北方地区MODIS和MISR与AERONET气溶胶光学厚度的比较及其时空分布分析

通过对比2006～2009年,搭载在Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)和多角度成像光谱仪(MISR)传感器与我国北方4个地面AERONET站点观测的气溶胶光学厚度AOD(aerosol optical depth),发现在SACOL站和北京站,MISR反演的气溶胶光学厚度优于MODIS;在香河站和兴隆站,MODIS反演的气溶胶光学厚度优于MISR.总体上,MISR反演的Angstrom值与地面观测相对误差为14%,而MODIS反演结果的相对误差为30%.因而在气溶胶辐射强迫研究中,使用MISR反演的Angstrom值来计算不同波段的气溶胶光学厚度,得到的结果误差较小.同时,利用卫星观测分析了我国大部分地区AOD季节平均分布特征:主要有两个高值区,分别是塔克拉玛干沙漠和华北南部以及华东北部地区.高值区位置随四季变化不明显,但在量值上有明显的季节变化.塔里木盆地春季AOD值最大,华北南部以及华东北部AOD值在夏季最大.MODIS和MISR Angstrom指数分布均表明,春季塔克拉玛干沙漠的气溶胶粒子半径最大;夏季两个高值区的气溶胶粒径达到最小.     

基于MODIS数据的陕西省气溶胶光学厚度变化趋势与成因分析

利用MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)数据探讨了2000年3月~2012年2月陕西省气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)的时空变化趋势及成因.结果表明,在地形因素和局地源的共同影响下,关中盆地、安康和汉中是陕西AOD高值区,除上述地区AOD在上升外,陕西大部分地区AOD在下降.陕西气溶胶波长指数(α)分布与植被覆盖情况密切相关,地面扬尘是粗模态气溶胶的重要来源,归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)上升和沙尘天气的减少使秦岭以北地区粗模态AOD逐年递减,而人类活动导致陕西林区以外的大部分地区细模态AOD的上升.随着细模态AOD上升和粗模态AOD下降,人类活动对气溶胶影响日益突出,陕西地区气溶胶类型正逐渐向城市工业型转变.     

基于MODIS数据的陕西省气溶胶光学厚度变化趋势与成因分析简

利用MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）数据探讨了2000年3月~ 2012年2月陕西省气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）的时空变化趋势及成因. 结果表明,在地形因素和局地源的共同影响下,关中盆地、安康和汉中是陕西AOD高值区,除上述地区AOD在上升外,陕西大部分地区AOD在下降. 陕西气溶胶波长指数（α）分布与植被覆盖情况密切相关,地面扬尘是粗模态气溶胶的重要来源,归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）上升和沙尘天气的减少使秦岭以北地区粗模态AOD逐年递减,而人类活动导致陕西林区以外的大部分地区细模态AOD的上升. 随着细模态AOD上升和粗模态AOD下降,人类活动对气溶胶影响日益突出,陕西地区气溶胶类型正逐渐向城市工业型转变.     

卫星遥感研究中国气溶胶光学厚度、NO_2和SO_2的相关性

利用2005~2014年Aqua MODIS和Aura OMI卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)、对流层二氧化氮(NO_2)、二氧化硫(SO_2)柱积分浓度,通过相关性研究分析了这两种气象前体物对中国不同地区气溶胶的影响.结果表明:(1)在中国绝大部分地区,AOD与NO_2和SO_2空间分布存在显著正相关(95%信度),说明NO_2和SO_2通过形成二次气溶胶而显著影响总气溶胶浓度.在日尺度上,卫星观测AOD与NO_2,SO_2的时间相关性不可靠.(2)AOD/NO_2和AOD/SO_2的线性拟合斜率存在较大地区差别:在黑吉辽、晋鲁豫、川渝黔等城市化程度相对较低的区域,AOD/SO_2的斜率显著小于AOD/NO_2斜率,表明这些地区气溶胶仍是以硫酸盐性为主、NO_2的贡献相对较小;而在京津冀、江浙沪、广东等现代化都市群附近,AOD/NO_2和AOD/SO_2斜率较为接近,表明这些地区气溶胶是以硫酸盐/硝酸盐混合性为主.(3)AOD/NO_2和AOD/SO_2的线性拟合斜率存在明显的季节变化,一般是在夏季最大、冬季最小,这可能与气温、冬季取暖、春季沙尘等有关;近10年来,这两种斜率在各地区基本没有体现出显著的年际变化趋势,但在川渝黔地区,AOD/NO_2斜率有微弱的升高趋势.本研究的结果,一方面可以弥补地基观测资料在时空覆盖上的不足,另一方面可以为相应的大气污染模式评估提供参考.     

