全球气溶胶光学厚度的季节和空间变化：多年的GEOS-Chem-APM模拟结果和多平台观测比较外文翻译资料

 2022-11-20 17:01:06

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全球气溶胶光学厚度的季节和空间变化：多年的GEOS-Chem-APM模拟结果和多平台观测比较

摘要

最近的AeroCom第二阶段实验表明在16个详细的全球气溶胶模式模拟的气溶胶光学厚度（AOD）之间有很明显的多样性，这有助于预测气溶胶辐射强迫的巨大不确定性。GEOS-Chem-APM是全球尺度的气溶胶模式，它可以作为AeroCom II模式的代表。在本文将采用全球气溶胶监测网（AERONET）和中等分辨率成像光谱辐射计（MODIS）、多角度成像光谱辐射计（MISR）和海洋观测宽视场传感器（SeaWiFS）卫星反演的多年的AOD数据（2004年-2012年）评估GEOS-Chem-APM在捕获AOD季节和空间变化的能力。与观测结果相比，模式模拟的AOD在陆地上总体良好，但在海洋上表现偏低，这可能是因为模式中低估了海盐的排放和（或者）卫星反演的AOD偏高，尤其是MODIS和MISR。我们选取了具有至少36个月可用数据的72个AERONET站点代表高空间域与模式、卫星的数据进行比较。各种代表性区域的比较表明，该模式在主要人为排放区域（如欧洲、东亚和北美）总体上有很好的一致。相对于观测结果而言，模式模拟的AOD在生物质燃烧区域的系统性较低，可能是由于排放量的不确定性引起，如南非和南美洲，但是在北非略高，可能与较高的沙尘排放有关。该模式能够捕获所有区域实际的季节周期，包括数月的主要沙尘事件和生物质燃烧季节的AOD峰值。与其他地区相比，南非和南美洲模拟的年际变率与观测结果总体一致，且具有强烈的年际变率。

关键词：气溶胶光学厚度，GEOS-Chem-APM，MODIS，MISR，SeaWiFS，AERONET

1介绍

气溶胶粒子不仅通过散射和吸收太阳辐射以及通过改变云的性质和寿命来影响地球的能量平衡，还能影响天气、空气质量和生物地球化学循环。但是气溶胶的数值预测仍然有很强的不确定性。最近，AeroCom 第二阶段气溶胶直接效应实验报告了在16个详细的全球气溶胶模式中气溶胶光学厚度（AOD）的多样性（全球平均总数和人为AOD分别为0.072-0.174和0.010-0.053）(Myhre et al., 2013)。AOD大小的多样性及其空间分布是造成模式预测气溶胶辐射（全球平均值范围为0.02-0.58Wm2）及其气候效应不确定性的关键因素之一。因此，关于模式模拟AOD性能的评价是改进模式模拟的关键性步骤，从而降低多样性。在过去的十年里，AOD已经被许多卫星传感测量，如TOMS、POLDER、MODIS（中等分辨率成像光谱仪）、MISR（多角度成像光谱仪）、SeaWiFS（海洋观测宽视场传感器）和CALIPSO。虽然卫星提供了长时间不间断且覆盖全球的气溶胶分布及其特性，但由于反演方案和关于表面条件、气溶胶性质等的各种假设，其反演结果仍然有一些偏差。此外，在各种卫星观测中仍然存在大量的多样性(Ma et al., 2013)。全球气溶胶监测网（AERONET , Holben et al., 1998, 2001）基于地面观测提供具有相对高精度的AOD数据，并且可以用于评估卫星反演和模式模拟。

GEOS-Chem-APM (Yu and Luo, 2009; Ma et al.,2012; Yu et al., 2012)是参与了AeroCom第二期气溶胶直接效应实验(Myhre et al., 2013)的16个全球气溶胶模式之一。基于GEOS-Chem-APM模拟的全球年平均总AOD和人为AOD（总和0.127，人为0.029）接近于AeroCom II 16个模式模拟的平均值（总0.123，人为0.030）（Myhre等，2013）,因此，可以被认为是代表性模型。本文利用多个观测平台，包括MODIS、MISR和SeaWiFS卫星反演结果和AERONET地基观测的多年的AOD数据，全面评估GEOS-Chem-APM模式性能，重点关注AOD的季节和年际变化。

本文内容如下：在第2节中，概述了GEOS-Chem-APM模式模拟AOD结果和卫星数据MODIS，MISR和SeaWiFS以及AERONET地基观测的观测资料；在第3节中，模式和卫星以及AERONET观测值之间的比较结果是预先给出的，着重于各个地区的季节和年际变化；第4节为总结和讨论。

