基于辐射传输模式的紫外辐射重构研究
这是一篇关于紫外辐射,SMARTS辐射传输模式,云,气溶胶,衰减,重构的论文, 主要内容为近年来两极地区,以及北半球中高纬度地区均监测到平流层臭氧柱含量显著减少,臭氧量减少的直接后果是使得到达地表的紫外辐射呈现增加的趋势。紫外辐射不仅能够危害人体健康,而且对其他动植物乃至整个生态系统都存在较大的潜在威胁,正是由于紫外辐射强烈的生物、环境和气候效应,使得紫外辐射的研究逐渐成为当前的研究热点之一。由于国内外紫外辐射的观测比总辐射的观测起步晚,特别是大范围、长时期的连续观测数据更加匮乏,但是随着相关研究的深入对长时间紫外辐射数据的需求日益紧迫,为了获取大范围、长时期的数据,国内外学者提出了许多重构紫外辐射历史数据的方法。 本文选取了一种半经验的重构方案,利用SMARTS辐射传输模式模拟了晴天大气下的总辐射和紫外辐射,进而对定义的云修正因子进行拟合而得到紫外辐射估算方程。重构检验结果表明建立的紫外辐射重构方案具有较高的精度,能够很好地应用于紫外辐射历史数据的重构。由于我国地域广阔,不同区域的地表生态系统和气候特征差异显著,本文选取地处我国不同气候区域的9个站点进行紫外辐射重构方法的建立与检验,站点为：北京、海伦、阜康、鄂尔多斯、太湖、贡嘎山、千烟洲、鼎湖山和三亚。主要研究结果如下： (1)对模式所需输入参数进行的计算分析表明,整层大气可降水量都有着明显的“夏大冬小”季节变化特征,最大和最小值分别出现在7月份和1月份,阜康和鄂尔多斯的可降水总量最小,而鼎湖山和太湖最大。高纬度地区臭氧柱含量的最大值出现在春季,秋季达到最小,而低纬度地区最大值则出现在夏季,最小值出现在冬季,而且高纬度地区臭氧柱总量明显大于低纬度地区。MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度在三亚、贡嘎山相对较小,而在城市站点(北京和太湖)则相对较大。 (2)通过对气溶胶光学厚度、臭氧柱总量、地表反射率和整层大气可降水量进行敏感性试验,结果表明紫外辐射对气溶胶和地表反射率变化的敏感性要大于臭氧柱总量和可降水量变化,这表明到达地表的紫外辐射主要受大气气溶胶影响。 (3)通过分析站点5～6年的总辐射和紫外辐射观测发现,总辐射日累计值基本上都维持在0～30MJ·m-2·d-1之间,紫外辐射日累计值在0～1.5MJ·m-2·d-1之间,UV/G在2.5%-6%之间,并且都存在一致的“夏季大、冬季小、春秋次之”季节变化规律。 (4)利用SMARTS模式模拟了晴天总辐射和紫外辐射,由于晴天模拟没有考虑云的辐射效应,SMARTS模式给出的模拟值相比观测值一般都高,并且分布没有观测值离散,但相对于总辐射,紫外辐射差别更大、更离散。 (5)贡嘎山的总辐射云衰减率最大,平均值可达32.8%,其余各站平均衰减率在10%-20%之间；紫外辐射云衰减率也是在贡嘎山最大,观测时段内的平均值可达45.9%；北京和海伦站次之,平均值为38.9%和39.4%；太湖站最小,只有11.9%,其余各站在20%-30%之间。相比云衰减率,各站紫外辐射气溶胶衰减率都要大于总辐射气溶胶衰减率,总辐射气溶胶衰减率平均值从大到小依次为太湖(27.0%)、鼎湖山(23.1%)、千烟洲(18.4%)、北京(18.2%)、鄂尔多斯(12.7%)、三亚(10.9%)、海伦(8.1%)和贡嘎山(5.4%);紫外辐射气溶胶衰减率平均值为太湖(41.4%)、鼎湖山(35.9%)、千烟洲(29.5%)、北京(27.6%)、鄂尔多斯(20.7%)、三亚(18.4%)、海伦(13.1%)和贡嘎山(9.2%)。 (6)利用总辐射和紫外辐射云修正因子拟合建立了半经验的紫外辐射估算方法,通过站点重构值和相应观测值的对比分析,重构值与观测值的相对平均绝对偏差和相对均方根误差都在20%以内,多数站点都小于10%,这表明该方法能够很好地进行紫外辐射的重构。其中：北京没有明显的高估或者低估,相对平均绝对偏差为7.70%,相对均方根误差为9.74%。阜康站重构值存在极微弱低估,但相对平均绝对偏差和相对均方根误差只有5.30%和8.26%。