环北京春季大气气溶胶分布、来源及其与CCN转化关系的飞机探测

利用2009年春季开展的"环北京云观测试验"(Beijing cloud experiment,BCE)观测的气溶胶和云凝结核(CCN)数据,研究了试验期间大气气溶胶的分布、来源特征及其与云凝结核(CCN)的转化关系.结果表明,高浓度气溶胶基本分布在4500 m以下的区域,量级可以达到103个/cm3.4500 m以上气溶胶呈显著下降趋势,仅为101个/cm3的量级;气溶胶平均直径在0.16~0.19μm之间.4500 m以下气溶胶平均粒子谱呈双(多)峰分布,而在4500 m以上基本为单峰分布.受气溶胶的来源特性差异的影响,在0.3%的过饱和度下,4500 m以下气溶胶转化为CCN比例不到20%,但在4500 m以上可高达近50%.气团移动轨迹显示,4500 m以上的大气高层均受到来自沙尘等较大尺度粒子的影响,飞机观测的高CCN浓度说明这种较大尺度气溶胶粒子可溶性较大.而4500 m以下的低层,由于受到局地或区域地面污染的影响,气溶胶的尺度较小,核化为CCN的过饱和度要求较高,因此气溶胶到CCN的转化率低.本文建立了气溶胶浓度和CCN浓度的拟合关系.     

广州大气气溶胶对到达地表紫外辐射的衰减

利用地表紫外辐射(UV,295～385nm)观测、太阳光度计与辐射模式定量评估了广州大气气溶胶对UV的衰减.观测表明UV谱区340nm的气溶胶光学厚度(AOD)年平均值达1.19,气溶胶光学厚度AOD340nm>1.0的年均出现频率达55%,对地表340nm紫外直接辐射的年均衰减率达68%.地表紫外辐射观测与模式评估表明全年大气对UV的平均衰减达75%,干季(10,11,12,1月)的平均衰减达72%;大气气溶胶在干季对UV的平均衰减达62%.表明目前广州城市群大气气溶胶对紫外辐射的衰减十分显著,至少一半以上的紫外辐射被大气气溶胶衰减,如此大幅度的衰减对城市生态系统、物种化学循环尤其是光化学反应过程将有重大的影响.     

北京冬季PM1中有机气溶胶的高分辨率气溶胶质谱观测

有机气溶胶(OA)是大气细粒子中的重要组分,其化学组成和来源的识别对有效控制颗粒物污染水平具有重要意义.利用高分辨率气溶胶飞行质谱对北京2010年冬季亚微米气溶胶(PM1)中OA质量浓度和粒径分布进行了高时间分辨率(5min)的在线测定,以了解其化学特征及来源.结果表明,北京冬季OA的平均浓度为20.9±25.3ug/m3,最小值与最大值分别为1.9和284.6ug/m3.OA的H/C,O/C,N/C的摩尔比分别为1.70,0.17和0.005,相应的OM/OC(有机物和有机碳的质量比)为1.37.OA的粒径分布范围较宽,在积聚模态450nm附近有明显的峰值,而对超细粒子(Dva<100nm)的贡献主要来自燃烧源的一次排放.北京冬季的OA主要分为3类:烃类有机气溶胶(HOA)、烹饪类有机气溶胶(COA)和氧化性有机气溶胶(OOA),分别占OA的26.9%,49.7%和23.4%.HOA和COA分别来自燃烧源和烹饪源排放的一次有机气溶胶(POA),而OOA则对应着"老化"的二次有机气溶胶(SOA).     

深圳市冬季黑碳气溶胶的粒径分布和混合态特征

黑碳(BC)气溶胶的气候效应和环境效应是当今科学界的研究热点. BC 气溶胶的粒径分布及混合态对其光吸收和其他理化性质有很大影响, 但是受仪器分析技术的限制, 目前国内外均鲜有对单个BC 粒子大小及混合态连续观测的研究. 本研究利用新型的单颗粒黑碳光度计(SP2), 对2009 年1~2 月深圳市BC 气溶胶的质量浓度、粒径分布及单颗粒混合态进行连续在线观测. 结果表明: 观测期间BC浓度均值为6.24 μg/m³; 其质量粒径分布呈单峰型, 峰值位于211 nm; 内混态BC(127~264 nm 粒径段内)质量比例为32.4%. 内混态BC 比例随粒径变化趋势与表面积浓度的粒径分布趋势相似, 说明内混态BC 形成与大气中的气-固转化过程密切相关. 外混态BC 浓度与NO_x 高度相关, 并随大气边界层高度变化而呈现白天低、夜间高, 这些特征都说明外混态BC 与本地机动车等燃烧源的新鲜排放密切相关; 内混态BC 浓度的日变化相对平缓, 指示出其来自区域传输的特征. 反向轨迹分析也表明, 内混态BC 比例与气团老化程度有显著的对应关系. 本研究有助于深入认识我国大气BC 气溶胶污染的本质及来源特征, 并为准确评估BC 气溶胶在辐射强迫和气候变化中的作用提供关键的支撑数据.     

