氣溶膠對大氣CO2短波紅外遙感探測影響的模擬分析?

王倩 畢研盟 楊忠東

(國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081)

1引 言

CO2是大氣痕量氣體,也是影響地球輻射平衡的主要溫室氣體.化石燃料的燃燒和其他人類活動造成大氣CO2濃度逐年增加,顯著增強(qiáng)了溫室效應(yīng).世界氣象組織發(fā)布2015年溫室氣體公報稱:2015年全球大氣中主要溫室氣體濃度再次突破有觀測記錄以來的最高值,CO2平均濃度為400.0 ppm,為工業(yè)化前水平的144%.全球大氣CO2濃度變化和源匯分布研究受到前所未有的重視.衛(wèi)星遙感能在全球尺度上為大陸和海洋提供穩(wěn)定、時空一致性較好、長時間序列的大氣CO2觀測,改善地面監(jiān)測站點分布不均,觀測數(shù)據(jù)少等不足[1],因此衛(wèi)星CO2遙感技術(shù)的發(fā)展勢在必行.

自2002年第一個在近紅外譜段觀測大氣CO2的星載儀器SCIAMACHY(Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography)成功運行以來[2,3],利用短波紅外譜段觀測近地表CO2濃度的高光譜遙感探測技術(shù)逐漸成為一個活躍的研究領(lǐng)域.2009年1月,日本JAXA(Japanese Aerospace Exploration Agency)發(fā)射了第一顆專用溫室氣體觀測衛(wèi)星GOSAT(Greenhouse Gases Observing Satellite)用于探測CO2和CH4柱總量[4],美國NASA(National Aeronautics and Space Administration)于2014年也發(fā)射了用于探測全球CO2濃度分布的OCO-2(The Orbiting Carbon Observatory-2)衛(wèi)星[5,6],中國于2016年12月發(fā)射了碳衛(wèi)星,提供全球CO2監(jiān)測數(shù)據(jù),為我國科學(xué)研究、監(jiān)測CO2排放源提供了技術(shù)支持.

以上星載CO2探測儀器觀測譜段都處于太陽短波紅外譜段,除SCIAMACHY工作波段設(shè)置于1.58μm外,其余儀器都在1.61μm[7].短波紅外波段的觀測對整層大氣CO2敏感,特別對近地表CO2濃度變化很敏感[8],所以該譜段的觀測更適合用于研究地表碳源匯的估計.模式研究顯示,在區(qū)域尺度上,CO2探測精度達(dá)到1—2 ppm才能顯著減小碳通量估算的不確定性[9?11].但是,CO2作為大氣痕量氣體,在大氣中絕對濃度低,且1.6μm處于弱CO2吸收帶,探測器接收的CO2信號很弱,因此,如何高精度處理儀器觀測值,排除云、氣溶膠等其他信號的干擾是不可忽視的問題.

氣溶膠散射引起的光學(xué)路徑長度改變是影響CO2定量反演最重要的誤差源[12?14].目前,CO2反演算法主要依靠大氣散射特性的先驗信息及O2A吸收帶反演的大氣散射特性減小氣溶膠散射引入的誤差.Butz等[14]采用簡化的氣溶膠微物理模型反演氣溶膠特性;Nelson等[15]采用GEOS-5(Goddard Earth Observing System Model,Version 5)的3D氣溶膠場改進(jìn)了OCO-2氣溶膠參數(shù)化過于簡單的問題,未來會采用GEOS-5的垂直氣溶膠廓線修正OCO-2反演算法,并利用CALIPSO觀測提供的平流層氣溶膠成分修正反演偏差.OCO-2建立的反演算法中,在反演CO2時結(jié)合相對濕度信息靈活選擇MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)再分析數(shù)據(jù)提供的五種類型的氣溶膠,同時反演了氣溶膠垂直廓線[16].本文基于碳衛(wèi)星高光譜CO2探測儀技術(shù)指標(biāo),從正演的角度探討不同特性氣溶膠(類型、模態(tài)、垂直分布)對衛(wèi)星觀測輻射的影響,為開展高光譜大氣CO2信息的提取,以及正演模式的建立、反演算法的發(fā)展提供重要的參考信息.