鄂尔多斯站相对平均绝对偏差为8.12%,相对均方根误差为9.62%。太湖站相对平均绝对偏差为10.96%,相对均方根误差为12.72%。贡嘎山站相对平均绝对偏差为7.96%,相对均方根误差为9.88%。千烟洲站相对平均绝对偏差和相对均方根误差分别为6.28%和7.86%。鼎湖山站相对平均绝对偏差为9.48%,相对均方根误差为12.09%。三亚站相对平均绝对偏差和相对均方根误差分别为4.67%和5.94%。海伦站相对平均绝对偏差和相对均方根误差均为各站最高,但其值也只有14.68%和17.51%。由此可见,本文建立的紫外辐射重构方案具有很高的精度和适用性。
长江三角洲地区吸收性气溶胶时空分布特征及其对紫外辐射的影响
这是一篇关于吸收性气溶胶,紫外辐射,NCAR TUV辐射传输模式,时空分布特征的论文, 主要内容为气溶胶-辐射相互作用一直是当今大气环境、气候变化研究的热点,气溶胶通过吸收和散射太阳辐射影响地-气系统辐射收支平衡。虽然气溶胶总体对全球气候呈现负的辐射强迫,但吸收性气溶胶中黑碳气溶胶却呈现明显的正辐射强迫,其产生的气候效应与温室气体类似,因此,吸收性气溶胶成为准确评估、预测全球气候变化的主要不确定因素之一。虽然紫外辐射仅占太阳辐射的7%,但是对人类健康和生态环境的影响巨大,过量的紫外照射会增加皮肤癌、白内障的患病几率,破坏植物的光合作用,还会诱发光化学反应。因此,研究吸收性气溶胶的时空分布特征及其对紫外辐射的影响具有重要的现实意义和科学价值。本文选取20082017年OMI/Aura OMAERUV L2气溶胶数据集和20082015年中国生态系统研究网络的紫外辐射数据集,研究长江三角洲地区吸收性气溶胶的时空分布特征及其对紫外辐射的影响,并结合NCAR TUV辐射传输模式,深入研究气溶胶光学参数(AOD和SSA)对紫外辐射的定量影响。结果如下:(1)在时间分布上,该地区气溶胶光学厚度(AOD)与吸收性气溶胶光学厚度(AAOD)的年际变化趋势一致,均为先升后降,于2011年达最高值,分别为0.702和0.056。月际变化显示AAOD高值多发生在1、3和6月,11月到次年1月明显增加。在空间分布上,长三角地区AAOD呈北高南低分布,AOD与AAOD分布相似,AAOD>0.05的高值区主要集中在安徽北部、江苏北部以及南京、杭州和金华等地区。AAOD与AOD季节空间分布均为春冬高,秋季较低,但二者不同的是,夏季AOD很大,AAOD却很小。长三角地区AAOD和AOD的年均空间分布与黑碳贡献量一致。(2)在两个地面观测站中,太湖站的紫外辐射值较高。年变化显示,紫外辐射在6月出现明显的下降趋势,其原因主要是江南6月正值梅雨期,随着梅雨期结束,7、8月紫外辐射值回升且为一年中紫外辐射最强的月份,11和12月的紫外辐射处于较低水平。紫外辐射的季节变化特征较为显著,夏季>春季>秋季>冬季。紫外辐射于正午12时达紫外辐射最大值。(3)TUV辐射传输模式模拟紫外辐射的变化较为准确,并且模式模拟结果总是高于实际观测的紫外辐射值。以5月12日和7月28日为代表的春季和夏季的紫外辐射地面观测和模式模拟结果较为相近。以10月15日和1月8日代表的秋季和冬季在1014时模拟得到的结果明显大于实际观测得到的紫外辐射值。模式模拟结果总是高于实际观测得到的紫外辐射值的原因有三:一是实际观测条件下,不能完全避免云的影响。二是由于实际测量时存在半宽透射带,实际测量得到的紫外辐射值并不是理想波段下的值。三是与实际环境当中的大气污染程度有关,通常情况下大气环境中的二氧化硫和氮氧化物在大气污染严重时是被低估的。(4)AOD与紫外辐射的相关系数R为-0.591;SSA与紫外辐射的相关系数R值为0.504。当波长小于300nm时,到达地面的紫外辐射基本为零,这是由于平流层中臭氧层吸收造成的。在300330nm波段下紫外辐射大幅增加,气溶胶对紫外辐射的影响较大,紫外辐射比较敏感。在330nm以后到达地面的紫外辐射增长速度十分缓慢,该波段下紫外辐射敏感程度不高。每当AOD增加0.2,正午12时UV辐射便被削弱了近11%,每当SSA降低0.05,正午12时紫外辐射便衰减了近6%。太湖站到达地面的紫外辐射含量总是高于常熟站,当波长在355nm以上时,太湖站的紫外辐射变化幅度较常熟站更为显著。
