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大气气溶胶因其独有的辐射、气候以及环境效应日益成为大气科学领域的研究热点之一。本文以新一代多光谱、多角度偏振探测器POLDER(Polarization and Directionality of the Earths Reflectances)气溶胶产品为基础,结合地面AERONET(Aerosol Robotic Network)观测资料、中分辨率成像光谱仪MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)气溶胶数据、星载激光雷达CALIOP(Cloud-Aerosol Lidar with Orhogonal Polarization)气溶胶层产品和近地面PM2.5浓度观测数据,研究了东亚地区对流层气溶胶的光学特性,并将POLDER气溶胶产品首度应用于该区域的空气质量评估。主要研究结果如下:
1)利用东亚地区14个地基AERONET/PHOTONS站点提供的Level1.5气溶胶产品,对POLDER-3/PARASOL Level2陆地气溶胶产品进行验证。经时空匹配之后,POLDER-3反演得到的气溶胶光学厚度与由AERONET观测资料计算得到的细粒子(截断半径为0.30μm)气溶胶光学厚度具有很好的一致性,两者的相关系数高达0.92。由此可知,POLDER-3的气溶胶业务产品对于主要源于人为排放的细粒子较为敏感,可以用于监测和研究人口比较密集的城市地区气溶胶的光学特性,并为制定有效的气溶胶排放控制策略提供一定依据。
2)采用经过验证的2005到2011长达六年的POLDER-3 Level2陆地气溶胶产品,分析了东亚地区细粒子气溶胶的空间分布特征及其季节变化。结果表明,细粒子气溶胶的分布与人类活动有着密切的联系,且具有显著的季节差异。此外,通过联合采用POLDER-2的气溶胶产品,我们分析了2003到2010年间华北地区(特别是北京地区)夏季气溶胶的年际变化趋势,借此在一定程度上对我国在奥运期间采取的一系列减排措施的有效性进行评估。研究发现:2003、2007和2010夏季的气溶胶光学厚度相对较高,2008年夏季气溶胶光学厚度并没有明显降低;六月和七月的月平均气溶胶光学厚度呈现出较为一致的年际变化趋势,而八月则明显不同。
3)考虑到POLDER和MODIS不同的仪器特性及反演机理,我们将POLDER气溶胶产品与MODIS相融合,进而对东亚地区粗模态气溶胶的空间分布特征及其季节变化进行研究。首先,我们利用AERONET气溶胶观测资料对POLDER和MODIS Level2陆地气溶胶产品进行协同验证。结果表明:MODIS气溶胶产品在对细粒子气溶胶的敏感度上不及POLDER,但是却能够较为精确的反演气溶胶总的光学厚度。通过对POLDER和MODIS(陆地和海洋上空)气溶胶产品进行比较、融合,我们在给出东亚地区陆地上空粗模态气溶胶空间、季节变化特征的同时,也分析了海面上空粗粒子气溶胶的分布特征及海、陆气溶胶之间传输状况。
4)基于POLDER气溶胶产品对细粒子气溶胶高度的敏感性,我们首度尝试将POLDER气溶胶产品应用于北京及周边地区空气质量的评估。首先,我们分析了该区域近地面PM2.5浓度和POLDER气溶胶光学厚度月变化及年际变化趋势,并建立了POLDER气溶胶光学厚度与近地面PM2.5浓度之间简单的经验关系式。在此基础上,我们由POLDER气溶胶光学厚度来估算对应的PM2.5浓度值,进而根据由美国环境保护总署(EPA)制定的空气质量等级标准来评估空气质量等级,并给出相应的评估精度。最后,我们还分析了影响评估精度的关键性因子,并给出相应的改进方案。