大气污染加剧对中国区域散射辐射比例的影响

利用我国47个站点的晴空散射辐射比例(sunny diffuse radiation fraction,SDRF)资料,结合CO2排放、气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)和日照时数等对我国地区的SDRF时空分布、区域特征及其成因做了分析,结果表明:(1)我国SDRF有明显的区域性特征,大值区主要分布在我国中部的四川盆地,而在云南、新疆、西藏和东北等地SDRF值偏小;(2)大部分的站点SDRF呈显著上升趋势,其中以我国中东部地区的站点上升更为显著;(3)区域特征分析表明华北、华东和华中等地区SDRF上升较为显著,而华南、东北、西北和西南地区SDRF上升幅度相对较轻;(4)日照时数与散射辐射比例高度相关.其中在大气污染较为严重的华东、华中和华北地区,其相关系数均超过-0.8,大气中气溶胶粒子浓度升高对日照时数和散射辐射比例有重大的影响.     

二甲醚发动机超细颗粒排放属性实验研究

采用两级稀释取样装置和颗粒粒径分析仪——SMPS, 研究了不同转速和负荷下二甲醚发动机排放超细颗粒的数浓度和粒径分布特征, 并与原柴油机的颗粒排放进行了比较, 发现燃料组分显著影响排气颗粒的数浓度、质量浓度和粒径分布. 二甲醚发动机颗粒质量排放与柴油机相比有显著改善, 柴油机颗粒质量排放高出二甲醚发动机5.7~17.7倍; 高转速下(n = 2200 r/min), 二甲醚发动机颗粒数量排放与柴油机相比有一定程度的改善, 柴油机颗粒数量排放高出二甲醚发动机0.75~2.2倍; 而中间转速下(n = 1400 r/min), 中、高负荷时柴油机颗粒数量排放与二甲醚发动机相比反而下降50%~80%左右. 与二甲醚发动机相比较, 柴油机排放积聚模态数浓度增加 4.2~62.6倍, 积聚模态几何平均粒径增大10~30 nm左右, 这与二甲醚分子结构中不含C—C键以及燃料含氧有关; 二甲醚发动机排放大量核模态粒子, 这与二甲醚发动机排气中的挥发和半挥发性组分的成核和凝结作用有关.     

燃煤颗粒物三模态的有效识别

为有效识别燃煤颗粒物模态, 提出了一种新的基于Al元素粒径分布的识别方法, 结果证明燃煤颗粒物实际上呈三模态分布, 而非传统的双模态分布. 分析表明超细模态产生于无机物的气化-凝结过程, 粗模态主要由熔融矿物的聚合形成, 而中间模态主要由气态组分在细小残灰颗粒上的异相冷凝/反应生成. 对S元素粒径分布的研究进一步证明了Al元素粒径分布在燃煤颗粒物三模态识别中的合理性和有效性. 研究表明利用Al元素粒径分布不仅能有效识别颗粒物三模态, 而且能准确地定义各模态的分界粒径, 比常用的质量或体积等粒径分布具有更大的优越性, 为深入揭示颗粒物的形成机理及其物化特性表征提供了新的研究思路.     

利用MODIS研究中国东部地区气溶胶光学厚度的分布和季节变化特征

通过与太阳光度计观测结果的对比, 确认了NASA Terra卫星的MODIS气溶胶产品的精度. 利用2000年8月至2003年4月MODIS气溶胶产品统计了中国东部地区气溶胶光学特征和季节变化特点, 认为人类活动是中国东部气溶胶的主要来源, 所有的大值区都分布在华北平原、长江中下游平原、四川盆地、珠江三角洲等工业发达、人口密集、经济迅速发展的地区. Ångström指数的分布显示中国东部气溶胶以人类活动产生的气溶胶为主, 但在春季、秋季、冬季受到来自北方沙尘的影响显著. 人口密集城市地区气溶胶Ångström指数低于其周边地区, 显示城市地区由于人类活动产生的扬尘、煤烟等大粒子占有相当比例, 与发达国家城市地区不同. 这些结果为气候研究和环境研究提供了重要的基本数据.     