长江三角洲地区吸收性气溶胶时空分布特征及其对紫外辐射的影响
这是一篇关于吸收性气溶胶,紫外辐射,NCAR TUV辐射传输模式,时空分布特征的论文, 主要内容为气溶胶-辐射相互作用一直是当今大气环境、气候变化研究的热点,气溶胶通过吸收和散射太阳辐射影响地-气系统辐射收支平衡。虽然气溶胶总体对全球气候呈现负的辐射强迫,但吸收性气溶胶中黑碳气溶胶却呈现明显的正辐射强迫,其产生的气候效应与温室气体类似,因此,吸收性气溶胶成为准确评估、预测全球气候变化的主要不确定因素之一。虽然紫外辐射仅占太阳辐射的7%,但是对人类健康和生态环境的影响巨大,过量的紫外照射会增加皮肤癌、白内障的患病几率,破坏植物的光合作用,还会诱发光化学反应。因此,研究吸收性气溶胶的时空分布特征及其对紫外辐射的影响具有重要的现实意义和科学价值。本文选取20082017年OMI/Aura OMAERUV L2气溶胶数据集和20082015年中国生态系统研究网络的紫外辐射数据集,研究长江三角洲地区吸收性气溶胶的时空分布特征及其对紫外辐射的影响,并结合NCAR TUV辐射传输模式,深入研究气溶胶光学参数(AOD和SSA)对紫外辐射的定量影响。结果如下:(1)在时间分布上,该地区气溶胶光学厚度(AOD)与吸收性气溶胶光学厚度(AAOD)的年际变化趋势一致,均为先升后降,于2011年达最高值,分别为0.702和0.056。月际变化显示AAOD高值多发生在1、3和6月,11月到次年1月明显增加。在空间分布上,长三角地区AAOD呈北高南低分布,AOD与AAOD分布相似,AAOD>0.05的高值区主要集中在安徽北部、江苏北部以及南京、杭州和金华等地区。AAOD与AOD季节空间分布均为春冬高,秋季较低,但二者不同的是,夏季AOD很大,AAOD却很小。长三角地区AAOD和AOD的年均空间分布与黑碳贡献量一致。(2)在两个地面观测站中,太湖站的紫外辐射值较高。年变化显示,紫外辐射在6月出现明显的下降趋势,其原因主要是江南6月正值梅雨期,随着梅雨期结束,7、8月紫外辐射值回升且为一年中紫外辐射最强的月份,11和12月的紫外辐射处于较低水平。紫外辐射的季节变化特征较为显著,夏季>春季>秋季>冬季。紫外辐射于正午12时达紫外辐射最大值。(3)TUV辐射传输模式模拟紫外辐射的变化较为准确,并且模式模拟结果总是高于实际观测的紫外辐射值。以5月12日和7月28日为代表的春季和夏季的紫外辐射地面观测和模式模拟结果较为相近。以10月15日和1月8日代表的秋季和冬季在1014时模拟得到的结果明显大于实际观测得到的紫外辐射值。模式模拟结果总是高于实际观测得到的紫外辐射值的原因有三:一是实际观测条件下,不能完全避免云的影响。二是由于实际测量时存在半宽透射带,实际测量得到的紫外辐射值并不是理想波段下的值。三是与实际环境当中的大气污染程度有关,通常情况下大气环境中的二氧化硫和氮氧化物在大气污染严重时是被低估的。(4)AOD与紫外辐射的相关系数R为-0.591;SSA与紫外辐射的相关系数R值为0.504。当波长小于300nm时,到达地面的紫外辐射基本为零,这是由于平流层中臭氧层吸收造成的。在300330nm波段下紫外辐射大幅增加,气溶胶对紫外辐射的影响较大,紫外辐射比较敏感。在330nm以后到达地面的紫外辐射增长速度十分缓慢,该波段下紫外辐射敏感程度不高。每当AOD增加0.2,正午12时UV辐射便被削弱了近11%,每当SSA降低0.05,正午12时紫外辐射便衰减了近6%。太湖站到达地面的紫外辐射含量总是高于常熟站,当波长在355nm以上时,太湖站的紫外辐射变化幅度较常熟站更为显著。
基于辐射传输模式的紫外辐射重构研究
