CN113466917B - 一种煤烟型气溶胶辐射强迫计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤烟型气溶胶辐射强迫计算方法，该方法克服目煤烟型气溶胶辐射强迫数值模拟缺少真实地表反照率的现实困难，通过太阳光度计观测大气中的总光学厚度以及气溶胶微物理参数，利用6S辐射传输模型计算得到天空散射光比例因子，最后可得到真实地表反照率，从而实现更加准确的煤烟型气溶胶辐射强迫数值模拟，本方法可用于气溶胶辐射强迫的计算，为气溶胶对大气环境影响的分析提供重要的技术支持。

Description

一种煤烟型气溶胶辐射强迫计算方法

技术领域

本发明涉及大气环境，大气遥感技术领域，特别是涉及一种煤烟型气溶胶辐射强迫计算方法。

背景技术

大气气溶胶可以散射和吸收太阳辐射对地球能量平衡起着重要作用。除了影响气候外，大气气溶胶还可能带来空气污染、能见度下降和危害人类健康等问题。气溶胶的源头主要来自于自然和人为所产生的，在人为产生的气溶胶中煤烟型气溶胶对气候，环境和人类有着重要影响。煤烟型气溶胶主要是由燃煤引起的，主要大气污染物是烟尘和二氧化硫。煤烟型气溶胶能够在大气中发生一系列化学或光化学反应从而释放出颗粒物以及改变大气温度及其稳定性，给气候变化研究带来较大的不确定性。尽管煤烟型气溶胶在气溶胶中的含量较低，但其引起的辐射强迫较高从而破坏大气的稳定性。中国是煤烟型气溶胶排放量较高的国家之一，其产生的颗粒物会对人体健康带来影响并破坏大气的环境，所以有不少学者对中国地区煤烟型气溶胶进行了大量的研究。

气溶胶辐射强迫定义为大气气溶胶引起的净辐射变化，是气溶胶对气候影响的一个关键参数。在气溶胶化学成分中，煤烟型气溶胶是比较有效的辐射强迫因子，对总辐射强迫的贡献较高。因此，对煤烟型气溶胶辐射强迫的研究具有重要意义。煤烟型气溶胶辐射强迫主要随地表反照率、气溶胶光学厚度和太阳天顶角的变化而变化，因此煤烟型气溶胶辐射强迫的计算主要是获得这些参数并通过辐射传输模型得到。综上所述，本发明在黑天空反照率和白天空反照率的基础上，通过辐射传输计算获得真实地表反照率，在此基础上利用实测煤烟型气溶胶粒子的质量浓度计算其辐射强迫效应，更加符合真实情况。

目前关于煤烟型气溶胶辐射强迫的计算主要是利用辐射传输模型进行数值模拟，而辐射传输模型中输入的参数较多。关于地表反照率数据主要是在遥感影像中获取，或采用经验公式来获得地表反照率，这些方法具有较大的不合理性，因此需要一种适合基于真实地表反照率的煤烟型气溶胶辐射强迫的计算方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足提供一种适合用于煤烟型气溶胶辐射强迫的计算方法。本文采用的方法是对以往计算方法忽略了真实地表反照率进行了改进。本文通过编程提取出了研究区域内MODIS黑天空反照率和白天空反照率。同时，为了考虑到大气的散射效应，通过太阳光度计测量大气中的总光学厚度以及微物理参数，根据6S辐射传输模型计算得到天空散射光比例因子，最后可得到真实地表反照率。本文改进了传统煤烟型气溶胶辐射强迫的计算方法，使其考虑到了大气的散射作用，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：一种煤烟型气溶胶辐射强迫计算方法，包括以下步骤：

(1)通过Aethalometer仪器获得大气中的煤烟型气溶胶粒子质量浓度，将煤烟型气溶胶粒子质量浓度转化为煤烟型气溶胶粒子数量浓度。

P＝M/M^* (1)

式中，P为数量浓度(part.cm^-3)，M代表质量浓度(μg m^-3)，M^*为常数，根据煤烟粒子性质通常设为5.99×10^-5(μg m^-3/part.cm^-3)。

(2)将煤烟型气溶胶粒子数量浓度根据公式计算得到对应的550nm波段的煤烟型气溶胶光学厚度；

式中，τ_bc为煤烟型气溶胶光学厚度，代表j煤烟型气溶胶消光系数并归一化到1part.cm^-3，N代表高度剖面，h是地面上的海拔高度(公里)，Z为标高(公里)，它描述了剖面的坡度。