2 理論基礎(chǔ)

2.1 氣溶膠對短波紅外CO2探測的影響

利用太陽短波紅外譜段遙感大氣CO2濃度,衛(wèi)星接收的是后向散射和地表反射能量.氣溶膠散射引起的光學(xué)路徑長度增長或者縮短與氣溶膠類型、模態(tài)以及高度分布密切相關(guān).邊界層CO2濃度受人類和自然過程的影響較大,在邊界層以上,CO2在空氣中的混合比幾乎是常數(shù)[17],在CO2反演算法中若未考慮多次散射作用引起的光學(xué)路徑長度增長,會造成CO2濃度高估,而忽略后向散射作用引起的光學(xué)路徑長度縮短,會造成CO2濃度低估.因此,結(jié)合地表特性,確切了解不同特性的氣溶膠對衛(wèi)星觀測CO2吸收光譜的影響是精確反演CO2的重要環(huán)節(jié).

2.2 CO2短波紅外遙感原理

短波紅外CO2遙感主要利用太陽輻射的短波紅外部分,穿過大氣時被CO2分子吸收形成CO2吸收譜線,吸收譜線的深度隨著CO2含量增加而加強(qiáng),根據(jù)1.61μm譜段的光譜形態(tài),通過高精度輻射傳輸模擬計算進(jìn)行定量反演.在平面平行大氣晴空條件下,觀測的輻射強(qiáng)度可以表示成

式中,I(λ,θ,θ0,φ ? φ0)是在波長λ處觀測的輻射強(qiáng)度;θ和φ是觀測天頂角和方位角,θ0和φ0是對應(yīng)的太陽天頂角和方位角;F0(λ)是大氣頂太陽通量;R(λ,θ,θ0,φ ? φ0)是地表反射率; σm(λ,s)和Nm(s)分別表示光學(xué)路徑上氣體吸收截面和數(shù)密度;積分路徑S表示入射太陽光從大氣頂進(jìn)入大氣層后,由地表反射到空中,最后到達(dá)儀器的路徑;“〈·〉”表示所有光學(xué)路徑的平均[16].

輻射傳輸模式能在一定觀測幾何和地表大氣狀態(tài)下計算出高分辨率的模擬光譜,而儀器實際獲得的CO2吸收光譜的分辨率由CO2探測儀特征決定[18],模擬光譜需要通過與儀器線型函數(shù)卷積,修正儀器效應(yīng),才能與觀測光譜比較.因此,儀器模型將模擬光譜和儀器線形函數(shù)(instrument line shape,ILS)卷積,模擬CO2探測儀觀測光譜,方程如下:

3 氣溶膠的敏感性實驗

3.1 氣溶膠類型的敏感性實驗

氣溶膠化學(xué)成分的差異很大程度決定了氣溶膠物理光學(xué)特性.本節(jié)基于多種氣溶膠參數(shù)化模型,假設(shè)地表為朗伯面,考慮氣溶膠多次散射作用,探討大氣邊界層中三種典型氣溶膠類型——海洋型、鄉(xiāng)村型和城市型氣溶膠對衛(wèi)星觀測CO2吸收光譜的影響.選擇晴空無氣溶膠時的模擬結(jié)果R0作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,模擬條件如表1.其中,輻射變化率定義如下:

方程(3)表示輻射變化率(%),這是一種相對變化;R0表示背景大氣條件下儀器接收的輻射,R表示考慮經(jīng)氣溶膠多次散射作用后儀器接收的輻射.

表1 SCIATRAN模型模擬條件列表Table 1.Simulation lists of SCIATRAN.

