南非生物质粒子燃烧单次散射反照率的季节变化趋势。外文翻译资料

英语原文共 19 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

翻译

南非生物质粒子燃烧单次散射反照率的季节变化趋势。

1. 引言

南部非洲一直被认为是世界上最大的单一生物质燃烧排放源。因此，这个区域的温室气体、气溶胶或黑碳排放对于任何全球规划都很重要。这一地区气溶胶研究的一个重要课题是粒子光吸收。AERONET站点通过太阳天空辐射计并使用常见的校准和数据处理程序的方法测量全球范围内气溶胶吸收光谱。在任何AERONET测量站点吸收最多的气溶胶粒子（最低的单散射反照率（SSA））是发生在非洲南部的热带稀树草原燃烧区赞比亚生物质燃烧季节。这是由于在稀树草原环境中的草燃烧过程中发生的燃烧与闷烧燃烧的相对较高的比例，与其他一些环境中木质燃料闷烧燃烧的较大比例相比，如在沃德等人控制的烧伤中原位测量的结果。

从气候的观点来看，气溶胶吸收是影响大气顶部气溶胶直接辐射强迫、地表太阳辐射和气溶胶层辐射加热的一个关键参数。所有这些对于大气稳定度和可能通过影响云的半直积有重大影响。SSA谱的季节变化已观察到发生在AERONET一些地方有不同的混合物细和粗模态气溶胶粒子，与两个不同的气溶胶类型的相对丰度（即沙尘和污染或烟雾）导致的年际变化。此外，lyapustin等人的AERONET检测SSA，北京气溶胶吸收多年趋势，由于大幅增加吸收增加AOD的敏感性可能使得气溶胶光学厚度（AODS）很高。这些结果表明，使用固定的SSA值可能导致某些地方强迫计算的不确定性。

非洲南部其显著的烟雾粒子的来源，高值、低颗粒SSA，有时复杂海岸积层混合云模式，我们预计这给气溶胶粒子在大气中带来显著影响。然而，各种各样的假设可以在粒子的性质如SSA利于参数化吸收。比如最近Chand等人[ 2009 ]，sakaeda等人[ 2011 ]，Wilcox[ 2012 ]估计直接和半直接强迫生物质燃烧气溶胶层积云向热带大西洋西部海岸非洲辐射。柱状SSA 利于sakaeda等人计算范围从0.97到0.86。这一范围广泛的计算SSA值部分是由于气溶胶种类的变化，而不是包含在模型中的碳质物种。另一方面，Wilcox[ 2012 ]认为在七月-九月550 nm处 SSA恒定值为0.89，而Chand认为七月-十月的中值恒定为0.85。假设在这里报道的SSA值的多样性转化为在区域气候中气溶胶粒子的影响的全社会不确定性，特别是对于气溶胶颗粒增强气溶胶吸收的情况。

气溶胶吸收和SSA的第二个重要领域是一些卫星AOD反演的敏感性。粒子的吸收，特别是在多散射环境（AOD gt; 0.5），通过使用卫星辐射推出AOD，这在大气层顶（TOA）起到越来越重要的作用。一些算法，例如在地面推算SSAS的计算中利用卫星的中分辨率成像光谱仪（MODIS）C5算法，一些产品如利用多角度成像光谱辐射计（MISR）算法试图解释不同的吸收对AOD检索的影响。Robles-Gonzalez 和 de Leeuw提出了一种试图利用ATSR-2数据说明在气溶胶吸收变化的卫星反演算法。将该算法应用于非洲南部的数据，然而他们得出结论：由于生物质燃烧产生的强吸收气溶胶，气溶胶的特性没有得到准确的反演。 最近，Holzer- Popp 等人[ 2013 ]讨论了几种应用于欧洲地球观测卫星传感器数据的卫星反演算法，其中一些解释了气溶胶吸收特性的变化。

随着高度和一致的气溶胶信号，南非洲芒古网站已被广泛应用于判定区域气溶胶的卫星产品。事实上，这是唯一的AERONET站点长期接近南非的烟雾，许多AOD验证研究依赖于这个特定的网站。例如，ichoku等人发现在早先MODIS反演的南非洲区域在该区域的SSA值为0.90，这是由于MODIS传感器对AOD明显的低估，特别是在高的AOD下，而假设在470 nm时值为0.87的则会得到更为精确的值。即使在多次反复，MODIS C5算法仍然保留了大量的区域低偏差，这是由于吸收，卡恩等人的假设还包括MISR的性能指标对南部非洲的生物质燃烧使用的来自芒古为代表的网站的数据。

