CN113420253A - 一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，这种方法在目前计算黑碳气溶胶直接辐射效应的宽波段方法上进行了改进，考虑了天空散射光比在不同窄波段上的差异，使计算出的蓝天空反照率考虑了不同窄波段散射的影响。根据太阳光度计观测出的气溶胶总光学厚度和微物理参数，结合MODIS 6个窄波段的白天空反照率，输入到6S辐射传输模型中，得到MODIS 6个窄波段的天空散射光比，从而计算出各个窄波段的蓝天空反照率，并根据窄波段合成宽带反照率的公式，得到宽带短波的蓝天空反照率，由于考虑了天空散射光比在不同窄波段上的差异，可以更加精确的数值模拟出黑碳气溶胶的直接辐射效应。本方法为更加精确的计算黑碳气溶胶直接辐射效应提供了新的技术路线，为研究气溶胶对大气环境和气候的影响提供了重要的支撑。

Description

一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法
技术领域
本发明涉及大气气溶胶，大气环境和大气遥感技术领域，主要是关于一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法。
背景技术
大气气溶胶是悬浮在大气中的固态或液态颗粒，通过吸收和散射太阳辐射，可以改变大气和地球表面间的能量平衡。大气气溶胶不仅对区域气候有显著的影响，而且对调节全球气候起着重要作用。大气气溶胶也会造成空气污染并降低大气能见度。大气气溶胶对人类健康构成重大风险并影响人体呼吸系统的健康。根据大气气溶胶的来源，可以分为自然来源和人为来源。黑碳气溶胶的主要来源是人为来源，通过人为燃煤产生。黑碳气溶胶是大气气溶胶的需要吸收颗粒，具有很强的吸收太阳辐射的能力。黑碳气溶胶还可以改变大气和地表的温度以及大气的稳定性。黑碳气溶胶还是短期的气候效应因素，它对气候变化，大气环境和人类健康具有重要影响。目前，中国的黑碳气溶胶排放量较多，很多学者对中国的黑碳气溶胶开展了大量的研究，研究其对环境、大气和人类健康的影响。
黑碳气溶胶产生的直接辐射效应对大气辐射平衡有重要影响，可以改变大气层顶和地表的温度变化，对研究区域气候变化有重要意义。黑碳气溶胶是气溶胶中有效的辐射效应因子，对总辐射效应的贡献较高。黑碳气溶胶的直接辐射效应受多种因素的影响，主要包括气溶胶光学厚度、蓝天空反照率、太阳天顶角和主要气象条件。黑碳气溶胶的直接辐射效应可以通过辐射传输模型进行数值模拟得到，由于缺乏蓝天空反照率产品，因此，计算蓝天空反照率是数值模拟黑碳气溶胶直接辐射效应的关键。
目前，一些研究在利用辐射传输模型数值模拟黑碳气溶胶直接辐射效应时，主要采用白天空反照率或黑天空反照率作为输入参数，忽视了大气散射效应的影响，计算出的黑碳气溶胶直接辐射效应有较大的偏差。有些研究采用经验公式方法，根据经验公式来计算蓝天空反照率，但这种方法不太合理，受太阳天顶角影响较大。有部分研究采用宽波段方法，根据宽带短波的天空散射光比来计算蓝天空反照率，假设宽带短波的天空散射光比是个常数，忽略了不同波长的天空散射光比的差异，实际上气溶胶的散射会随着波长的变化而变化，因此需要一种基于多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应的计算方法。
发明内容
本发明的目的在于考虑了天空散射光比在不同窄波段上的差异，更加精确的计算宽带短波的蓝天空反照率，改进了现有技术的不足和缺陷，并提出了一种适用于计算黑碳气溶胶直接辐射效应的新方法。本文提出的这种多波段合成方法，首先提取出目标研究区域内MODIS 6个窄波段的白天空反照率和黑天空反照率。为了考虑大气的散射效应在不同窄波段处的差异，根据太阳光度计测量的气溶胶微物理参数和总光学厚度，结合MODIS 6个窄波段的白天空反照率，输入到6S辐射传输模型中得到6个窄波段的天空散射光比，然后得到6个窄波段的蓝天空反照率。根据窄波段合成宽带短波的反照率公式，最后可以合成出宽带短波的蓝天空反照率。本文改进了传统黑碳气溶胶直接辐射效应的计算方法，考虑了大气在不同波长处散射效应的差异，并与经验公式方法和宽波段方法计算出的黑碳气溶胶直接辐射效应进行比较，多波段合成方法的计算结果更具备说服力。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应方法，包括以下步骤：