CO2反演僅在晴空且氣溶膠光學(xué)厚度小于0.3時進(jìn)行[19],因此,模擬計算中設(shè)置氣溶膠光學(xué)厚度為0.1,0.2和0.3時探討氣溶膠類型對衛(wèi)星觀測光譜的影響.由圖1可見,對城市型氣溶膠,衛(wèi)星觀測光譜的強(qiáng)度隨氣溶膠光學(xué)厚度的增加而減弱,當(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度從0.1增加至0.2和0.3時,衛(wèi)星觀測光譜強(qiáng)度分別減弱7%和12%;對鄉(xiāng)村型氣溶膠,隨著氣溶膠光學(xué)厚度增加衛(wèi)星觀測光譜的強(qiáng)度也略微減弱,對應(yīng)光學(xué)厚度0.2和0.3的光譜強(qiáng)度減弱程度約為5%和9%;而對海洋型氣溶膠,隨光學(xué)厚度從0.1增加到0.2和0.3,觀測的光譜強(qiáng)度反而增強(qiáng),增強(qiáng)量約為1%和2%,與城市型和鄉(xiāng)村型氣溶膠表現(xiàn)出相反的變化趨勢.

上述模擬結(jié)果表明,不同類型和不同光學(xué)厚度的氣溶膠對衛(wèi)星觀測CO2吸收光譜影響不同.表2列出了對應(yīng)氣溶膠光學(xué)特性參數(shù).城市型氣溶膠的化學(xué)組分以硫酸鹽、硝酸鹽以及含碳?xì)馊苣z為主,從單次散射反照率(SSA)來看,城市型氣溶膠具有很強(qiáng)的吸收性[20],光學(xué)厚度增加增強(qiáng)了其吸收能力,使太陽短波輻射削弱,衛(wèi)星觀測光譜的強(qiáng)度明顯減弱.對海洋型氣溶膠,SSA達(dá)到0.98(如表2),表明海洋型氣溶膠具有很強(qiáng)的散射特性,同時,在近紅外波段,氣溶膠光學(xué)厚度的增加主要是由其散射作用引起[21],因此,對海洋型氣溶膠,光學(xué)厚度增加表明散射作用增強(qiáng),其中后向散射增強(qiáng)導(dǎo)致衛(wèi)星觀測光譜強(qiáng)度隨光學(xué)厚度的增加而增強(qiáng).

表2 23 km能見度條件下1610 nm波段對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)特性Table 2.Aerosol properties for 23 km visibility at 1610 nm.

從圖2可以看出,對于鄉(xiāng)村型、海洋型和城市型三種氣溶膠,城市型氣溶膠對衛(wèi)星觀測光譜的影響最大,最大變化可以超過13%,海洋型氣溶膠引起衛(wèi)星觀測光譜強(qiáng)度4.5%的減小,鄉(xiāng)村型氣溶膠引起的輻射變化相對最小,但也達(dá)到2%.結(jié)合表2可知,因城市型氣溶膠含黑炭等吸收性很強(qiáng)的粒子,其SSA為0.63,較強(qiáng)吸收性導(dǎo)致大氣頂出射輻射很大程度的減小,因此,吸收性氣溶膠增加,會造成CO2濃度的顯著高估.海洋型氣溶膠是散射性氣溶膠,SSA達(dá)到0.98,表明海洋型氣溶膠散射作用很強(qiáng),因此導(dǎo)致儀器觀測輻射有較大程度的減小.

圖1(a)城市型、(b)鄉(xiāng)村型和(c)海洋型氣溶膠存在時,不同光學(xué)厚度條件下衛(wèi)星觀測的CO2光譜Fig.1.Atmosphere CO2spectra for(a)urban,(b)rural and(c)maritime aerosols in different aerosol optical thickness(AOT).

