非洲和亚洲沙尘质量消光效率的地基遥感研究

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沙尘气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,在地气系统中扮演着重要的角色,对全球气候变化和生态平衡有着深远的影响。非洲和亚洲是世界上最大的沙尘源区,其沙尘通量或大气含沙量的定量评估是准确了解全球沙尘传输、沉降和循环的先决条件。然而,基于卫星遥感的大气含沙量评估,其最大不确定性来源于沙尘气溶胶的质量消光效率,目前多数研究中沙尘质量消光效率的假定给大气含沙量评估带来了较大的不确定性。因此,开展非洲和亚洲地区沙尘质量消光效率的遥感分析研究具有重要的科学意义。本文主要利用非洲和亚洲地区AERONET太阳光度计观测资料多站点、长时间序列的观测优势,在分析非洲和亚洲沙尘气溶胶对AERONET观测站点潜在影响的基础上,将非洲地区划分为撒哈拉沙漠、萨赫勒两个沙尘源区和跨大西洋传输路径上的两个传输区(共35个站点),在亚洲地区选取3个站点分别代表东亚、中亚和南亚的典型沙尘影响区,全面分析了非洲和亚洲沙尘气溶胶的光学特性,反演了沙尘气溶胶的质量消光效率,重点对比分析了不同沙尘源区及传输区沙尘质量消光效率的异同,评估了目前大气含沙量卫星遥感研究中因沙尘质量消光效率假定所造成的显著不确定性。此外,结合Mie散射理论模型分析探讨了沙尘质量消光效率与粒子有效半径和消光效率的关系,为沙尘质量消光效率的参数化提供支持。主要结论如下:(1)非洲和亚洲沙尘发生频次有显著的季节性变化特征。非洲沙尘频发于夏季,由于源区观测站点选取的差异,在萨赫勒地区统计了远高于撒哈拉沙漠的沙尘发生频次,且传输区沙尘频次低于源区;亚洲沙尘因受不同沙尘源区的影响,东亚和中亚沙尘分别集中在3-4和6-10月份,南亚沙尘集中在3-7月份,其出现频次(36.2%)约为东亚和中亚的2倍,且都伴随较高的污染沙尘发生频率。非洲沙尘是该地区总光学厚度的主要贡献者,萨赫勒地区总气溶胶光学厚度和沙尘光学厚度均远高于撒哈拉沙漠及其传输区,沙尘吸收性源区强于传输区;亚洲沙尘和污染沙尘是总光学厚度的主要贡献者,污染沙尘因人为污染影响具有较高的吸收性,尤其是南亚地区。在沙尘粒子尺度谱方面,无论非洲沙尘还是亚洲沙尘及污染沙尘,均以粗模态为主且浓度峰值差异显著。(2)在不同沙尘源区及传输区沙尘质量消光效率存在显著的差异。非洲沙尘质量消光效率均呈准正态分布,频率分布较窄,主要分布在0.3-0.55m2g-1之间,从源区向传输区呈现增大趋势;东亚、中亚和南亚沙尘质量消光效率的主要分布在0.3-0.5m2g-1之间,污染沙尘质量消光效率略低于沙尘,其显著的差异与人为污染的影响有关。通过Mie散射模型模拟及统计分析发现,沙尘质量消光效率的大小显著依赖于粗模态粒子有效半径和消光效率的大小,假定消光效率为2.6时,质量消光效率与粗模态粒子有效半径呈反比,存在非常好的参数化关系。(3)非洲和亚洲地区沙尘质量消光效率的假定将引起较大的大气含沙量评估误差。当沙尘质量消光效率假定为0.37m2g-1时,非洲萨赫勒、撒哈拉沙漠、及跨大西洋传输区的大气含沙量将分别高于真实值的11%、21%和26%,在亚洲地区造成的误差较小,东亚、中亚和南亚仅造成1%、7%和4%的相对误差。当沙尘质量消光效率假定为0.64 m2g-1时,会造成非洲和亚洲大气含沙量的严重低估,其中非洲萨赫勒、撒哈拉沙漠、跨大西洋传输区、东亚、中亚和南亚分别低估36%、30%、27%、42%、46%和45%。经统计对比分析发现,当非洲萨赫勒、撒哈拉沙漠、及跨大西洋传输区沙尘质量消光效率分别假定为0.41、0.45、0.46和0.47 m2g-1时,东亚、中亚和南亚分别假定为0.37、0.34和0.35 m2g-1时,能使对应地区大气含沙量的气候平均值与实时反演结果相对误差保持在1%以内。(4)非洲和亚洲大气含沙量与光学厚度年变化特征一致,光学厚度较大时对应的大气含沙量也较高。非洲萨赫勒地区大气含沙量远远高于撒哈拉沙漠及跨大西洋传输区,多年月平均的峰值发生在6月,其值高达0.87gm-2。随着沙尘传输距离的增加,大气含沙量明显降低,大气含沙量各月都在0.2 gm-2以下。东亚月平均最大大气含沙量出现在3月,达0.33 gm-2;中亚和南亚峰值均出现在7月,分别达到0.24 gm-2和0.42gm-2。大气含沙量的区域差异主要受沙尘发生频次和强度不同的影响,萨赫勒和南亚有着较高的沙尘发生频次和较多的沙尘发生月份从而导致了较大的大气含沙量。
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