(1)将Aethalometer仪获得的黑碳气溶胶质量浓度(μg/m3)除以5.99×10-5(μg/m3/part/cm3)可以得到黑碳气溶胶数量浓度(part.cm-3)；
(2)通过编写程序，将目标研究区域的MODIS 6个窄波段的白天空反照率和黑天空反照率产品提取出来；
(3)利用太阳光度计测量气溶胶总光学厚度、微物理参数(复折射指数的实部和虚部、粒径分布)。因为6S辐射传输模型要求输入550nm的光学厚度，需要根据式(1)将气溶胶总光学厚度变换为550nm的光学厚度，再将550nm光学厚度和MODIS 6个窄波段的白天空反照率输入到6S辐射传输模型中，可以得到MODIS 6个窄波段的天空散射光比；
Figure BDA0002657256080000021
式中，τaerosol(550)代表550nm光学厚度，τaerosol(440)代表440nm光学厚度，AE代表Angstrom参数。
(4)根据OPAC模型，输入黑碳气溶胶的数量浓度，可以得到550nm的黑碳气溶胶的光学厚度，OPAC模型中计算光学厚度的公式如下；
Figure BDA0002657256080000031
式中，τ为黑碳气溶胶的光学厚度，
Figure BDA0002657256080000032
代表j层黑碳气溶胶或云的消光系数并归一化到1part.cm-3，Z为标高(单位为千米)，它描述了黑碳气溶胶高度轮廓的坡度，N代表黑碳气溶胶的高度轮廓，h是距离地面的海拔高度(单位为千米)。
(5)将MODIS 6个窄波段的白天空反照率和黑天空反照率根据各自的天空散射光比计算得到6个窄波段的蓝天空反照率，具体公式如式(3)所示；
αi-blue＝ki×αi-W+(1-ki)×αi-B (3)
式中，αi-W和αi-B分别代表窄波段i(i＝1,2,3,4,5,7)的白天空反照率和黑天空反照率，αi-blue为窄波段i的蓝天空反照率，ki为通过6S辐射传输模型得到的窄波段i的天空散射光比。
(6)根据窄波段合成宽带短波的反照率公式，由6个窄波段的蓝天空反照率合成出宽带短波的蓝天空反照率，具体公式如式(4)所示；
αshortwave-blue＝0.160α1-blue+0.291α2-blue+0.243α3-blue+0.116α4-blue+0.112α5-blue+0.081α7-blue-0.0015 (4)
式中，αshortwave-blue表示合成的宽带短波的蓝天空反照率，αi-blue表示窄波段i(i＝1,2,3,4,5,7)的蓝天空反照率。
(7)采用6S辐射传输模型，将黑碳气溶胶光学厚度、合成的宽带短波的蓝天空反照率和太阳天顶角等作为输入参数，可以计算出大气层顶和地表处的瞬时黑碳气溶胶的直接辐射效应，然后可以计算出大气中的瞬时黑碳气溶胶的直接辐射效应，具体公式如式(5)、(6)、(7)所示；
Figure BDA0002657256080000033
Figure BDA0002657256080000034
DREATM＝DRETOA-DRESFC (7)
式中DRESFC表示在地表处的黑碳气溶胶的直接辐射效应，DRETOA表示在大气层顶处的黑碳气溶胶的直接辐射效应，DREATM表示在大气中的黑碳气溶胶的直接辐射效应，Fa和F0分别表示有黑碳气溶胶和无黑碳气溶胶时的辐射通量，箭头向上或向下的方向表示辐射通量的方向。
(8)通过下面公式，可以由瞬时黑碳气溶胶直接辐射效应计算出日平均黑碳气溶胶直接辐射效应；
Figure BDA0002657256080000041
Figure BDA0002657256080000042
Figure BDA0002657256080000043
式中，DRE(μi)表示太阳天顶角的余弦值为μi时的瞬时黑碳气溶胶直接辐射效应，DREDay表示日平均黑碳气溶胶直接辐射效应，
Figure BDA0002657256080000044
为纬度，δ为赤纬，θs表示太阳天顶角，ω为时角，μ为太阳天顶角的余弦值。
