东亚地区人为硫酸盐的区域模拟及其对模式参数的敏感性外文翻译资料

 2022-12-07 16:08:42

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利用CALIPO星载激光雷达推断印度恒河（IGB）中部气溶胶垂直分布在气候方面的季节性变化

摘要：评估气溶胶对气候的影响需要知道低层大气气溶胶垂直分布的气候信息。利用云-气溶胶激光雷达及红外探测卫星（CALIPSO）上搭载的正交偏振星载云-气溶胶激光雷达（CALIOP）观测到的高度剖面上532nm后向散射系数，色比（CR）和退极化比（PDR）数据研究印度恒河中部上空气溶胶垂直分布在气候方面的季节性变化。季风前（PrM）季节的强对流耦合伴随着覆盖逆温造成了气溶胶垂直分布（4-5km）的延伸。研究发现低海拔地区（1.5km以下）污染源是在季风（PoM）后期和冬季沉降。结合色比和退极化比的结果说明了在季风前季节矿物粉尘颗粒的存在，而细模态和球形粒子（生物质燃烧和工业污染）在季风期和冬季占主导地位。观测表明印度恒河中部上空气溶胶垂直分布存在季节性变化。

  1. 引言

大气气溶胶粒子辐射对气候的影响是预测未来气候状况最大不确定因素之一（IPCC,2007）。由于气溶胶在空间上广泛分布，密度随时间变化，物理化学特性多样，以及与辐射、云之前复杂的相互作用，量化其对气候的影响十分具有挑战性（Ramanathan et al.,2001;Menon,2004）。大气气溶胶粒子由复杂的无机物和有机化合物组成，直接或间接的影响辐射收支平衡。它们直接散射和吸收太阳辐射并且向外辐射，还会间接的改变云微物理反照率（Charlson et al.,1987;IPCC,2007）。

一般情况下，地面观测到的气溶胶特性常被用作一些基于有关垂直分布假设的辐射模型的输入（Satheesh et al.,1999;Sinyuk et al.,2007）。然而，在不同高度存在不同的气溶胶层，地面的气溶胶特性往往不同于垂直方向上的（Ramanathan et al.,2001;Muller et al.,2001）,这可能导致模式输出产生巨大错误（Satheesh,2002）。因此，气溶胶的垂直分布信息对于评估气溶胶（直接或间接）辐射对大气热力结构和大气稳定度的影响十分重要（Satheesh et al.,2009a）。

现在有一些计算气溶胶垂直分布的方法，其中最普遍的是利用激光雷达。目前使用的星载激光雷达（例如CALIOP）提供了一个研究全球气溶胶垂直分布特征的好机会（Winker et al.,2007;Liu et al.,2008;Cavalieri et al.,2010;Omar et al.,2010;Shibata and Yang,2010）。在印度及世界其他地区很多对气溶胶垂直分布的研究是基于地面激光雷达（Sugimoto et al.,2002;Leon et al.,2009;Satheesh et al.,2009b）和飞机观测数据（Moorthy et al.,2004;Gadhavi and Jayaraman,2006;De Villiers et al.,2010）。然而有关印度北部气溶胶垂直分布和季节变化信息仍不令人满意。

就气溶胶来看，印度恒河带（IGB）是世界上污染十分严重的地方（Jethva et al.,205;Tripathi et al.,2006;Dey and Tripathi,2007）。工业增长，汽车排放量的增加和化石燃料的燃烧是该地区人为污染的主要原因。此外，众多的生物和秸秆燃烧加重了冬季的污染（Badarinath et al.,2006）。这个地区自然和人为气溶胶表现在有明显的季节变化和混合（Dey et al.,2004）。除了重工业颗粒物的污染（Bond et al.,2004），印度恒河上空气体还受到来自包括伊朗到巴基斯坦，印度北部以及阿拉伯半岛的亚洲西南地区沙漠季节性（季风前）矿物沙尘的强烈影响（Middleton,1986;Prospero et al.,2002）。这些矿物粉尘颗粒（通过长距离输送）对印度恒河上空区域气溶胶光学性质产生强烈影响（Singh et al.,2004,2005;Gautam et al.,2009）。

在这项研究中，我们利用来自CALIPSO卫星上搭载的CALIOP星载激光雷达获得的数据来揭示印度恒河中部（2006-2009）上空垂直剖面上气溶胶光学和微物理特征。在下面的几个部分，我们将展示利用AERONET（气溶胶自动观测）太阳光度计所观测到的光学和微物理参数分布作出的气候分析与观测到的大气静力稳定度和大气柱特性作比较。