这是一篇关于紫外辐射,SMARTS辐射传输模式,云,气溶胶,衰减,重构的论文, 主要内容为近年来两极地区,以及北半球中高纬度地区均监测到平流层臭氧柱含量显著减少,臭氧量减少的直接后果是使得到达地表的紫外辐射呈现增加的趋势。紫外辐射不仅能够危害人体健康,而且对其他动植物乃至整个生态系统都存在较大的潜在威胁,正是由于紫外辐射强烈的生物、环境和气候效应,使得紫外辐射的研究逐渐成为当前的研究热点之一。由于国内外紫外辐射的观测比总辐射的观测起步晚,特别是大范围、长时期的连续观测数据更加匮乏,但是随着相关研究的深入对长时间紫外辐射数据的需求日益紧迫,为了获取大范围、长时期的数据,国内外学者提出了许多重构紫外辐射历史数据的方法。 本文选取了一种半经验的重构方案,利用SMARTS辐射传输模式模拟了晴天大气下的总辐射和紫外辐射,进而对定义的云修正因子进行拟合而得到紫外辐射估算方程。重构检验结果表明建立的紫外辐射重构方案具有较高的精度,能够很好地应用于紫外辐射历史数据的重构。由于我国地域广阔,不同区域的地表生态系统和气候特征差异显著,本文选取地处我国不同气候区域的9个站点进行紫外辐射重构方法的建立与检验,站点为：北京、海伦、阜康、鄂尔多斯、太湖、贡嘎山、千烟洲、鼎湖山和三亚。主要研究结果如下： (1)对模式所需输入参数进行的计算分析表明,整层大气可降水量都有着明显的“夏大冬小”季节变化特征,最大和最小值分别出现在7月份和1月份,阜康和鄂尔多斯的可降水总量最小,而鼎湖山和太湖最大。高纬度地区臭氧柱含量的最大值出现在春季,秋季达到最小,而低纬度地区最大值则出现在夏季,最小值出现在冬季,而且高纬度地区臭氧柱总量明显大于低纬度地区。MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度在三亚、贡嘎山相对较小,而在城市站点(北京和太湖)则相对较大。 (2)通过对气溶胶光学厚度、臭氧柱总量、地表反射率和整层大气可降水量进行敏感性试验,结果表明紫外辐射对气溶胶和地表反射率变化的敏感性要大于臭氧柱总量和可降水量变化,这表明到达地表的紫外辐射主要受大气气溶胶影响。 (3)通过分析站点5～6年的总辐射和紫外辐射观测发现,总辐射日累计值基本上都维持在0～30MJ·m-2·d-1之间,紫外辐射日累计值在0～1.5MJ·m-2·d-1之间,UV/G在2.5%-6%之间,并且都存在一致的“夏季大、冬季小、春秋次之”季节变化规律。 (4)利用SMARTS模式模拟了晴天总辐射和紫外辐射,由于晴天模拟没有考虑云的辐射效应,SMARTS模式给出的模拟值相比观测值一般都高,并且分布没有观测值离散,但相对于总辐射,紫外辐射差别更大、更离散。 (5)贡嘎山的总辐射云衰减率最大,平均值可达32.8%,其余各站平均衰减率在10%-20%之间；紫外辐射云衰减率也是在贡嘎山最大,观测时段内的平均值可达45.9%；北京和海伦站次之,平均值为38.9%和39.4%；太湖站最小,只有11.9%,其余各站在20%-30%之间。相比云衰减率,各站紫外辐射气溶胶衰减率都要大于总辐射气溶胶衰减率,总辐射气溶胶衰减率平均值从大到小依次为太湖(27.0%)、鼎湖山(23.1%)、千烟洲(18.4%)、北京(18.2%)、鄂尔多斯(12.7%)、三亚(10.9%)、海伦(8.1%)和贡嘎山(5.4%);紫外辐射气溶胶衰减率平均值为太湖(41.4%)、鼎湖山(35.9%)、千烟洲(29.5%)、北京(27.6%)、鄂尔多斯(20.7%)、三亚(18.4%)、海伦(13.1%)和贡嘎山(9.2%)。 (6)利用总辐射和紫外辐射云修正因子拟合建立了半经验的紫外辐射估算方法,通过站点重构值和相应观测值的对比分析,重构值与观测值的相对平均绝对偏差和相对均方根误差都在20%以内,多数站点都小于10%,这表明该方法能够很好地进行紫外辐射的重构。其中：北京没有明显的高估或者低估,相对平均绝对偏差为7.70%,相对均方根误差为9.74%。阜康站重构值存在极微弱低估,但相对平均绝对偏差和相对均方根误差只有5.30%和8.26%。鄂尔多斯站相对平均绝对偏差为8.12%,相对均方根误差为9.62%。太湖站相对平均绝对偏差为10.96%,相对均方根误差为12.72%。贡嘎山站相对平均绝对偏差为7.96%,相对均方根误差为9.88%。千烟洲站相对平均绝对偏差和相对均方根误差分别为6.28%和7.86%。鼎湖山站相对平均绝对偏差为9.48%,相对均方根误差为12.09%。三亚站相对平均绝对偏差和相对均方根误差分别为4.67%和5.94%。海伦站相对平均绝对偏差和相对均方根误差均为各站最高,但其值也只有14.68%和17.51%。由此可见,本文建立的紫外辐射重构方案具有很高的精度和适用性。