在早期的芒古AERONET站点分析，值得注意的是，南部非洲烟羽单散射反照率具有重要和强大的季节性周期。这导致了周期对烟雾辐射强迫和世界最大烟雾来源的卫星AOD反演的影响。此外，还有一些关于如何进一步从卫星数据中消除烟雾排放的问题。在本文中，我们将集中研究非洲南部地区AERONET站点在七月至十一月生物质燃烧的季节气溶胶吸收的季节性变化。在第一部分中，我们描述了在芒古网站烟气中单散射反照率的季节性变化的性质。第二部分中，我们研究多样的卫星产品对气溶胶单次散射反照率的影响，例如前述的MODIS和MISR反演气溶胶光学厚度。此外，我们最近研究的算法已经发展到利用卫星测量紫外辐射从而反演气溶胶SSA。最后讨论我们得出的气溶胶辐射强迫和烟源震级的逆建模估计影响。

1. 仪器、研究地点、数据和技术

2.1 研究区域与AERONET站点

地图显示的AERONET中天基辐射计在本研究中使用的位置是在图1a所示。主要AERONET站点分析是芒古赞比亚地区，位于赞比亚西部，选择在这一地区是因为这地区具有广泛的草原燃烧的生物质燃烧气溶胶的特点。气溶胶光学特性的测量设置在芒古，其数据在任何AERONET站点持续时间最长、最完整，从1995年6月开始持续到2009 年。

图1：（a）从2001年到2005年，从MISR中取得的平均隐形AOD，用于6月至10月主要南部非洲燃烧季节的月份。还显示了本文讨论的AERONET站点位于生物质燃烧区域内。（b）从2007年8月21日开始的单日MODIS图像，显示红色火灾数量和蒙古AERONET地点的位置。

然而，对芒古的SSA反演从2005到2009不可用，可能是由于温度传感器或障碍物在准直器测量天空辐射问题。 其他进行分析的AERONET站点位于埃托沙盐沼国家公园、纳米比亚和南非的Skukuza。分析的时间段是七月至十一月初，与农业实践和土地管理相关的生物质燃烧相吻合，因此较高的AOD来自于生物质燃烧。在这一地区的生物质燃烧多发季节，反气旋环流下沉是一个主要的气象特征，对流层中确定的四个稳定的垂直层。在南非的相关站点Safari 2000利用微脉冲激光雷达观测反演温度垂直分层气溶胶。这种稳定的大气常常起源于生物质燃烧季节在地面上空的无云或近乎无云的天空条件。

2.2 AERONET仪器使用

Cimel Electronique CE-318太阳天空辐射计测量，本文叙述的仪器是AERONET的全球网络的一部分。这些仪器的详细描述在Holben等人的论文中[ 1998 ]但是这里将作简短的说明。自动跟踪太阳和天空扫描辐射计直接测量太阳1.2全视野每15分钟在340, 380, 440、500, 675, 870、940nm和1020 nm（标准波长）。直接太阳测量利用电机驱动的滤光片轮定位探测器前面的每个滤光片每8秒就可扫描所有八个波长， 这些太阳能消光测量然后再计算除了940 nm的通道之外的每个波长的气溶胶光学厚度（AOD），这是用来测得总柱状（或沉淀）厘米的水蒸气。在这些仪器中使用的滤波器是离子辅助沉积干涉滤光片，除了在2 nm带通的340和380 nm通道，一般带通（半宽度的全宽度）为10nm。估计测量AOD的不确定度，主要由于校准的不确定，是由于~ 0.010–0.021现场仪器（频谱是依赖在紫外明显错误）。Schmid等人对比了来自四个不同的太阳辐射计的AOD值（包括AERONET太阳天空辐射计）同时在田间试验并发现从380到1020 nm的AOD值都在0.015（均方根；RMS），在现场仪表与测量不确定度水平相当时这个结果与我们的估计类似。对光谱的气溶胶光学厚度数据（所有数据AERONET 2版2级）进行了筛选，Smirnov等人的遮蔽云层的方法论〔2000〕，这依赖于云层光学厚度与气溶胶光学厚度的较大时间差。由太阳/天空辐射计测量天空亮度校准与在NASA哥达德太空飞行中心的2米积分球校准，绝对精度为~ 5%或以上更好。

2.3.反演方法

在等高圈几何CIMEL天空亮度测量（固定仰角等于太阳高度和全360方位扫描）在440, 675, 870和1020 nm（标称波长）与太阳直接测量AOD连接在这些相同的波长被用来获取光学等效的气溶胶谱分布和折射率。利用这一微物理信息，计算了SSA的谱依赖性。dubovik和king[ 2000 ]增强dubovik等人详细的算法[ 2006 ]称为版本2 AERONET检索，利用这些方法，保证了2级质量检索[ Holben等人，2006 ]。版本2 AERONET算法决定球的百分比（与球形）要求提供最合适的测量光谱天空辐射的角分布的颗粒。在2版算法的进一步细节和表面双向反射率改进的规范可以在dubovik等人[ 2006 ]和Eck等人[ 2008 ]的文章中找到。