忽略1.6μm偏振计算对二氧化碳反演精度的影响

散射引起的偏振效应会对卫星遥感二氧化碳精度产生较大的影响.本文利用逐线积分方法和累加法精确模拟了星载仪器近红外1.6μm波段的大气层顶偏振辐射特征,计算了分子散射和气溶胶散射引入的偏振效应,分析了偏振效应对大气二氧化碳反演精度的影响.研究表明:1.6μm波段散射引入的偏振效应明显,并随太阳高度角、观测天顶角、气溶胶光学厚度、地表反射率而变化.除个别大角度观测天顶角外,偏振效应随太阳天顶角升高、气溶胶光学厚度增加、地表反射率的减小而变大,并且在吸收线位置的影响要高于窗区.忽略偏振效应导致的大气二氧化碳反演误差随太阳天顶角的升高、气溶胶光学厚度的增加以及地表反照率减小而增大,并且该误差与仪器观测角度有关.模拟结果显示在高太阳天顶角、高气溶胶光学厚度以及低反照率场景下,忽略偏振计算可能引入高于10 ppmv(1 ppmv=10~(-6) L/L)反演误差,远高于1~2 ppmv观测需求.为减小误差,基于该波段的二氧化碳反演需要考虑大气辐射偏振的影响.     

低硫柴油直喷燃烧超细颗粒排放特性研究

对比研究了燃用普通柴油和低硫柴油其排气超细颗粒数量浓度分布及化学成分特征. 结果表明, 相对于燃用普通柴油, 燃用低硫柴油其排气总颗粒质量浓度略有降低, 而数量浓度显著降低, 且降幅随负荷和转速增大. 燃用普通柴油和低硫柴油其排气微粒数浓度粒径分布曲线形状基本相似, 同一测试工况下, 相对于燃用普通柴油, 燃用低硫柴油其排气积聚模态微粒数量浓度变化较小, 而核模态微粒排放显著降低. 发动机排气微粒主要由C, O, Cl, S, Si, Ca, Na, Al, K元素组成, 燃用普通柴油和低硫柴油其排气微粒元素组成基本相似, 但燃用低硫柴油排气微粒中没有发现S元素. 排气微粒中挥发性有机物(SOF)主要成分有饱和烷烃(碳原子数为C15~C26)、有机酸酯和多环芳烃等. 燃用低硫柴油时微粒采样中未发现多环芳烃.     

南京持续雾霾天气中亚微米细颗粒物化学组分及光学性质

2013年1月,我国中东部地区发生持续性雾霾污染事件.本研究利用Aerodyne气溶胶化学组分监测仪(ACSM)对南京地区非难熔性亚微米细颗粒物(NR-PM1)化学组分(包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物)进行实时在线连续监测,结合光声气溶胶消光仪(PAX)表征大气颗粒物的消光性质和黑碳测量仪(Aethalometer)测定黑碳(BC)的浓度.观测期间,有机物、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、氯化物和BC对PM1(NR-PM1+BC)的贡献分别为32.3%,26.0%,17.9%,13.2%,2.8%和7.8%.利用正定矩阵因子分析法(PMF)解析出3类有机气溶胶:烃类有机气溶胶(HOA)、半挥发低氧化态有机气溶胶(SV-OOA)和低挥发高氧化态有机气溶胶(LV-OOA),三者平均浓度分别占总有机气溶胶的27.4%,32.2%和40.4%.可见观测期间二次组分是PM1的主体部分.受本地晚间餐饮源和机动车排放高峰的影响,HOA在晚间时段急剧增加,导致观测期间有机物出现剧烈的变化特征.整体而言,二次气溶胶(硫酸盐、硝酸盐、SV-OOA和LV-OOA)的质量浓度、总质量分数和气溶胶单次散射反照率分别随相对湿度(RH)的增加而升高,表明RH的增加有利于二次气溶胶的不断形成.另外,大气能见度随RH的增加而降低,也随二次组分含量的增加而降低,说明RH与PM1中二次组分对雾霾期间大气能见度产生协同影响.     

浑善达克沙地沙尘气溶胶的物理化学特性

基于春季内蒙古浑善达克沙地, 针对大气气溶胶进行外场采样和元素分析的资料, 对沙尘气溶胶的物理化学性质进行了分析研究. 结果表明, 观测期间气溶胶平均个数和质量浓度分别为274.8 cm^&#8722;3和0.54 mg/m³, 晴天分别为31.4 cm^&#8722;3和0.07 mg/m³. PM10对沙尘质量浓度起着主导作用. 小粒子占沙尘绝大多数, 沙尘天气半径小于等于4.0 μm的粒子数浓度占到总浓度的93.7%. 沙尘数浓度较大时, 粒子谱分布为双峰, 而较小时却为单峰. Al和Fe等地壳元素主要来自局地土壤源, Pb和S等污染元素主要来自外部污染源, Mo, V和Co来自外部沙尘源. 局地土壤源、远距污染源和外部沙尘源是沙尘气溶胶的主要来源.     

柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化特性

建立了描述柴油机排气稀释过程中挥发性纳米颗粒形成和变化的H2SO4-H2O二元均相成核和气溶胶动力学耦合模型.利用该模型模拟计算H2SO4-H2O二元均相成核作用下分子团簇的生成率和团簇粒径等参数,以及分子团簇向挥发性纳米颗粒转化过程的气溶胶动力学作用;并考察了燃料硫含量和实验室内稀释采样条件变化对柴油机排气中挥发性纳米颗粒数浓度粒径分布的影响.研究表明:H2SO4-H2O二元均相成核作用产生大量分子团簇,燃料硫、温度、湿度对分子团簇的生成率和团簇粒径产生显著影响.凝并作用使成核作用产生的分子团簇由单分散系向多分散系转化,形成挥发性纳米颗粒;凝结作用进一步促进颗粒向大粒子方向迁移,排气中碳烟粒子会抑制挥发性纳米颗粒的形成;燃料硫含量和稀释参数(初级通道内混合气稀释比、温/湿度和停留时间)等均显著影响挥发性纳米颗粒的数浓度粒径分布.     

ACE-Asia期间北京PM2.5的化学特征及其来源分析

2001年3 ～ 4月, 在北京采用美国IMPROVE仪器对PM2.5粒子进行了取样观测. 用质子激发X射线荧光分析(PIXE)方法分析后, 得到了20种元素成分的质量浓度. 研究表明, 观测期间北京春季沙尘PM2.5平均质量浓度为14.6 μg/m3, 在3月21日和4月10日发生沙尘天气, 沙尘PM2.5质量浓度分别为62.4和54.1 μg/m3, 表明北京沙尘天气的细粒子污染是非常严重的. 在北京发生沙尘天气的3月21日和4月10日, PM2.5粒子的S和Cu富集因子非常低, 表明远方的沙尘占了主要贡献; 而在非沙尘天气, S和Cu浓度和富集因子较大, 这可能是局地尘占了主导贡献. PM2.5中与人类活动有关的元素(如S, Cu)富集因子的变化可能是区分北京地区外来尘和局地尘相对贡献的一个有效方法. 因子分析结果表明, 地壳物质、人类工业活动和燃油这三种源对北京春季PM2.5有明显贡献.     

CSHNET观测网评估MODIS气溶胶产品在中国区域的适用性

利用中国地区太阳分光观测网(CSHNET)气溶胶光学厚度地基联网数据, 评估了MODIS气溶胶光学厚度产品在中国不同生态类型和地理区域的适用性. 2004年8月至2005年7月的验证结果表明, 中国地区MODIS产品的适用性存在较大地域和季节性差异. 青藏高原地区MODIS产品可利用率差, 仅占地面观测数据的16%, 平均有31%～45%的MODIS产品满足NASA误差标准; 北方荒漠地区MODIS产品占地面观测数据的15%～55%, 平均仅有7%～39%满足误差标准; 东北偏远地区MODIS产品占地面观测数据的14%～46%, 49%～69%产品满足误差标准; 森林生态系统MODIS产品占地面观测数据的46%～65%, 30%～59%产品满足误差标准; 东部沿海及湖泊地区MODIS产品占地面观测数据的63%～75%, 25%～67%产品满足误差标准; 内陆城镇MODIS产品占地面观测数据的43%～78%, 35%～75%产品满足误差标准; 农业生态系统MODIS产品占地面观测数据的61%～89%, 59%～88%产品满足误差标准. 地表均一、植被良好区域, 在生长季MODIS产品的利用率可达80%以上, >70%产品符合NASA误差标准.     

近周日自由摆动的VLBI观测

理论上证明,地球由于具有椭球核幔边界和存在液核、核幔之间的耦合将引起除 Chandler极移(CW)外的另一种自转运动的简正模.这一简正模在地球参考系中的周期接近于1恒星日,这就是所谓的近周日自由摆动(NDFW),从惯性参考系看,它表现为逆向的自由地核章动(RFCN),其理论周期约为460恒星日.人们曾想从天文光学观测资料中去检测它,但由于其振幅较小,天文光学观测的精度较低,因而一直难以证实.由 VLBI 观测可以察觉