北京地区紫外辐射时间变化特征及其对气溶胶和云的响应
这是一篇关于紫外辐射,气溶胶,TUV辐射传输模式,衰减率,变化特征的论文, 主要内容为紫外辐射(Ultraviolet Radiation)是指太阳短波辐射光谱区在100～400 nm的辐射,紫外辐射制约着大气层绝大多数的光化学反应,大气中几乎所有的均相化学过程都直接或间接地与紫外辐射有关;虽然其能量在太阳辐射能中只占很小的比例(约5%左右),但由于其强烈的生物、化学效应,以及对人类健康、大气环境的影响,使紫外辐射的研究日益成为当前辐射观测研究的前沿和热门课题。但是由于紫外辐射的观测开展较晚,导致对紫外辐射长期变化特征及其成因的研究还存在明显的不足,结合辐射传输模式定量评估气溶胶对紫外辐射影响的研究也比较匮乏。为了弥补紫外辐射长期变化特征研究的不足,本文利用中国科学院大气物理研究所铁塔分部气溶胶云辐射综合观测平台2005～2020年观测的总辐射、紫外辐射、PM2.5质量浓度、常规气象要素及AERONET北京站观测的气溶胶光学特性数据,分析北京地区2005～2020年紫外辐射变化特征,揭示了气溶胶光学特征对北京地区紫外辐射变化的影响;通过利用TUV(Troposphere Ultraviolet and Visible)辐射传输模式分析紫外辐射对气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)和单次散射反照率(Single Scattering Albedo,SSA)的敏感性,定量评估了气溶胶和云对紫外辐射衰减的贡献量,为该区域气溶胶云辐射变化的研究提供科学数据支持。主要研究结果如下:1.紫外辐射呈现出明显的日、季节变化特征。日变化呈明显的单峰型,即早晚小中午大的变化规律;极大值(16.26 W/m2)出现在正午12点,而极小值(5.64 W/m2)则出现在上午8点。不同季节紫外辐射的日变化规律一致,表现为夏季>春季>秋季>冬季的特征,但日均值和极值有较大差异。春夏秋冬紫外辐射的日均值依次为14.61 W/m2、15.52 W/m2、9.77W/m2、6.37 W/m2;夏季紫外辐射日变化的极小值(9.91 W/m2),基本与冬季紫外辐射的极大值(10.11 W/m2)相持平;夏季紫外辐射的极大值(20.35 W/m2)趋近于冬季紫外辐射极大值的2倍。紫外辐射的季节变化规律为:春夏强,秋冬弱,极大值和极小值分别出现在6月(12.17 W/m2)和12月(5.40 W/m2)。2.2005～2020年北京地区紫外辐射多年呈现波动变化,整体上略有上升。北京地区紫外辐射与晴空指数变化趋势基本一致,它们存在正相关关系,相关性系数R为0.85。紫外辐射与气溶胶光学厚度(AOD)出现反位相的变化趋势,相关性系数R为-0.7。北京地区紫外辐射与PM2.5也呈现出反位相的变化趋势,相关性系数R为-0.83。3.利用TUV辐射传输模式结合原位观测数据定量评估气溶胶和云对到达地面的紫外辐射衰减的贡献;进行敏感性分析发现紫外辐射对AOD的变化更敏感,将SSA固定为0.9,当AOD从0.2增加到1.0时,紫外辐射从21.16 W/m2减小到12.64 W/m2;而当AOD维持0.64时,SSA从0.7增加到0.95,紫外辐射从14.55 W/m2增加到19.91 W/m2。2005～2020年气溶胶和云对紫外辐射衰减率的年均值分别为30.64%、40.22%;气溶胶和云对紫外辐射衰减率的月均值分别为30.48%、42.04%;气溶胶和云对紫外辐射衰减率的日均值分别为31.02%、50.45%。
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