南部气溶胶增加将导致日照时数减少和日照强度降低，进而使夏季这一地区的最高气温降低。上述研究表明，城市工业发展使大量的工业废气排放至城市大气中，不仅严重地污染了大气环境，而且使空气浑浊度增大，特别是大气中的气溶胶大量增加，其直接和间接的辐射强迫将使得城市太阳辐射强度减弱，进而可能对区域气候产生影响。 导致全球变冷的主要因子使大气气溶胶。除黑炭气溶胶可产生0.1W/m2的辐射强迫外，绝大部分气溶胶粒子（包括硫酸盐，硝酸盐一级矿物沙尘等）总的直接辐射强迫和间接辐射强迫（仅包括云反照率效应，见下）分别为-0.5W/m2和-0.7W/m2,二者总计达到-1.2W/m2,已经接 近工业革命以来大气主要温室气体二氧化碳所产生的1.66W/m2气候变化辐射强迫。 研究造成工业革命以来气候变化的驱动力（辐射强迫）以及预测未来的气候变化时，不但要考虑大气温室气体的变化，还要考虑其他强迫银因子特别是大气气溶胶的变化。由于大气气溶胶可以散射和吸收太阳短波辐射以及地球长波辐射，影响地气系统的辐射平衡（直接效应）；与此同时，他们还可以作为凝结核影响云的辐射特性以及作为反应表面影响大量化学反应的速度（间接效应）；因此，大气气溶胶大气辐射和气候变化的研究中占有重要地位。 气溶胶粒子的辐射强迫机制主要有直接辐射强迫和间接效应，间接效应分为第一类间接效应（云反照率效应，或Twomey效应），第二类间接效应（云生命期效应），还包括冰核化效应，热力学效应及半直接效应。大气气溶胶通过上述直接，半直接与间接效应，影响地气系统的辐射收支并仅为影响地球气候外，气溶胶粒子的存在还将引起大气加热率和冷却率的变化，直接影响大气动力过程。沙尘的大气气溶胶还可能携带营养盐，当其沉降到海洋时会影响海洋初级生产力，影响辐射活性气体（例如CO2、CH4和DMS等）的海气交换通量，并进而影响全球碳循环，最终造成对地球气候系统的冲击。这些影响均可以归类于大气气溶胶的“间接气候效应”，他们可能是非常重要的，有关研究刚刚开始不久，难以给出任何定量描述。使情景变得更加复杂的还有，大气气溶胶不但可以吸收和散射太阳辐射，而且也可以吸收和散射红外热辐射；而这两种效应所产生的辐射强迫以及对气候的影响是完全不同的。总之，大
大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)
在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类， 1）采用大气的光学参数 2）直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算 1. 5s模型 该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测 量的目标反射率可以表示为， 海平面处朗伯体的反射率 大气透过率 分子、气溶胶层的内在反射率 有太阳到地表再到传感器的大气透过率 S为大气的反射率 大气传输辐射校正模型－3 modtran 该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序，在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
lowtran7是一个光谱分辨率20cm－1，的大气辐射传输实用软件，它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线，水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线，其他13种微量气体的垂直廓线，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线，辐射参量（如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布），以及地外太阳光谱。 lowtran7可以根据用户的需要，设置水平、倾斜、及垂直路径，地对空、空对地等各种探测几何形式，适用对象广泛。lowtran7的基本算法包括透过率计算方法，多次散射处理和几何路径计算。 1）多次散射处理 lowtran 采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。再用得到的通量计算散射源函数，用二流近似解求辐射传输方程。 2）透过率计算 该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时，采用参数化经验方法计算带平均透过率，在计算多次散射时，采用k－分布法 3）光线几何路径计算 考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看作球面分层，逐层考虑大气折射效应 由于lowtran直接使用大气物理参数，因而需要按照下列方法计算出与 lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页 4.modtran辐射传输模型 modtran可以计算0到50000cm－1的大气透过率和辐射亮度，它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范围的精度是20cm－1，在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上，根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。