(3)利用太阳光度计测量大气的总光学厚度以及微物理参数，具体包括复折射系数的实部，虚部以及粒径分布(dv/dlnr)。将总光学厚度归一化到550nm处，获得550nm处光学厚度，将550nm处光学厚度输入到6S辐射传输模型中，获取天空散射光比例因子；

(4)利用编程提取出研究区域内的MODIS黑天空反照率和白天空反照率。将黑天空反照率和白天空反照率根据天空散射光比例因子计算得到真实地表反照率；

α_R＝β×α_W+(1-β)×α_B (3)

式中，α_W和α_B分别代表白天空反照率和黑天空反照率，α_R为真实地表反照率，β为通过6S辐射传输模型得到的天空散射光比例因子。

(5)将煤烟型气溶胶光学厚度、真实地表反照率和太阳天顶角等参数输入到6S辐射传输模型中计算出瞬时煤烟型气溶胶辐射强迫。

ARF＝(F₁↓-F₁↑)-(F₀↓-F₀↑) (4)

式中F1表示在地表或大气层顶处含煤烟型气溶胶时向下(向上)的辐射通量(W·m^-2)，F0表示无煤烟型气溶胶的情况。

(6)将得到的瞬时煤烟型气溶胶辐射强迫根据太阳天顶角计算出日平均煤烟型气溶胶辐射强迫；

和

式中，θ_s表示太阳天顶角，为纬度，δ为赤纬，ω为时角，μ为太阳天顶角的余弦值，ARF_Day表示煤烟型气溶胶辐射强迫的日平均值，ARF(μ_i)表示太阳天顶角的余弦值为μ_i时的瞬时煤烟型气溶胶辐射强迫。

(7)将真实地表反照率方法得到的煤烟型气溶胶辐射强迫与经验公式方法得到的煤烟型气溶胶辐射强迫进行比较。

β＝0.122+0.85exp(-4.8μ) (6)

式中，β为天空散射光比例因子，μ为太阳天顶角的余弦值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明的煤烟型气溶胶辐射强迫计算方法，它是对传统数值模拟计算方法的改进。本发明是利用编程提取出研究区域内的MODIS黑天空反照率和白天空反照率；同时为了考虑到大气的散射效应，本发明针对传统经验公式计算天空散射光比例因子进行了改进，利用太阳光度计测量大气中的总光学厚度以及微物理参数，根据6S辐射传输模型计算得到天空散射光比例因子，最后可得到真实地表反照率，进而更加科学的计算煤烟型气溶胶辐射强迫。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是测量得到的煤烟型气溶胶粒子质量浓度以及计算得到的煤烟型气溶胶光学厚度。

图3是研究期间内太阳光度计测量的气溶胶总光学厚度，以及对应时间内的煤烟型气溶胶光学厚度。

图4是研究期间内太阳光度计测量的气溶胶粒径分布。

图5是研究期间内太阳光度计测量的气溶胶复折射系数的实部以及虚部。

图6利用本文方法计算得到的真实地表反照率。

图7是根据本研究计算得到的煤烟型气溶胶辐射强迫并与传统计算方法进行比较。

具体实施方式

下面结合实施例及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。

本实施例以2014年5月至2016年7月煤烟型气溶胶浓度的测量结果为例，详细说明利用本发明计算煤烟型气溶胶辐射强迫的过程。根据图1所示的方法流程图，方法包括步骤：

1：通过Aethalometer仪器获得的2014年5月至2016年7月大气中的煤烟型气溶胶粒子质量浓度，并根据式(1)将其转化为煤烟型气溶胶粒子数量浓度。

2：利用式(2)将得到的煤烟型气溶胶粒子数量浓度转换为煤烟型气溶胶光学厚度。煤烟型气溶胶粒子质量浓度和光学厚度运算结果参见图2，从中可以发现煤烟型气溶胶粒子质量浓度和煤烟型气溶胶光学厚度呈正相关，同时参见图3对比可知在大部分月内煤烟型气溶胶光学厚度与总光学厚度的趋势一致，可见煤烟型气溶胶对总气溶胶的影响较大。