綜上所述,在氣象能見度為23 km、地表反照率為0.15時,城市、鄉(xiāng)村和海洋型氣溶膠對衛(wèi)星觀測CO2吸收光譜產(chǎn)生了不同程度的影響,但輻射變化率都是負(fù)值,這表明在給定條件下,若不考慮氣溶膠的影響,會造成CO2柱濃度的高估.

圖2(a)城市型、(b)鄉(xiāng)村型和(c)海洋型氣溶膠對儀器觀測輻射的影響Fig.2.Radiance changes from baseline for(a)urban,(b)rural and(c)maritime aerosols.

3.2 氣溶膠模態(tài)的敏感性實驗

粒子尺度是描述氣溶膠特性最重要的參數(shù).所有氣溶膠特性都與粒子尺度有關(guān),特別是氣溶膠的物理特性[22].由于氣溶膠的直徑范圍分布很廣,從一納米到幾百微米,因此,這里把氣溶膠按照直徑分成不同的模態(tài),探討不同尺度范圍的氣溶膠對衛(wèi)星觀測光譜的影響.

模擬計算中,采用高精度大氣輻射傳輸模式SCIATRAN[23],及廣泛應(yīng)用于遙感科學(xué)研究的氣溶膠和云光學(xué)屬性數(shù)據(jù)集OPAC(Optical Properties of Aerosols and Clouds)[24].設(shè)置太陽天頂角為40°,地表反照率為0.15,選擇1602.52 nm和1602.88 nm兩個相鄰的典型吸收通道,研究氣溶膠引起的輻射強(qiáng)度變化.考慮氣溶膠多次散射作用的模擬計算中,將整層大氣分為四個氣溶膠層,每層層頂高度設(shè)定為2,10,30,60 km,對應(yīng)相對濕度為70%,80%,80%,80%,2 km以上的氣溶膠層成分固定為一般背景大氣情況,調(diào)整2 km以下的氣溶膠成分,結(jié)合CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Path finder Satellite Observations)衛(wèi)星CALIOP(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)激光雷達(dá)在532 nm波段的Level 2消光系數(shù)垂直廓線產(chǎn)品,以及氣溶膠垂直特征層分布數(shù)據(jù)提供的氣溶膠類型相關(guān)信息,對大陸型氣溶膠中礦物質(zhì)成分和海洋型氣溶膠的海鹽粒子成分,改變其存在模態(tài)(積聚模態(tài)和粗粒子模態(tài)),模擬計算結(jié)果與晴空無氣溶膠的標(biāo)準(zhǔn)情況比較,研究氣溶膠存在模態(tài)和垂直分布對儀器接收輻射的影響,敏感性實驗流程圖如圖3.

圖3 敏感性實驗流程圖Fig.3.Flow diagram for sensitivity testing.

圖4(a)清潔型、(b)污染型大陸氣溶膠和(c)海洋型氣溶膠的散射系數(shù)ks和吸收系數(shù)ka隨光學(xué)厚度的變化(1600 nm)Fig.4.The changes of scattering coeffcient ksand absorption coeffcient kawith AOT for(a)clean continental aerosol,(b)polluted continental aerosol and(c)maritime aerosol.

圖4是三種類型的氣溶膠在不同模態(tài)下吸收系數(shù)和散射系數(shù)隨光學(xué)厚度的變化關(guān)系.由圖4可見,積聚模態(tài)的氣溶膠散射特性略強(qiáng)于粗粒子模態(tài).污染型大陸氣溶膠吸收性顯著,海洋型氣溶膠散射性顯著.在1600 nm波段,氣溶膠粒子的散射作用強(qiáng)于吸收作用.因此,大氣氣溶膠對CO2反演的主要影響體現(xiàn)在其散射作用對輻射傳輸路徑的改變.

