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摘要
国家自然科学基金资助项目“中国地区气溶胶辐射特性的研究”为一重点课题，工作期限为1997.1 ~ 2000.12。资助总经费120万元。该课题由北京大学地球物理系毛节泰负责，中科院安徽光机所和国家气候中心共同承担。工作期间中国气象科学研究院和广东省热带海洋气象研究所参加了部分工作。
气溶胶的气候环境效应是气候研究的一个热点问题，也是预测气候变化的一个关键因子。为了配合中国地区区域气候的研究，需要有一个关于中国地区气溶胶辐射特性的基础资料。本课题的主要目标是通过直接观测和卫星遥感，并结合必要的模式计算，建立一个适合于区域气候研究应用的中国地区气溶胶辐射特性模型。该模型可用于讨论大气气溶胶的直接辐射效应，但暂时还不适用于讨论其间接效应。计划建立的模型其空间分辨率为10x10，时间分辨率为季度。
为建立气溶胶辐射模型，首先需要有基础的观测数据。卫星遥感气溶胶光学厚度应当是资料的主要来源。但遥感结果必须有直接测量的结果作为校验。多波段太阳光度计从地面测量气溶胶光学厚度是目前唯一实用的直接观测方法。本课题为此按排了五个测站的太阳光度计观测。其中北京的上甸子、青海的瓦里关、安徽的合肥和广东的新丰江都连续观测了一年，而西藏当雄的观测则进行了五、六两个月。这一资料为校验卫星遥感的结果提供了基础。除了多波段太阳光度计观测气溶胶光学厚度外，课题还按排了激光雷达观测气溶胶消光系数的垂直分布以及地面粒子谱仪直接测量气溶胶粒子的质量谱分布。
卫星遥感气溶胶光学厚度的研究工作己有大量结果。但本课题要求反演中国大陆上空的气溶胶光学厚度，这就面临着巨大的困难。本课题选用了二种方法，一是利用内陆一批面积足够大的水面，利用水面反射率相对均匀和稳定的特点，遥感水面上空气溶胶光学厚度。为此首先利用四个设有多波段太阳光度计的湖面进行试验，提出一种利用静止气象卫星GMS-5短波通道反射率资料反演气溶胶光学厚度的方法，反演结果与太阳光度计的观测结果进行了对比。在选定了反演方案以后，即用这一方案计算了二十五个湖面上空的气溶胶光学厚度，并得到四个季度的平均值，然后再内插到整个大陆地区，得到不同季度气溶胶光学厚度的分布。但由于我国内陆水面分布不均匀，在我国中部地区，如四川、湖南等地没有必要的观测数据，仅靠内插无法得到有代表性的结果。因此又开发了第二种方法，即利用TOMS探测器提供的360nm紫外辐射强度的资料进行反演。由于在紫外波段，陆面的反射率较低，且变化较小，有利于反演陆面上空气溶胶的光学厚度。利用北京上甸子多波段太阳光度计直接观测的气溶胶光学厚度资料与卫星遥感的结果进行了校验，相关系数达 0.80 以上 ( 89 组数据 )。利用 NASA 提供的 10x1.250 360nm 的有效反射率资料，计算了中国大陆上空四个季度的气溶胶光学厚度的分布。从其分布及变化规律来看，这一结果是合理的，具有参考价值。
无论是反演气溶胶光学厚度，还是计算地面反射率作大气订正，都无法回避对大气气溶胶微物理特性的假设，即气溶胶粒子的尺度谱分布和折射率值。在设计本课题时，我们也曾设想利用源模式来处理这一问题。但经过许多努力后发现此路不通。但无论如何我们需要有一种方法来证明这种假设的合理性。为此发展了一种结合较长期多波段太阳光度计和静止气象卫星可见通道反射率资料，利用最优化原理来确定该地区气溶胶微物理平均特性的方法。我们在北京地区专门做了一年的单点多波段太阳光度计的观测，并配合静止气象卫星的资料，在组合的25 种气溶胶模型中得到有三种模型都使所得到的下垫面反射率方差为最小值。它们的沙尘性、水溶性和无忧论文 【http://www.uklunwen.com】烟尘性气溶胶的含量分别为: ( 30%,65%,5% ); ( 43%,52%,5% ); ( 70%,28%,2% ) 。这里前两种组合比较接近，反映沙尘和可溶性贡献相近，且吸收物质较多，说明以当地污染型气溶胶为主。而最后一种主要是沙尘粒子，吸收也较少，接近大陆气溶胶模型，说明以远郊吹来得干净大陆气溶胶为主。这几种组合的光学厚度随波长变化规律与这一年中用多波段太阳光度计测得的结果十分一致，这也从一个侧面证明了最优化结果的合理性。
在上述直接观测和遥感反演数据的基础上，我们建立了中国地区大气气溶胶辐射模型。在这一模型中，气溶胶光学厚度值来自TOMS 资料的反演结果，并加上与地基多波段太阳光度计的比校。气溶胶微物理结构采用上述最优化方法给出的结果，由此得出不同波长的单散射反射率和不对称因子的值。气溶胶浓度随高度作指数递减，根据不同季度激光雷达观测的结果，递减率在不同季节有所不同。
作为对上述气溶胶辐射模型的应用，我们做了二个工作。一是利用这一模型，简单地估算了气溶胶的辐射强迫，另一个工作是将所建立的气溶胶辐射模型加入到 6S 模型中去，用于遥感资料的大气订正。但这两个工作都只有初步的结果，有待进一步深入。
在上述工作的同时，我们也用TOMS 资料的AI 指数和360nm的有效反射率遥感了沙尘暴和吸收性气溶胶。沙尘暴的问题和一般的大气气溶胶不同，它还有一个沙尘层高度问题。因此需要确定的参数有三个: 光学厚度，气溶胶微物理结构模型和沙尘层的高度。而这些参数都相互关联，对AI 指数和360nm的有效反射率有很大的影响。 如果假定沙尘层的高度为3km，沙尘层厚度为2km，则剩下两个未知参数。利用AI指数和360nm的有效反射率这两个观测量有可能反演计算出沙尘的光学厚度和气溶胶模型。我们所做的数值模拟证明了这一可能性，而且提供了一种实用的反演方法。利用这一方法反演计算了1998年4月15-18日的一次沙尘暴输送过程，得到了合理的结果。这一方法为定量地研究沙尘暴的传输打下了基础。但这一方法存在一个致命的缺陷是所得的反演结果没有直接测量的资料可用于比校。这一问题尚待进一步研究。另外利用TOMS 资料的AI 指数可以判断吸收性气溶胶的分布。这在国际上已有成功的经验。我们利用一年的TOMS 资料平均计算了不同季度中国地区吸收性气溶胶的分布，也具有参考价值。
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