2全球气溶胶光学厚度：模式和观测

2.1GEOS-Chem-APM

GEOS-Chem模式是由来自NASA全球建模同化办公室（GMAO）的Goddard地球观测系统（GEOS）内的同化气象观测资料驱动的大气成分全球三维模式。该模型已经被许多研究小组开发和使用，且包含许多用最新的关键排放清单(e.g., Guenther et al., 2006; Bond et al., 2007)处理各种化学和气溶胶过程(e.g., Bey et al., 2001; Martin et al., 2003; Park et al., 2004; Evans and Jacob, 2005; Liao et al.,2007; Fountoukis and Nenes, 2007)的最先进的模块。Yu和Luo（2009）将APM（高级粒子微物理学）模式纳入GEOS-Chem。模式中的基本微物理过程包括成核、冷凝/蒸发、凝结、局部湿度的热力学平衡和干、湿沉降。预后气溶胶组合物包括二次颗粒（SP，包括硫酸盐、氨、硝酸盐和SOAs）、黑碳（BC）、初级有机碳（POC）、海盐和矿物粉尘。

在查找表方面，设计和开发了一种通过由APM预报的利用重要粒子信息（尺寸、组成、被挥发性物质覆盖的初级粒子、吸湿性生长等）来在线计算气溶胶光学性质的高效的计算方案(Yu et al., 2012)。查找表是源自于Ackerman和Toon（1981）设计的核 - 壳米氏散射模型。硫酸盐、氨、硝酸盐、SOA，原生有机气溶胶（POA）和水的折射率采用在Aouizerats等（2010）给出的相应的值。海盐，BC和沙尘的折射率则采用Krekov（1993）、Bond和Bergstrom（2006）和Balkanski等（2007）推荐的值。有关GEOS-Chem-APM中气溶胶光学性质计算的更多详细信息可以参阅Yu等（2012）和Ma等（2012）的研究。下面给出的模式结果是使用GEOS-Chem v8-03-02 APM在550nm处气溶胶光学厚度的9年内（2004〜2012）的模拟结果。模式的水平分辨率为，有47个垂直层。

2.2AERONET

AERONET是一个基于地面太阳光度计测量太阳和天空辐射的全球分布的遥感气溶胶监测网络。自动跟踪太阳和天空扫描无线电测量仪在340,380,440,500

,675,870,940和1020nm（标称波长）下至少每15分钟进行一次直接太阳测量(Holben et al., 2001)。建设该网络的目的是评估气溶胶光学性质和验证卫星反演的气溶胶光学性质。网络要求仪器的标准化，校准和处理。这种全球分布协作观测提供了在地理位置上的不同气溶胶方案得到的AOD光谱、反演产物和可沉淀水的数据。AERONET数据还有三个级别：1.0级（未筛选），1.5级（云筛选）和2.0级（质量保证） (Holben et al.,1998)。在本研究中，我们使用云筛选和质量保证的AERONET 2.0级数据 (Smirnov et al.,2000)。通过光谱内插获得的550nm处的AOD用于比较。

2.3MODIS、MISR、SeaWiFS卫星数据

Aqua卫星上的MODIS可以MODIS测量0.41-14的36个波长的辐射。并且提供每天的几乎全球覆盖的2330km的大范围的视角。MODIS / Aqua AOD数据 (Kaufman et al., 1997; Remer et al., 2005)取具有分辨率的每月3级数据（MYD08_M3.051），和沙漠地区结合独特的深蓝算法得到的AOD。本研究使用550 nm处的年平均AOD产品。

MISR (Ma r tonchik e t a l., 19 98)观测旨在提高我们对地球环境和气候的理解。本产品有九个宽间隔角度同时观察阳光照射的地球，MISR在每个角度的四个光谱带中提供辐射测量和几何校准图像。并在全球范围内提供275和1100米的空间抽样。MISR的月平均全球网格数据3级产品（MIL3MAE）已经具有的分辨率。本文采用MISR 2004-2012年期间500nm处每月平均AOD用于比较。

SeaWiFS (Sayer et al., 2012a, 2012b)主要用于测量海洋颜色。而它在从可见光（412nm）到近红外（865nm）的波长范围内测量的一组非常好的且校准良好的辐射数据使其非常适合于提供关于大气气溶胶的信息(McClain et al.,1998)。在陆地上采用深蓝算法反演气溶胶(Hsu et al., 2004,2006)，在海洋上则采用SeaWiFS海洋气溶胶反演算法（SOAR）(Sayer et al., 2012a)。本文将采用2004-2012年期间内，分辨率为的550 nm处月平均全球网格数据3级产品与其他数据进行比较。

3结果

为了进行比较，使用简单的线性插值法将GEOS-Chem-APM模式结果内插到与MODIS（）、MISR（）、和SeaWiFS（）相同的空间分辨率。选择最接近AERONET站点的网格单元用于模式和AERONET之间的比较。

