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气候对北京气溶胶的影响 1 气溶胶监测的应用 由于气体扩散凝胶的光学厚度、颗粒大小和分散特性，其光学和物理特征对世界气候和辐射的平衡有重要影响。然而，由于气体凝胶的影响因素的复杂性，气体凝胶的时空分布及其与环境的相互作用具有很大的不确定性。传统地面测量的点数据,虽然在某一特定地区的精度很高,却无法反映大区域内气溶胶的时空分布,无法满足大区域范围内气溶胶监测的需求。遥感技术能够进行大范围的宏观观测,获取大区域的资料,在监测气溶胶的时空分布方面具有明显的优势。因此,在过去20年中,世界各国采取了一些措施,建立了TOMS,MODIS,MISR,POLDER,SPOT,SCIMACHY等卫星遥感观测平台。目前,卫星遥感数据已应用于时空分布和粒子特征等气溶胶特性监测,大气气溶胶气候学与气溶胶类型区分等研究。 利用卫星遥感数据适宜于对气溶胶的动态监测,进而分析其影响因素。大量研究表明,卫星遥感气溶胶产品如MODIS气溶胶产品可以满足气溶胶监测精度要求。目前,卫星遥感技术已经应用于城市可吸入颗粒物(PM)研究、大气污染的迁移、城市空气质量预测等方面。 本文利用北京城区2001年1月到2007年9月间的MODIS气溶胶产品(MOD04_L2)的光学厚度(AOT550)和细模式(FM)数据,结合风速、气温、降水等气候资料,研究了北京气溶胶类型特性和变化趋势,并分析了其影响因素,为北京环境污染治理提供科学依据。 2 北京天溶胶数据的收集和分析 2.1 气溶胶的地理环境影响因素 气溶胶是大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系,是指悬浮在地球大气中的具有一定稳定性的,沉降速度小的,尺度范围在0.001μm到几十μm之间的分子团、液态或固态粒子所组成的混合物。其来源分为自然源与人为排放两类。自然源主要包括沙漠、干旱半干旱地区的裸地、海洋洋面、火山喷发口、植物燃烧和森林火灾等;人为排放主要来自石化燃料的燃烧。气溶胶的地理环境影响因素主要指下垫面、地理位置以及降水、风速条件等。下垫面决定了气溶胶的自然来源,是气溶胶类型的主要影响因素,沙漠、干旱半干旱地区容易产生沙尘型气溶胶,而近海地区则以海洋型气溶胶为主;地理位置一方面决定了下垫面的类型,另一方面由于气溶胶的容易迁移,因而一个地区的气溶胶往往受其周围地区环境的影响,中国北方地区的沙尘天气是气溶胶迁移的典型例子;降水对气溶胶的影响主要是通过对下垫面的影响和对空气的“清洁”来实现的,当有降水时,下垫面不容易发生起沙行为;风速是气溶胶产生和扩散的动力之一,在中国北方地区,风速是形成沙尘气溶胶以及其迁徙的主要原因。 北京属于工业城市,工业发达,一方面工业生产造成大量的人为排放气溶胶,另一方面,由于北京处于半湿润地区,且靠近蒙古干旱半干旱地区,容易产生本土沙尘气溶胶,又容易受中国北方沙尘天气的影响。 2.2 气溶胶数据的收集和分析 2.2.1 气溶胶模式面向非沙区 利用卫星遥感反演大气气溶胶的基本原理是:卫星观测到的表观反射率R即是气溶胶光学厚度和下垫面反射率的函数,又与气溶胶模式、太阳以及卫星的天顶距有关。通过计算卫星以及太阳的天顶距和地表反射率R,并假设一定的气溶胶模式,就可以反演到气溶胶光学厚度。 MODIS气溶胶产品是选取暗目标在蓝光和红光的地表反射率作为10km×10km范围内的代表值。气溶胶模式分为沙尘型气溶胶和非沙尘型气溶胶。对于非沙尘型气溶胶采用按地域和季节来确定气溶胶模式的方法,在中国大陆东部和南部,在非沙尘情况下,取为工业城市型气溶胶,最后按照红蓝两个通道的光学厚度进一步确定550nm通道的光学厚度。 本研究采用的主要数据是MODIS气溶胶产品(MOD04_L2)中的两个数据集:(1)550nm波段的光学厚度(AOT: the optical thickness at 550nm);(2)细微粒模式对光学厚度的贡献(the FM fraction: the ratio of optical depth of small mode versus effective optical depth)。产品的空间分辨率为10km×10km,只覆盖无云区域,处理级别为5(C005),已在全球尺度内去除了倾斜误差。气溶胶光学厚度AOT是气溶胶消光系数在垂直方向的积分,反映了气溶胶总量,FM反映了细微粒模式(气态核化过程为主的累积模式和云中凝结过程)对光学厚度的贡献。 2.2.2 气溶胶光学厚度的测定 用多波段太阳光度计遥感气溶胶光学厚度是目前气溶胶遥感手段中最准确的方法,通常被用来校验卫星遥感的结果,其基本原理是太阳光度计测得的电压V(λ)正比于入射的太阳辐射,在用Langley定标方法确定仪器常数V0(λ)后,由朗伯-比尔定律,可求得整层大气的光学厚度为τ(λ)=1m(θ)ln(αV0(λ)V