2.研究方法

2.1研究的地区和季节

图1显示了这项研究的范围。红色边界内的是印度恒河带。蓝色矩形阴影是我们要研究的地区即印度恒河带中部地区。这个地区北部到喜马拉雅山脉，主要位于24°N到20°N和77.5°E到84°E之前。由于工业化发展，人口和污染问题，过去几年这一地区受到许多环境学家和气象学家的关注。这些受到工业污染的印度北部城市包括Kanpur，Lucknow，Allahabad，Varanasi，Agra等。

图1 研究区域：红色边界内的是印度恒河带，蓝色矩形阴影是印度恒河带中部地区（对图中颜色的解释用于电子版的文章）

为了研究季节变化，我们可以基于季风将北印度的气候分成季风前（3月-5月），季风（6月-8月），季风后（9月-11月）以及冬季（12月到2月）四个不同的季节。季风前（PrM）受到西北风和西风从印度西北部，巴基斯坦，阿富汗以及伊朗带来的沙尘影响。季风（M）季节主要受潮湿的西南夏季风控制。在季风后（PoM）季节，一个不同的周期性东北季风给印度大部分地区带来干燥，凉爽，密集的中亚气团。但是北印度中央部分受到这种风的影响较小。一般来说，风翻过喜马拉雅山脉向东南方向吹遍整个印度。这种干冷的天气和来自喜马拉雅山脉的西北风相结合是冬季（W）印度恒河带中部特有的现象。印度次大陆季节性风模式（NCEP再分析风矢量数据）如图2.

A.K.Mishra,T.Shibata/气象环境46（2012）365-375

图2 从NCEP再分析资料获得850mb季节平均风矢量图a,b,c,d分别是季风前、季风期、季风后和冬季。黑色的箭头代表风向阴影的颜色（每个季节有各自的颜色条）代表风速（米/秒）。美国科罗拉多州博尔德NOAA/OAR/ESRL/PSD的网站http://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/composites/printpage.pl提供了这些图(文中对颜色的解释适用于电子版)。

2.2数据分析

在这项研究中，我们利用CALIPSO卫星搭载的星载激光雷达CALIOP收集数据。CALIPSO有一个太阳同步轨道卫星；它沿轨道运行每天绕地球15周，每个白天和夜间观测一次。星载激光雷达CALIOP是一种含钕的米瑞利雷达：YAG作为激光发射器。这项研究在所有高度532nm和1064nm垂直剖面的分辨率分别为30m和60m。我们使用2006年6月到2009年12月CALIOP2级3.01版本的数据产品（云计算）。本文运用刘等人的方法仅分析CALIPSO夜间图像（共295个图像：每个月6-8个）。

运用混合消光检索算法（HERA）和CALIOP2级别3.01版本的数据产品提供的532nm和1064nm两个波段粒子的后向散射系数和消光系数画出其廓线。HERA是一种已经被组合成一个单一的混合程序集的全自动检索方案（Young et al.,2008）。它提供了在532nm和1064nm两个波段的气溶胶消光系数，532nm和1064nm的后向散射系数以及532nm的垂直偏振面和水平偏振面，其中beta;和r是卫星观测高度上的后向散射系数和距离。符号perp;和∥代表关于线性偏振激光脉冲偏振面上后向散射信号的垂直和平行分量。下标p代表大气颗粒物（气溶胶或云）。

色比（CR）是指粒子在波长1064nm和532nm后向散射系数之比。这是一个有关颗粒大小的参数，定义为：

只有去极化粒子（非球形粒子参数）才能用下面的公式计算粒子的极化率（PDR）（Cairo et al.,1999）：

Omar（2009）等人已经讨论过不同类型气溶胶的色比和粒子的极化率。他们很好的展示了用CALIOP导出多种气溶胶的色比的频率，退极化比和后向散射系数分布（图11-13，Omar et al.,2009）。

532nm消光系数的分布被用来确定气溶胶的光学厚度（AOD）。气溶胶光学厚度直接取决于垂直方向上气溶胶总量。气溶胶光学厚度（tau;aer）和消光系数（sigma;ext）的关系可以表示为：