從2011年1月4日清潔型大陸氣溶膠主要以積聚模態(tài)和粗粒子模態(tài)(圖5(a),(b),(c))存在時的模擬結(jié)果可見,在相同垂直分布條件下,主要以積聚模態(tài)存在的氣溶膠在光學(xué)厚度小于0.6時引起了負(fù)輻射變化,光學(xué)厚度大于0.6之后引起了正輻射變化.主要以粗粒子模態(tài)存在的氣溶膠隨光學(xué)厚度增加始終引起負(fù)輻射變化.圖5中2011年10月2日的模擬結(jié)果(圖5(d),(e),(f))顯示,在光學(xué)厚度從0變化到0.8的過程中,以不同模態(tài)存在的氣溶膠始終引起負(fù)輻射變化,并隨光學(xué)厚度增加,負(fù)輻射變化不斷增強(qiáng).

圖5 2011年1月4日((a),(b),(c))和2011年10月2日((d),(e),(f))積聚模態(tài)((a),(d))和粗粒子模態(tài)((b),(e))存在的清潔型大陸氣溶膠隨光學(xué)厚度變化對輻射變化的影響及對應(yīng)的消光廓線(Acc.mode表示積聚模態(tài),Coarse.mode表示粗粒子模態(tài),圖(c),(f)是模擬時采用的氣溶膠垂直廓線)Fig.5.Radiance changes(January 4,2011 and October 2,2011)from baseline with the AOT for clean continental aerosol in accumulation mode((a),(d))and coarse mode((b),(e)),and panels(c)and(f)are the corresponding aerosol pro files.

圖6 2010年2月2日((a),(b),(c))和2011年1月3日((d),(e),(f))積聚模態(tài)((a),(d))和粗粒子模態(tài)((b),(e))存在的污染型大陸氣溶膠隨光學(xué)厚度變化對輻射變化的影響及對應(yīng)的消光廓線(Acc.mode表示積聚模態(tài),Coarse.mode表示粗粒子模態(tài),圖(c),(f)是模擬時采用的氣溶膠垂直廓線)Fig.6.Radiance changes(February 2,2010 and January 3,2011)from baseline with the AOT for polluted continental aerosol in accumulation mode((a),(d))and coarse mode((b),(e)),and panels(c)and(f)are the corresponding aerosol pro files.

對污染型大陸氣溶膠,從2010年2月2日(圖6(a),(b),(c))氣溶膠垂直分布的模擬情況可見,光學(xué)厚度從0增加到0.6,不同模態(tài)存在的粒子都會引起負(fù)的輻射變化,隨光學(xué)厚度增加,輻射變化程度不斷增強(qiáng),主要以粗粒子模態(tài)存在的粒子對儀器接收輻射的影響明顯大于積聚模態(tài)的粒子.從2011年1月3日(圖6(d),(e),(f))的模擬結(jié)果可見,主要以積聚模態(tài)存在的粒子在光學(xué)厚度小于0.5時引起了輻射的負(fù)變化,而光學(xué)厚度大于0.5之后,引起了輻射的正變化.而粗粒子模態(tài)的氣溶膠始終會引起輻射的負(fù)變化.

結(jié)合表3可知,粗粒子模態(tài)的氣溶膠吸收性強(qiáng)于積聚模態(tài)的氣溶膠,導(dǎo)致出射輻射相對較小,同時較強(qiáng)的前向散射作用增強(qiáng)了光學(xué)路徑長度,使衛(wèi)星接收輻射減弱,兩方面原因使氣溶膠以粗粒子模態(tài)存在時儀器接收輻射表現(xiàn)出明顯的負(fù)變化趨勢.積聚模態(tài)的粒子散射性更強(qiáng),后向散射作用強(qiáng)于粗粒子模態(tài)的氣溶膠,更可能引起輻射的正變化.

由圖7可見,對海洋型氣溶膠,主要以積聚模態(tài)存在的粒子在光學(xué)厚度小于一臨界值時(2011年1月2日該臨界值為0.6,2011年10月10日該臨界值為0.3)引起輻射的負(fù)變化,光學(xué)厚度大于臨界值后會引起輻射的正變化.而主要以粗粒子模態(tài)存在的氣溶膠始終會引起負(fù)輻射變化,并隨光學(xué)厚度增加輻射變化不斷變大.

