基于多源资料的气溶胶直接辐射效应一致性与代表性研究

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气溶胶直接辐射效应(DARF;Direct Aerosol Radiative Forcing)表征了气溶胶通过散射和吸收太阳辐射引起全球或区域辐射能量收支的变化,而气溶胶的光学特性则对气溶胶辐射效应产生重要的影响。地基或卫星遥感等方式可以用于真实大气气溶胶光学特性的探测,不同的数值模式和再分析资料也为准确认识气溶胶光学特性提供重要手段。但是,由于观测方式、仪器精度、模拟能力、评估手段、研究区域和时间等因素的不同,不同研究得到的DARF结果仍存在显著差别。本文利用多源气溶胶资料(MODIS和MISR卫星反演产品、大气再分析MERRA-2和WRF-CMAQ数值案例模拟)和统一的辐射传输模拟,研究典型站点表征区域气溶胶特性的一致性与代表性。首先分析了四个典型Aerosol Robotic NETwork(AERONET)站点监测气溶胶光学特性的空间代表性,并使用统一的多源气溶胶DARF模拟算法,以北京地区为例,系统评估了2001年至2020年期间不同数据集获得的晴空DARF的差异和不确定性。本文研究发现,四个AERONET典型城市站点对于区域气溶胶平均值均有较好的代表性,站点与周围区域的气溶胶光学厚度(AOD)代表性误差在0.1以内,在经纬度1°空间范围内代表性变化有限。其中,北京站点由于排放、地形等因素影响,导致其区域内AOD呈现显著的东南高、西北低的特征,因此AERONET站点代表性略差。为了准确评估多源资料DARF间的差别,本论文使用统一的辐射传输模型以消除数值模拟过程不同导致的误差;通过考虑长时间北京站点观测与模拟,消除不同时空取样引起的误差。本论文发现,北京地区基于不同资料得到的DARF及其效率(DARF Efficiency)的相对差异在-40%到10%之间。MODIS和MISR结果与AERONET DARF结果的相关系数超过0.85,基于MERRA-2和AERONET的结果的相关系数约为0.74,由于反演误差不同,多源遥感观测得到的直接气溶胶辐射强迫不确定性在15%到30%之间。对于数值模拟,基于WRF-CMAQ案例结果获得的气溶胶直接辐射效应与观测结果存在系统性偏差,数值上只有观测结果的约三分之一。本文研究表明,当前基于多源资料获取的DARF仍存在较大的不确定性,准确认识气溶胶直接辐射效应需要更加系统的数据评估、对比和融合研究。
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