(9)将多波段合成方法计算出的黑碳气溶胶直接辐射效应与另外两种方法(经验公式方法、宽波段方法)进行比较；
β＝0.122+0.85exp(-4.8μ) (11)
αempirical-blue＝β×αW+(1-β)×αB (12)
αmultiband-blue＝k×αW+(1-k)×αB (13)
式中，β为经验公式方法计算出的天空散射光比，μ为太阳天顶角的余弦值，αempirical-blue为经验公式方法计算出的短波蓝天空反照率，αW为宽带短波的白天空反照率，αB为宽带短波的黑天空反照率，αmultiband-blue为宽波段方法得到的短波蓝天空反照率，k为宽波段方法得到的天空散射光比。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明提出的多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，它是对传统数值模拟计算方法和宽波段方法的改进。本发明是利用编程提取出研究区域内的MODIS 6个窄波段的白天空和黑天空反照率，本发明对传统经验公式方法和宽波段方法进行了改进，考虑了大气在不同波长散射效应的差异。采用太阳光度计测量气溶胶的微物理参数和总光学厚度，并结合MODIS 6个窄波段的白天空反照率，根据6S辐射传输模型计算得到各个窄波段的天空散射光比，可以得到各个窄波段的蓝天空反照率，再根据窄波段合成宽带短波的反照率公式，可以合成出宽带短波的蓝天空反照率，由于考虑了天空散射光比在各个窄波段上的差异，可以更加精确的计算出黑碳气溶胶直接辐射效应。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是在研究期间测量的黑碳气溶胶的质量浓度和计算得到的黑碳气溶胶光学厚度。
图3是在研究期间太阳光度计测量的气溶胶总光学厚度和对应时间内的黑碳气溶胶光学厚度。
图4是在研究期间太阳光度计测量的气溶胶粒径分布。
图5是在研究期间太阳光度计测量的气溶胶复折射系数的实部和虚部。
图6是利用本文方法计算得到的蓝天空反照率。
图7是根据本研究计算得到的大气层顶处黑碳气溶胶直接辐射效应，并与经验公式方法、宽波段方法进行比较。
图8是根据本研究计算得到的地表处黑碳气溶胶直接辐射效应，并与经验公式方法、宽波段方法进行比较。
图9是根据本研究计算得到的大气中黑碳气溶胶直接辐射效应，并与经验公式方法、宽波段方法进行比较。
具体实施方式
下面通过实例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明以2014年5月至2016年7月在江苏省徐州市中国矿业大学黑碳气溶胶浓度的测量结果为例，主要详细说明了利用本发明提出的多波段合成方法来计算黑碳气溶胶直接辐射效应的过程。根据图1所示的多波段合成方法的流程图，包括的步骤如下：
1：通过Aethalometer仪测得2014年5月至2016年7月在徐州市中国矿业大学大气中的黑碳气溶胶的质量浓度，并将黑碳气溶胶的质量浓度(μg/m3)除以5.99×10-5(μg/m3/part/cm3)可以得到黑碳气溶胶的数量浓度(part.cm-3)。
2：通过编写程序，将目标研究区域的MODIS 6个窄波段的白天空反照率和黑天空反照率产品提取出来。
3：根据太阳光度计测量气溶胶的微物理参数(复折射指数的实部和虚部、粒径分布)和总光学厚度。粒径分布、复折射指数的实部和虚部如图2、图3所示。因为6S模型要求输入550nm的光学厚度，根据式(1)将气溶胶总光学厚度变换为550nm的光学厚度，具体结果如图4所示，再根据辐射传输模型计算得到MODIS 6个窄波段的天空散射光比。
4：根据OPAC模型，输入黑碳气溶胶的数量浓度，可以得到550nm的黑碳气溶胶光学厚度。黑碳气溶胶的质量浓度和黑碳气溶胶的光学厚度结果如图5所示，根据图5发现黑碳气溶胶的质量浓度和黑碳气溶胶的光学厚度变化趋势一致，具有相同的季节变化。根据图4发现，大部分月份内黑碳气溶胶的光学厚度与气溶胶的总光学厚度的变化趋势相似，说明黑碳气溶胶对总气溶胶的影响较大。
5：将MODIS 6个窄波段的天空散射光比根据式(3)计算出各个窄波段的蓝天空反照率。
6：根据窄波段合成宽带短波的反照率公式(4)合成出宽带短波的蓝天空反照率，计算结果如图6所示。