等高圈天空亮度的测量是在4, 3, 2和1.7在上午和下午的气团，在此时间内每小时测一次。为了确保天空亮度数据在很宽的范围内的散射角，在太阳天顶角只对等高圈扫描（SZA）大于50进行了分析和介绍 。消除从地平纬圈方向天空亮度数据云污染，我们要求辐射对称两边的太阳在相同的散射角。反演算法的性能稳定了dubovik等人进行的敏感性研究〔2000〕分析了大气辐射模型中随机误差、可能的仪器偏移和已知的不确定性所引起的反演的误差。他们的文章用已知尺寸分布演示模式半径成功检索和各种类型的双峰分布的方法反演试验，如那些由亚微米的积累模式或分布的超微粗模态气溶胶主导模式的相对大小。为了确保对于气溶胶吸收具有足够的灵敏度，只用等高圈扫描，AOD（440 nm）gt; 0.4 [ dubovik et al.，2000 ]进行分析的光谱折射率和单次散射反照率特性的研究。虽然很少直接比较原位和AERONET反演出的气溶胶之间的大小分布，仍有在特定地区已经可以比较不同的气溶胶类型。例如Reid等人[ 2005a ]所列表为对不同地区主要生物质燃烧烟气量中值半径（南美洲、非洲南部、北美洲（寒带、温带））进行比较。所有这三个地区的原位与AERONET反演体积中值直径通常在0.01毫米左右。此外，Leahy等人[ 2007 ]发现精细模式生物质燃烧气溶胶在非洲南部（包括赞比亚）平均差异在550 nm的SSA之间的在现场测量和五重合的航班0.01 AERONET反演的AERONET站点，表现出良好的一致性。

2.4.MODIS和MISR卫星反演气溶胶光学厚度

在这项研究中，我们研究了从三个主要卫星数据集反演AOD由SSA引起的潜在偏差。首先，在Levy等人[2007年A]，共同使用AERONET AOD数据在芒古网站内的立交桥30分地面MODIS C5产品。这些反演的大小从最低点的1010公里，到长条边缘的4020公里不等。Hyer等人比较从芒古AERONET探测站点2005–2008年MODIS反演的AOD发现R2 0.61/0.56和特拉和Aqua MODIS 0.83/0.88斜率偏差。在南部非洲的大部分地区，Hyer等人发现预测均方根误差大于0.06或者对于Terra为0.00 0.28 AODT 和在Aqua 为0.07 or 0.02 0.39 *AODA。这种均方差误差的大部分可以归因于斜率偏差。在本文中，我们还研究了MISR V22反演，利用MODIS C5算法。据我们所知，RMS误差还没有被该网站详细阐述，对于这个问题我们将在本文后面介绍。在MODIS和MISR数据中内部对比Shi等人说明了合理的回归系数（R2范围从collocated retrievals 0.7 to 0.85）的目标以及MODIS有20%的高值。这一结果是在基于AERONET比较优势。

除了标准的操作MODIS和MISR的产品，我们还研究了由美国海军使用的3级操作数据同化MODIS产品。在该产品中，对许多已知工件进行数据筛选，对区域范围的偏差进行回归校正，并生成最终的11个聚合产品。 估计预后均方根误差这个产品是0.05或0.03 0.19Terra 0.05 AODT或0.01 0.21 *AODA。这种改进的大部分是由于区域斜坡校正的实施。

2.5.OMI卫星反演SSA

自2004年9月臭氧监测仪（OMI）Aqua卫星上的高分辨率摄谱仪开始运作。OMI观测在354 nm和388 nm用于反演算法（omaeruv）测得的气溶胶单次散射反照率。检测和量化近紫外气溶胶吸收的物理基础是分子散射和粒子吸收之间的相互作用，它产生与气溶胶吸收明显相关的唯一信号。这种辐射传递相互作用是吸收气溶胶指数的基础，它是气溶胶吸收的一个定性指标，最初是从ToMS观测资料中发展出来的。从那时起，用于具有近紫外观测能力的传感器进行常规观测。气溶胶吸收的定量信息可以通过反演过程得到，omaeruv检索技术使用预先计算的辐射率在354和388 nm的同时反演气溶胶光学厚度和单次散射反照率。粒子大小分布和气溶胶层高度的先验信息是必需的。Torres等人给出了算法细节[ 2007 ]，最近由Jethva和Torres[ 2011 ]和Torres等人讨论使其升级。

1. 结果
   1. AERONET气溶胶吸收数据的季节性变化

赞比亚蒙古AERONET现场的Cimel太阳辐射计测量多年，提供了最完整的数据集，以研究南部非洲生物质燃烧区域的气溶胶光学深度和吸收的季节性。在图thinsp; 2中，我们提供了从1995年到2009年的测量结果，在Mongu的 2级直接日照测量的500 nm AOD的月平均值，与Queface等人所显示的相似。[ 2011]。月平均值是从日平均值计算得出的，每月最少9天用作良好抽样的阈值，从而导致每月平均8至13年的平均数据。蒙古生物燃烧季节开始于6月份，AOD升高，11月结束。在图中还示出thinsp; 2是被从所描述的光谱反卷积方法（SDA）计算出的细和粗模式AOD值ouml; Neill等人。[ 2001年，2003年]基

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[22873]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word