表3 大陸型和海洋型氣溶膠在0–2 km時不同模態(tài)的SSA和不對稱因子(g)(1600 nm)Table 3.Single scattering albedo(SSA)and asymmetric factor(g)for continental and maritime aerosols in atmospheric boundary layer(0–2 km)at 1610 nm.

圖7 2011年1月2日((a),(b),(c))和2011年10月10日((d),(e),(f))積聚模態(tài)((a),(d))和粗粒子模態(tài)((b),(e))存在的海洋型氣溶膠隨光學(xué)厚度變化對輻射變化的影響及對應(yīng)的消光廓線(Acc.mode表示積聚模態(tài),Coarse.mode表示粗粒子模態(tài),圖(c),(f)是模擬時采用的氣溶膠垂直廓線)Fig.7.Radiance changes(January 2,2011 and October 10,2011)from baseline with the AOT for maritime aerosol in accumulation mode((a),(d))and coarse mode((b),(e)),and panels(c)and(f)are the corresponding aerosol pro files.

氣溶膠的吸收能力主要取決于碳元素含量,海洋型氣溶膠碳元素含量很低,氣溶膠的散射消光作用占主要地位.在近紅外譜段,氣溶膠光學(xué)厚度的增加主要由氣溶膠對電磁波的散射作用引起.結(jié)合表3可見,積聚模態(tài)的海洋型氣溶膠SSA達(dá)0.99,表明散射性很強(qiáng),所以前后向散射作用的相對強(qiáng)度影響儀器接收的輻射強(qiáng)度.對海洋型氣溶膠,隨光學(xué)厚度增加,積聚模態(tài)的氣溶膠散射作用增強(qiáng),后向散射的不斷增強(qiáng)使儀器接收輻射在光學(xué)厚度較大時出現(xiàn)正變化.而粗粒子模態(tài)的氣溶膠散射性也很強(qiáng),較強(qiáng)的前向散射使多次散射作用造成的消光更顯著,所以主要引起儀器接收輻射的負(fù)變化.

綜上所述,在太陽天頂角為40°,典型地表反照率0.15的條件下,粗粒子模態(tài)的氣溶膠總是引起輻射的負(fù)變化.積聚模態(tài)的氣溶膠引起的輻射變化因氣溶膠類型和垂直分布特征而異:大陸型氣溶膠,因氣溶膠垂直分布特征不同表現(xiàn)出不同的輻射變化趨勢,海洋型氣溶膠在光學(xué)厚度較小時引起輻射的負(fù)變化,隨光學(xué)厚度不斷增大,引起輻射的正變化.特別是對海洋型氣溶膠,由于散射性很強(qiáng),光學(xué)厚度大于0.3之后相鄰兩個吸收通道引起輻射變化的離散度變大,表明此時氣溶膠的存在會顯著影響衛(wèi)星觀測光譜的強(qiáng)度,嚴(yán)重干擾儀器接收的CO2信號,精確的CO2濃度難以反演出來.但是,在光學(xué)厚度小于0.3時,不同類型、不同模態(tài)的氣溶膠引起的輻射變化都為負(fù)值.所以,在光學(xué)厚度小于0.3時,反演CO2若不考慮氣溶膠的影響,會造成CO2濃度的高估.

3.3 氣溶膠垂直分布廓線的敏感性實驗

氣溶膠的垂直分布特性是影響氣溶膠散射的一個重要因素.它通過改變輻射傳輸?shù)墓鈱W(xué)路徑長度,影響衛(wèi)星觀測CO2吸收光譜.為研究氣溶膠高度分布對衛(wèi)星接收輻射強(qiáng)度的影響,本節(jié)探討清潔型大陸氣溶膠、污染型大陸氣溶膠以及海洋型氣溶膠在不同氣溶膠垂直分布條件下引起的輻射變化情況.