7：采用6S辐射传输模型，将黑碳气溶胶光学厚度、合成的宽带短波的蓝天空反照率和太阳天顶角等作为输入参数，并根据式(5)、(6)、(7)可以分别计算出地表、大气层顶和大气中的瞬时黑碳气溶胶的直接辐射效应。
8：瞬时黑碳气溶胶的直接辐射效应根据式(8)、(9)、(10)计算得到日平均黑碳气溶胶的直接辐射效应，大气层顶、地表和大气中的月平均直接辐射效应结果如图7、图8和图9所示，根据图7、图8和图9可知大气层顶和大气中的直接辐射效应均为正值，会导致温度上升，地表处的直接辐射效应均为负值，会导致温度降低。大气层顶、地表和大气中的月平均直接辐射效应存在春冬季高，夏秋季低的趋势。这主要是春冬季供暖导致黑碳气溶胶大量排放，同时，冬季稳定的气象条件也不利于污染物的扩散，这些都会导致黑碳气溶胶直接辐射效应的增加。
9：经验公式方法主要根据式(11)和(12)来计算蓝天空反照率，宽波段方法主要根据式(13)来计算蓝天空反照率；我们比较了经验公式方法、宽波段方法、多波段合成方法计算的黑碳气溶胶直接辐射效应的结果，如图7、图8和图9所示，可以发现大气层顶处的黑碳气溶胶直接辐射效应有明显差异，而地表和大气中的差异较小，这三种方法计算出的黑碳气溶胶直接辐射效应由高到低依次为：多波段合成方法、宽波段方法、经验公式方法。
上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理的下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、根据Aethalometer仪得到黑碳气溶胶的质量浓度并转换为黑碳气溶胶的数量浓度；
B、根据编写的程序，提取出MODIS提供的6个窄波段的白天空反照率和黑天空反照率产品；
C、根据太阳光度计测得气溶胶的微物理参数(复折射指数、粒径分布)、总光学厚度，并结合MODIS的6个窄波段的白天空反照率，采用6S辐射传输模型得到6个窄波段各自的天空散射光比；
D、根据OPAC模型将黑碳气溶胶的数量浓度转换为黑碳气溶胶的光学厚度；
E、根据MODIS 6个窄波段的白天空反照率和黑天空反照率，利用计算出的6个窄波段的天空散射光比，得到MODIS 6个窄波段的蓝天空反照率；
F、根据窄波段合成宽带短波的反照率公式，将MODIS 6个窄波段的蓝天空反照率合成出宽带短波的蓝天空反照率。
G、根据6S辐射传输模型，输入黑碳气溶胶的光学厚度、合成的宽带短波的蓝天空反照率、几何参数，最后可以得到黑碳气溶胶的直接辐射效应。
2.根据权利要求1所述的一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
A1：黑碳气溶胶的质量浓度主要根据Aethalometer仪测得；
A2：将黑碳气溶胶的质量浓度(μg/m3)除以5.99×10-5(μg/m3/part/cm3)可以得到黑碳气溶胶的数量浓度(part.cm-3)。
3.根据权利要求1所述的一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
B1：通过编写程序，将目标研究区域的MODIS 6个窄波段的白天空反照率和黑天空反照率产品提取出来。
4.根据权利要求1所述的一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
C1：利用太阳光度计测量气溶胶总光学厚度、微物理参数(复折射指数的实部和虚部、粒径分布(dv/dlnr))；
C2：因为6S辐射传输模型要求输入550nm的光学厚度，需要根据下面公式将气溶胶的总光学厚度变换为550nm的总光学厚度，再将550nm的总光学厚度和MODIS 6个窄波段的白天空反照率输入到6S辐射传输模型中，可以得到MODIS 6个窄波段的天空散射光比；
Figure FDA0002657256070000021
式中，τaerosol代表气溶胶总光学厚度，λ代表波长，AE代表Angstrom参数。
5.根据权利要求1所述的一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