3：利用太阳光度计测量研究期间内总光学厚度和气溶胶微物理参数,其中微物理参数的结果参见图4、图5。

4：将总光学厚度归一化到550nm处，其结果参见图3，再根据辐射传输模型计算得到天空散射光比例因子。

5：利用编程提取出研究区域内的MODIS黑天空反照率和白天空反照率。

6：利用之前计算得到的天空散射光比例因子根据式(3)计算出真实地表反照率，计算结果参见图6。

7：将煤烟型气溶胶光学厚度、真实地表反照率和太阳天顶角等参数输入到6S辐射传输模型中并根据式(4)计算出瞬时煤烟型气溶胶辐射强迫。

8：将得到的瞬时煤烟型气溶胶辐射强迫根据式(5)计算出日平均煤烟型气溶胶辐射强迫，最终辐射强迫结果参见图7，从结果中可知大气层顶辐射强迫为正值，温度上升；地表辐射强迫为负值，温度降低；总体上呈现出春冬高，夏秋低的趋势,这也说明了春冬季节由于城市供暖导致煤烟型气溶胶排放量较高，同时冬季稳定的大气条件不利于污染物的扩散也会导致其辐射强迫较高。

9：在之前的研究中计算天空散射光比例因子都是根据式(6)的经验公式计算得到；我们比较了这两种计算煤烟型气溶胶辐射强迫的方法，参见图7，我们可以得到尽管大气层顶的辐射强迫值较低，但是这两种方法计算的大气层顶煤烟型气溶胶辐射强迫偏差较大，而地表附近的偏差较小；同时利用经验公式计算的煤烟型气溶胶辐射强迫要比真实地表反照率计算的结果普遍偏低。

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 (3)

1.一种煤烟型气溶胶辐射强迫计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、通过Aethalometer仪器获得大气中的煤烟型气溶胶粒子质量浓度，并将其转化为煤烟型气溶胶粒子数量浓度；

B、将煤烟型气溶胶粒子数量浓度根据公式计算得到对应的550nm波段的煤烟型气溶胶光学厚度；

式中，τ_bc为煤烟型气溶胶光学厚度，代表j层煤烟型气溶胶消光系数并归一化到1part.cm^-3，N代表高度剖面，h是地面上的海拔高度(公里)，Z为标高(公里)，它描述了剖面的坡度；

C、利用太阳光度计测量大气中的总光学厚度以及微物理参数，具体包括复折射系数的实部、虚部以及粒径分布(dv/dlmr)，将总光学厚度归一化到550nm处，获得550nm处光学厚度，将550nm处光学厚度输入到6S辐射传输模型中，获取天空散射光比例因子；

D、利用编程提取出研究区域内的MODIS黑天空反照率和白天空反照率，将黑天空反照率和白天空反照率根据天空散射光比例因子计算得到真实地表反照率；

α_R＝β×α_W+(1-β)×α_B；

式中，α_W和α_B分别代表白天空反照率和黑天空反照率，α_R为真实地表反照率，β为通过6S辐射传输模型得到的天空散射光比例因子；

E、将煤烟型气溶胶光学厚度、真实地表反照率和观测几何输入到6S辐射传输模型中，获取煤烟型气溶胶的辐射强迫。

2.根据权利要求1所述的一种煤烟型气溶胶辐射强迫计算方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

A1：通过Aethalometer仪器获得大气中的煤烟型气溶胶粒子质量浓度；

A2：将煤烟型气溶胶粒子质量浓度转化为煤烟型气溶胶粒子数量浓度；

P＝M/M^*；

式中，P为数量浓度(part.cm^-3)，M代表质量浓度(μg m^-3)，M^*为常数，根据煤烟粒子性质通常设为5.99×10^-5(μg m^-3/part.cm^-3)。

3.根据权利要求1所述的一种煤烟型气溶胶辐射强迫计算新方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：

E1：将煤烟型气溶胶光学厚度、蓝天空反照率和太阳天顶角等参数输入到6S辐射传输模型中计算出瞬时煤烟型气溶胶辐射强迫；

ARF＝(F₁↓-F₁↑)-(F₀↓-F₀↑)；

式中F1表示在地表或大气层顶处含煤烟型气溶胶时向下(向上)的辐射通量(W·m^-2)，F₀表示无煤烟型气溶胶的情况；

E2：将得到的瞬时煤烟型气溶胶辐射强迫根据太阳天顶角计算出日平均煤烟型气溶胶辐射强迫；

和

式中，θ_s表示太阳天顶角，为纬度，δ为赤纬，ω为时角，μ为太阳天顶角的余弦值，ARF_Day表示煤烟型气溶胶辐射强迫的日平均值，ARF(μ_i)表示太阳天顶角的余弦值为μ_i时的瞬时煤烟型气溶胶辐射强迫。