由圖8可見,在2011年1月4日和2011年7月12日,氣溶膠垂直分布特征呈現(xiàn)復(fù)雜的雙層分布,對應(yīng)積聚模態(tài)的氣溶膠在光學(xué)厚度較小時引起了輻射的負(fù)變化,光學(xué)厚度超過臨界值后引起輻射的正變化.而2011年1月10日和2011年10月2日的氣溶膠表現(xiàn)出簡單的單層分布,此時,與背景條件相比,主要以積聚模態(tài)存在的氣溶膠引起了輻射的負(fù)變化.對主要以粗粒子模態(tài)存在的氣溶膠(圖8(b),(e),(i),(l)),在不同氣溶膠垂直分布條件下,都表現(xiàn)出明顯的負(fù)變化趨勢,另外,單層分布?xì)馊苣z在兩個相鄰吸收通道引起的輻射變化程度和趨勢一致性更強(qiáng).

圖8 對主要以積聚模態(tài)((a),(d),(h),(k))和粗粒子模態(tài)((b),(e),(i),(l))存在的清潔型大陸氣溶膠,氣溶膠高度分布((c),(f),(j),(m))對儀器接收輻射的影響Fig.8.Radiance changes from baseline for clean continental aerosol in different vertical distributions,and panels(c),(f),(j)and(m)are the corresponding aerosol pro files.

圖9 對主要以積聚模態(tài)((a),(d),(h),(k))和粗粒子模態(tài)((b),(e),(i),(l))存在的污染型大陸氣溶膠,氣溶膠高度分布((c),(f),(j),(m))對儀器接收輻射的影響Fig.9.Radiance changes from baseline for polluted continental aerosol in different vertical distributions,and panels(c),(f),(j)and(m)are the corresponding aerosol pro files.

由圖9可見,與清潔型大陸氣溶膠相似,呈復(fù)雜雙層分布的污染型大陸氣溶膠,主要以積聚模態(tài)存在時,在光學(xué)厚度較小時會引起輻射的負(fù)變化,光學(xué)厚度超過臨界值后,引起輻射的正變化.另外,2010年2月1日,2010年2月2日以及2011年1月1日的氣溶膠垂直分布都呈單層分布,但由于氣溶膠分布高度不同,對應(yīng)的輻射變化程度也有明顯差異,例如2011年1月1日氣溶膠分布高度在0—2km(圖9(j)),對應(yīng)輻射變化值在?6到0之間(圖9(h)),而2010年2月1日氣溶膠主要分布在0—1 km(圖9(c)),此時對應(yīng)的輻射變化在?20到0之間(圖9(a)),負(fù)變化程度明顯大于氣溶膠分布在0—2 km的情況.主要以粗粒子模態(tài)存在的污染型大陸氣溶膠在不同的垂直分布條件下引入的輻射變化均為負(fù)值.此外,隨氣溶膠分布高度提升,負(fù)輻射變化程度逐漸減小.

圖10 對主要以積聚模態(tài)((a),(d),(h),(k))和粗粒子模態(tài)((b),(e),(i),(l))存在的海洋型氣溶膠,氣溶膠高度分布((c),(f),(j),(m))對儀器接收輻射的影響Fig.10.Radiance changes from baseline for maritime aerosol in different vertical distributions,and panels(c),(f),(j)and(m)are the corresponding aerosol pro files.

由圖10可見,主要以積聚模態(tài)存在的海洋型氣溶膠,在不同氣溶膠垂直分布條件下,隨著光學(xué)厚度的增加,輻射變化都是由負(fù)變?yōu)檎?氣溶膠分布高度越高,負(fù)輻射變化程度越弱.另外,在2011年1月2日(圖10(c))和2011年7月4日(圖10(m))氣溶膠呈現(xiàn)出復(fù)雜雙層分布,此時,在光學(xué)厚度大于0.3之后,相鄰兩個吸收通道引起的輻射變化離散度變大.而對粗粒子模態(tài)海洋型氣溶膠,與對應(yīng)的大陸型氣溶膠相似,在不同氣溶膠垂直分布條件下,主要以粗粒子模態(tài)存在的海洋型氣溶膠引入的輻射變化均為負(fù)值.但是,與粗粒子模態(tài)的城市型氣溶膠相比,海洋型氣溶膠引起負(fù)的輻射變化明顯更小.