D1：根据OPAC模型，输入黑碳气溶胶的数量浓度，可以得到550nm的黑碳气溶胶的光学厚度，OPAC模型中计算光学厚度的公式如下；
Figure FDA0002657256070000022
式中，τ为黑碳气溶胶的光学厚度，
Figure FDA0002657256070000023
代表j层黑碳气溶胶或云的消光系数并归一化到1part.cm-3，Z为标高(单位为千米)，它描述了黑碳气溶胶高度轮廓的坡度，N代表黑碳气溶胶的高度轮廓，h是距离地面的海拔高度(单位为千米)。
6.根据权利要求1所述的一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：
E1：将MODIS 6个窄波段的白天空反照率和黑天空反照率根据各自的天空散射光比计算出6个窄波段的蓝天空反照率，公式如下；
αi-blue＝ki×αi-W+(1-ki)×αi-B；
式中，αi-W和αi-B分别代表窄波段i(i＝1,2,3,4,5,7)的白天空反照率和黑天空反照率，αi-blue为窄波段i(i＝1,2,3,4,5,7)的蓝天空反照率，ki为通过6S辐射传输模型得到的窄波段i(i＝1,2,3,4,5,7)的天空散射光比。
7.根据权利要求1所述的一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，其特征在于，所述步骤F具体包括：
F1：根据窄波段合成宽带短波的反照率公式，由6个窄波段的蓝天空反照率合成出宽带短波的蓝天空反照率；
αshortwave-blue＝0.160α1-blue+0.291α2-blue+0.243α3-blue+0.116α4-blue+0.112α5-blue+0.081α7-blue-0.0015；
式中，αshortwave-blue表示合成的宽带短波的蓝天空反照率，αi-blue表示窄波段i(i＝1,2,3,4,5,7)的蓝天空反照率。
8.根据权利要求1所述的一种多波段合成的黑碳气溶胶直接辐射效应计算方法，其特征在于，所述步骤G具体包括：
G1：采用6S辐射传输模型，将黑碳气溶胶光学厚度、合成的宽带短波的蓝天空反照率和太阳天顶角等作为输入参数，可以计算出大气层顶和地表处的瞬时黑碳气溶胶的直接辐射效应，然后可以计算出大气中的瞬时黑碳气溶胶的直接辐射效应，具体公式如下；
Figure FDA0002657256070000031
Figure FDA0002657256070000032
DREATM＝DRETOA-DRESFC；
式中DRESFC表示在地表处的黑碳气溶胶的直接辐射效应，DRETOA表示在大气层顶处的黑碳气溶胶的直接辐射效应，DREATM表示在大气中的黑碳气溶胶的直接辐射效应，Fa和F0分别表示有黑碳气溶胶和无黑碳气溶胶时的辐射通量，箭头向上或向下的方向表示辐射通量的方向。
G2：通过下面公式，可以由瞬时黑碳气溶胶直接辐射效应计算出日平均黑碳气溶胶直接辐射效应；
Figure FDA0002657256070000033
Figure FDA0002657256070000034
Figure FDA0002657256070000035
式中，DRE(μi)表示太阳天顶角的余弦值为μi时的瞬时黑碳气溶胶直接辐射效应，DREDay表示日平均黑碳气溶胶直接辐射效应，
Figure FDA0002657256070000036
为纬度，δ为赤纬，θs表示太阳天顶角，ω为时角，μ为太阳天顶角的余弦值。
G3：将多波段合成方法计算出的黑碳气溶胶直接辐射效应与另外两种方法(经验公式方法、宽波段方法)进行比较；
β＝0.122+0.85exp(-4.8μ)；
αempirical-blue＝β×αW+(1-β)×αB；
αmultiband-bule＝k×αW+(1-k)×αB；
式中，β为经验公式方法计算出的天空散射光比，μ为太阳天顶角的余弦值,αempirical-blue为经验公式方法计算出的短波蓝天空反照率,αW为宽带短波的白天空反照率，αB为宽带短波的黑天空反照率，αmultiband-blue为宽波段方法得到的短波蓝天空反照率，k为宽波段方法得到的天空散射光比。
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