郑州地区的气溶胶光学厚度的反演

张如华,葛 亮

(上海电力学院,上海 201300)

郑州地区的气溶胶光学厚度的反演

张如华,葛 亮∗

(上海电力学院,上海 201300)

文章中利用Elterman应用Mc Clatchey等人[1-2]提出的气溶胶光学厚度计算方法,并结合邱金桓等[3]发展的气溶胶光学厚度计算模式,利用计算机程序,综合应用郑州地区气象台站地面气象能见度和气象台站水汽压反演大气柱气溶胶光学厚度的参数化计算机计算模型。

计算模型,能见度,气溶胶光学厚度

1 建立计算模型

文章中能见度的计算是利用能见度反演气溶

大气气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物组成的体系,微粒直径范围通常在0.01μm到100μm之间。由于它是由不同相态物体组成,虽然其含量很少,但对大气中发生的许多物理化学过程都有重要的影响。大气气溶胶分布与变化,包括其成分、光学特征、粒谱分布与时空分布是当前全球和区域性大气环境与气候变化所关注的焦点内容之一[4]。大气气溶胶为大气环境化学提供反应床影响大气的各种化学作用,影响人类健康,同时还影响大气能见度、太阳散射和辐射、大气温度等,进一步影响光伏发电,引起了相关人士的重点关注。但由于它在大气中的停留时间较短,其特性随空间和时间都有明显的变化,因此到目前为止,尚且还缺少足够的数据来研究大气气溶胶对气候系统的确切影响。胶光学厚度根据气象能见度V的定义,它与0.55 μm波长消光系数σ0.55的关系为:

假设Junge气溶胶谱分布,即σλ,且V∗=3不随高度变化。在这些假设和标准的地面温度(15℃)与气压(1 013 hPa)条件下,在z高度λ波长的气溶胶消光系数σλ可表为:

NAz,NA0分别为地面和z高度上的气溶胶粒子浓度。

在标准状况下(T=15℃,P=1 013 hPa),Elterman应用Mc Clatchey等人提出的气溶胶粒子浓度NAz随高度的分布[1-2],建立了z海拔高度上气象台实际观测的能见度Vz与订正到海平面的能见度V的关系,即:

由此可推得大气气溶胶光学厚度τλE为:

其中,H1=0.886+0.0222 V(单位:千米), H2=3.77 km,v∗为 Junge参数,文章中取值为-1.1或-1。

邱金桓等[3]在此基础上发展了一个比较合适中国特点的气溶胶光学厚度计算模式,利用地面水汽压,对大气气溶胶光学厚度τλ与海平面能见度V(单位:km)之间的关系进行了订正,得到:

对上式中的订正系数f,选取两种不同的模式。对东北的沈阳和哈尔滨两地:

f=e-0.32+0.02Vz

对中国东北以外的其他地区:

f=e(0.43+0.0046Pw+0.015Vz)exp(-0.0047Vz2/Pw)

其中Pw为地面水汽压(单位:hPa)。

根据能见度反演气溶胶光学厚度的方法,对邱金恒等[3]发展的气溶胶光学厚度计算模式,结合郑州地区的实际情况,利用c++编程语言建立了一个气溶胶光学厚度计算模型。

文章中选取郑州气象台站2008年观测记录的水平能见度、地面水汽压为研究对象。在该段时间内,气象台站周边环境和站址均无明显变化,资料具有一致性。所涉及的水平能见度及地面水汽压均为月平均值.海拔高度取郑州的郑州气象站观察高度0.110 4 km。

2 数据与分析

2.1 程序设计

文章中是根据邱金桓等[3]等发展的气溶胶光学厚度模型,根据郑州地区的水平能见度、地面水汽压等观测数据,利用C++程序设计语言编写的计算程序。

图1 气溶胶光学厚度计算模型操作界面

如图1所示,为气溶胶光学厚度计算的计算机程序计算操作界面。当在界面上输入相应数据,就可利用观测站海平面高度、水汽压和能见度、以及光的波长和Junge谱参数,自动计算出气溶胶光学厚度。参数Junge随大气中物质成分和光的波长变化的量,不是常数,郑州地区中取值为-1.1。