3.1 全球

图1a为研究期间内GEOS-Chem-APM、MODIS、MISR和SeaWiFS的AOD的全局平均值的时间序列。模式结果与卫星数据的比较应主要在卫星观测的晴朗天空下进行，我们的研究表明，模拟的AOD在晴朗的天空和晴朗的白天几乎相同，因此在研究中只显示晴空中的AOD。但是卫星反演和模式中对于晴空条件的定义可能不同，例如，我们定义若云量小于0.25（在的范围内）即为晴空条件。总的来说，模拟的AOD与卫星观测相比在时间上有较为一致的变化，最大值出现在春季，最小值则是在冬季。根据由多年平均值计算的全球平均值（表1）来看，MODIS（0.154）和MISR（0.168）反演的AOD比模式模拟结果（0.102）和SeaWiFS（0.130）高得多。在海洋上的卫星反演AOD数据则有着巨大的差异（表1），其中，最高的是MISR（0.157），第二高的是MODIS（0.139），还有最低的是SeaWiFS (0.110)。最近的研究 (e.g. Witek et al., 2013)发现，MISR对海洋的高估归因于假偏差，并且基于反演区域表征的新筛选能够显着减少MISR反演偏差。相比之下，陆地上的卫星反演AOD的数据则非常接近（图1c）。低（lt;0.1）、中（0.1-0.3）和高（gt;0.3）AOD（表1）的比较表明，与卫星反演相比，低和中值AOD的模拟结果较小，但对于高AOD，模拟结果较大。所有天空中的模式模拟的AOD与其他模式模拟结果的比较如图1a所示，因为AeroCom II全球模式 (Myhre et al., 2013)仅提供所有天空下的AOD数据。图1a包括2006年AeroCom II(Myhre et al., 2013)涉及的16个全球模式的结果表现出相当大的范围，BCC给出最小值为0.07，从GISS-MATRIX给出最大值为0.17。模式模拟的AOD大多低于MISR和MODIS的结果，考虑到它们是针对所有天空获得的，根据GEOS-Chem APM模拟，其比晴空高出30％，我们得出结论，来自大多数全球模型模拟的AOD低于卫星反演的结果，包括SeaWiFS。应当注意的是卫星数据在极性区域上有一些缺失值，这是不包括在全局均值中的，而模式的全局均值包括所有网格单元。这可能会导致一些差异。此外，云量小于0.25的模拟的每月平均AOD是平均每天，每一个时间步长的平均，但MODIS / MISR / SeaWiFS的月平均值为晴朗的天空条件下的平均，每天只有一次卫星经过。这可能也是模式和卫星反演结果之间的差异的原因。基于模式模拟的各种气溶胶成分的AOD的时间序列表明（图1d），从全球平均值的角度来看，SP和矿物粉尘主导季节性变化，而其他气溶胶类型，特别是海盐和BC，对季节变化的影响只有很小的影响。

图1 （a）2004-2012年GEOS-Chem-APM、MODIS、MISR和SeaWiFS的AOD的全局平均值的时间序列，图中还标记了16个AeroCom模式的结果；（b）海洋上AOD随时间变化；（c）陆地上AOD随时间变化；（d）晴空和全天空下总AOD随时间变化，以及每种气溶胶成分的贡献

图2为从MODIS，MISR和SeaWiFS（a，b和c）获得的AOD的空间分布。所有在北非，中东，印度和东亚的卫星观测都有较高的幅度，但在海洋尤其是南大洋方面存在巨大差异，其中MODIS和MISR的结果AOD远高于SeaWiFS。

最近的研究表明，MODIS和MISR的高值可能是由于积云和低破碎积云的污染引起(Toth et al., 2013)，而一些研究 (e.g.Witek et al., 2013)发现，MISR在海洋上的高估可能归因于假检索偏移。从MODIS和MISR中看出，南海上方的海带由于强风引起的海盐排放的增加将会更高，但是从 SeaWiFS中很难看出。模式模拟结果和卫星观测的AOD（图2d，e和f）之间的差异表明，模式模拟的AOD在海洋上较低，特别是在热带海洋中，但在某些大陆地区则较高，尤其是北非和东亚。总的来说，模式模拟结果和MODIS、MISR、SesWiFS卫星数据之间的全球平均差分分别为-0.05，-0.06和-0.02。从模式和卫星数据（图3）的季节性平均差异可以看出，最大偏差（高达0.25）发生3、4、5月（MAM）和1、2、12月（DJF）的北非，而最大负偏差（高达0.25）则出现在6、7、8月（JJA）的热带海洋上。在除北非、东亚和

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