綜上所述,呈簡單的單層分布的氣溶膠,以不同模態(tài)存在的粒子引起的輻射變化均為負(fù)值;粗粒子模態(tài)的氣溶膠在不同垂直分布條件下,引入的輻射變化均為負(fù)值,隨分布高度提升,負(fù)輻射變化趨勢逐漸減小.這是因為氣溶膠分布高度越高,更多太陽短波輻射未經(jīng)整層大氣CO2吸收就被后向散射作用返回儀器,導(dǎo)致儀器接收輻射增強(qiáng),從而造成CO2濃度的低估.對于呈復(fù)雜雙層分布的氣溶膠,主要以積聚模態(tài)存在的氣溶膠引起的輻射變化在光學(xué)厚度較小時為負(fù)值,隨著光學(xué)厚度增加,引起的輻射變化變?yōu)檎?這是因為對強(qiáng)散射性的粒子而言,高層氣溶膠使太陽短波輻射未經(jīng)整層大氣吸收就經(jīng)后向散射返回儀器,導(dǎo)致儀器接收輻射增強(qiáng).

4 結(jié) 論

利用高精度大氣輻射傳輸模式SCIATRAN精確模擬了我國碳衛(wèi)星高光譜CO2探測儀的觀測光譜,結(jié)合CALIPSO衛(wèi)星的氣溶膠廓線產(chǎn)品,研究了可能在CO2反演中引入誤差的氣溶膠對碳衛(wèi)星觀測輻射的影響,主要研究結(jié)論如下.

1)氣溶膠引起的光學(xué)路徑長度的改變與氣溶膠類型密切相關(guān).典型地表反照率和大氣條件下,氣溶膠的影響體現(xiàn)為負(fù)效應(yīng),城市型氣溶膠對儀器觀測輻射產(chǎn)生的影響最大,海洋型氣溶膠影響次之,鄉(xiāng)村型氣溶膠影響相對最小.

2)氣溶膠引起光學(xué)路徑長度改變與粒子模態(tài)密切相關(guān).主要以粗粒子模態(tài)存在的氣溶膠會引起輻射的負(fù)變化,而積聚模態(tài)的氣溶膠引起的輻射變化趨勢因氣溶膠類型和垂直分布特征而異.積聚模態(tài)的海洋型氣溶膠在光學(xué)厚度較小時引起輻射的負(fù)變化,隨光學(xué)厚度不斷增大,會引起輻射的正變化.對清潔型和污染型大陸氣溶膠,積聚模態(tài)的粒子因氣溶膠垂直分布特征不同表現(xiàn)出不同的輻射變化趨勢.

3)對于呈簡單單層分布的氣溶膠,不同模態(tài)存在的粒子引起的輻射變化均為負(fù)值.對于呈現(xiàn)復(fù)雜雙層分布的氣溶膠,主要以積聚模態(tài)存在的氣溶膠,引起的輻射變化在光學(xué)厚度較小時為負(fù)值,隨著光學(xué)厚度增加,引起的輻射變化為正值.另外,粗粒子模態(tài)的氣溶膠在不同的氣溶膠垂直分布條件下引入的輻射變化也為負(fù)值,隨氣溶膠分布高度提升,負(fù)輻射變化程度會逐漸減小.

感謝不萊梅大學(xué)遙感研究所提供的SCIATRAN輻射傳輸模式軟件包,以及NASA提供的CALIPSO衛(wèi)星氣溶膠數(shù)據(jù)產(chǎn)品.

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