2.2 结果分析

郑州的全年的水汽压和能见度的来自气象台,处理后如表1、表2所示。

表1 郑州2008年各月平均水汽压:(单位:hPa)

表2 郑州2008年各月平均能见度表格:(单位:km)

根据表1、表2中的数据以及已知参数,利用已编写的计算程序,可以计算出郑州2008年各月气溶胶光学厚度,如图2所示。

图2 郑州2008年各月气溶胶光学厚度

如图2所示,为郑州2008年各月气溶胶光学厚度变化曲线。如表1所示,为郑州2008各月平均水汽压。7、8月份水汽压比较高,气温和,水汽压较高,湍流剧烈,混和层厚度较高,有利于近地层气溶胶的向上输送;其次高温高湿加快“气-粒”转化过程,有利于二次粒子的形成和水溶性气溶胶的吸湿膨胀。因此,夏季的高温高湿是夏季气溶胶光学厚度较高的主要原因。冬季气溶胶光学厚度较低,波长指数较大,细颗粒为主控粒子,且冬天气不稳定,变化频繁,冷空气活动频繁,冷空气活动带来的大风天气对气溶胶粒子的扩散和输送极为有利,造成郑州地区气溶胶光学厚度较小的现象。

3 结 论

文章中综合应用气象台站地面气象能见度、气象台站水汽压等参数,根据邱金桓等[3]发展的气溶胶光学厚度模型,建立了一个反演大气气溶胶光学厚度的参数化计算模型。把观测站的能见度转化为海平面上的能见度,通过参数修正,来实现气溶胶光学厚度的反演,利用C++程序设计语言编写出计算程序。并对计算结果分析总结,得出以下结论:

(1)气溶胶光学厚度与各月平均水汽压密切相关。水汽压较高,有利于近地层气溶胶向上输送,水溶性气溶胶粒子吸湿膨胀,使得气溶胶光学厚度变大。天气干燥,水汽压较低,气温较低,冷空气频繁的活动带来的大风,加速了气溶胶粒子的扩散和输送,致使气溶胶光学厚度较小。

(2)气溶胶光学厚度的意义是从地面到大气层顶大气柱上气溶胶对辐射的吸收和散射,而常规气象观测的测值主要反映近地面的气象状态,因此高空气象条件对气溶胶光学厚度也有显著的影响,这是文章中所没有考虑的。

[1] Elterman L. Relationships Between Vertical Attenuation and Surface Meteorological Range[J]. Appl Opt,1970,9:1804-1810.

[2] McClatchey R A,Fenn R W,Selby J E A.Optical Properties of Atmosphere[J].AFCRL,1992.

[3] 秦世广,石广玉,陈林,等.利用地面水平能见度估算并分析中国地区气溶胶光学厚度长期变化特征[J].大气科学,2010,34(2):449-456.

[4] 宋磊,吕达仁.上海地区大气气溶胶光学特性的初步研究[J].气候与环境研究,1006-9585(2006)02-0203-06.

Retrieval of Aerosol Optical Thickness in Zhengzhou Region

ZHANG Ru-hua,GE Liang
(Shanghai University of Power,Shanghai201300)

Using Elterman,it applies the aerosol optical thickness computation method suggested by Mc Clatchey et.al.incorporates the aerosol optical thickness calculation formula developed by Qiu Jinhuan et.al. in order to,with the aid of computer programs,retrieve the parameterized computermodel for computing atmosphere column aerosol optical thickness by utilizing comprehensively the visibility and the water vapor pressure data registered by themeteorological observatories in Zhengzhou region.

computation model;visibility;aerosol optical thickness

O 4-39

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.012

1007-2934(2015)06-0040-03

2015-07-22

国家大学生科研创新基金;上海市大学生科研创新项目

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