其中tau;*aer是从z0（气溶胶层底）高度到ztop（气溶胶层顶）高度总光学厚度，sigma;ext代表z高度上的消光系数。

为了了解印度恒河带大气稳定度的季节变化，我们利用2008年勒克瑙市无线电探空仪的资料，仅利用世界时早上00时的数据，即当地时间5时30分。关于用无线电探空仪数据处理的细节可以在别的文献里查找（Nodzu et al.,2006）。用位温的垂直梯度反应大气的静力稳定度（∆theta;/∆Z）。这项研究中用稳定和不稳定来表示稳定的状态。Nodzu等人（2006)表明在这一层∆theta;/∆Zgt;10K/km证明逆温层∆T/∆Zgt;0以及∆theta;/∆Zlt;1K/km为干大气混合层。因此，我们定义∆theta;/∆Zgt;10K/km为稳定层结，∆theta;/∆Zlt;1K/km为不稳定层结。∆theta;/∆Z在1K/km和10K/km之间被认为是介于稳定和不稳定之间的中性层结。

3.结果

3.1气溶胶后向散射系数的季节变化廓线

图3展示了印度恒河带中部上空从2006年6月到2009年12月（共43个月数据）532nm后向散射系数的月平均垂直廓线（0.30-6.0km高度范围内）。图中垂直的红线用来分隔季节。从图3中可以很容易的推断出后向散射系数廓线的季节变化和年变化。又气溶胶后向散射系数廓线得到的重要结果如下：

3.1.1气溶胶层顶高度

要确定气溶胶层顶高度，我们选定一个后向散射系数临界值0.002km-1sr-1.这个临界值略高于Omar等人（2009）所用的值0.0015km-1sr-1，他们是为了削弱洁净地区和污染地区气溶胶的后向散射系数区别。尽管使用更高的值几乎没有不同，但是用高值更为保守。

图3 从2006年6月到2009年12月印度恒河带上空532nm月平均气溶胶后向散射系数垂直廓线。红色的线用来区分季节。

图4展示了从2006年6月到2009年12月气溶胶层顶高度的月变化。虚线部分代表气溶胶层顶高度不存在的时期。一般来说，气溶胶层顶高度在季风前（5月）达到最高（4.2km-4.8km），在冬季（12月）达到最低（1.4km-2.0km）。如果我们一年从冬季开始到季风后结束，图中在一月到二月（冬季）几乎是恒定的值，然后在3月到5月（季风前）有一个稳定而快速的增长，在6月到7月（季风期）又突然减少，在十月有个小的增长然后在10月到12月（季风后）单调递减。在8月份由于气溶胶后向散射系数很低（lt;0.002km-1sr-1）所以不存在层顶高度。此外，受到阴天的影响我们无法得到充足的无云天气下气溶胶层顶高度。

图4 印度恒河带中央上空2006年6月到2009年12月气溶胶层顶高度的月变化。虚线部分表示气溶胶层顶的高度不存在。

3.1.2气溶胶后向散射系数

测量印度恒河带上空532nm气溶胶后向散射系数可以知道其气溶胶浓度。高浓度不同种类气溶胶（灰尘、污染粉尘、烟雾）后向散射系数主要频率在0.003-0.009km-1sr-1（Omar et al.,2009）。从图3可以发现在每个季风后和冬季存在低而薄的气溶胶层在0.3km到1.5km之间。最大气溶胶后向散射系数（0.006-0.008km-1sr-1）出现在每年10月到11月1km高度以下。季风前气溶胶垂直分布廓线十分清晰。气溶胶垂直扩展到4km高度并具有较大的后向散射系数。比较三个季风前季节，2008年的后向散射系数最大。除了2009年其他年份季风期后向散射系数都处于一个较低的水平。在2009年，6月份0.7km到3km高度的后向散射系数（0.004-0.005km-1sr-1）相对较高。为了说明不同高度上不同季节气溶胶后向散射系数，我们对四年内三个不同高度（0.3-1,1-2和2-5km）的532nm气溶胶后向散射系数作平均如图5.垂直线（误差线）代表标准差。在0.3-1km高度内，beta;532最大值在12月和11月（5.6*10-3km-1sr-1），次极大值在五月（4.5*10-3km-1sr-1）。它在冬季不断降低，而在季风前到季风期的五月有个峰值即在五月之前先增加然后到8月之前都减少，在这之后的季风后季节再次增加直到11月份。对于其他两个高度（1-2和2-5km），beta;532有有两种不动的季节模式。然而从3月到7月三个高度呈现出相同的模式即五月之前增加然后减少。在1-2km高度上12月到3月和7月到11月，beta;532几乎为一个略大于季风期的恒定值。

图5 三个不同高度（0.3-1,1-2,和2-5km）beta;532平均值的月变化。垂直线代表标准差。

3.2 气溶胶色比和退极化比的季节性变化

图6展示了2006年6月到2009年12月印度恒河带中部上空0.30-6.0km高度色比（a）和退极化比（b）月平均垂直分布廓线。图6中是色比（CR）和退极化比（PDR）的季节和年变化

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