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中国海洋上空气溶胶监测及时空变化特征研究

作　者: 马玉娟
导　师: 刘玉光
学　校: 中国海洋大学
专　业: 物理海洋学
关键词: 气溶胶光学厚度（AOD） Angstrom指数时空分布时间窗口
分类号: X513
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

作为气候模拟中最不确定的因子，气溶胶在全球和区域气候变化中扮演着重要的角色。海洋上空气溶胶的沉降会对海洋水体产生重大的影响，海洋还是自然气溶胶、海盐气溶胶和水汽的主要来源。为了全面了解气溶胶粒子在生物地球化学循环和气候变化中的重要作用，需要在大范围内确定气溶胶的性质，而目前对于中国海域上空大气气溶胶的分布状况和辐射特性却由于数据资料的缺乏，而知之甚少。因此进行海洋气溶胶的联网监测，获得准确的海洋气溶胶的时空分布是我们急需解决的问题。本文进行了海洋气溶胶监测关键技术研究，包括监测仪器的反演算法、数据采集和后处理、仪器定标的研究，为海洋气溶胶业务监测网的建设和运行奠定了基础。根据太阳光度计测量气溶胶光学厚度的原理，编写了利用仪器测量电信号反演气溶胶光学厚度的程序，与仪器输出的结果相比，误差小于0.005；船基走航测量海洋气溶胶时，改变了太阳光度计的默认内置参数并对测量数据进行基于COV方法的后处理，有效的减小了船体晃动和薄云对结果的影响；在原有的地物光谱仪气溶胶光学厚度算法基础上进行了改进，消除了天空光观测时使用挡板带来的误差，反演结果的误差小于WMO要求的观测精度0.05.本文首次利用654组船基和约1万组岸岛基实测数据对中国海域气溶胶的时空分布和模态信息进行了全面的分析。渤海、北黄海、南黄海和南海四个海域相比，南海受陆地影响小且降水充沛，空气最为清洁，北黄海周边的辽宁和朝鲜工业污染较轻，空气清洁度次之；渤海受四周陆地工业污染的影响，空气最为污浊，只在渤海西侧北戴河至曹妃甸沿岸海域和渤海中部，大气比较清洁；南黄海海域受临近的山东、江苏和长三角工业污染和海雾的影响，空气也比较污浊。Angstrom指数α在莱州湾、辽东湾、渤海海峡、辽河口、威海北部、大连东部等沿岸海域随地域变化较大，而在外海变化相对较小；当空气比较清洁（β<0.2）时，气溶胶成分的变化成为AOD变化的主要原因，α与AOD一般呈正相关；而空气比较浑浊（β>0.2）时，AOD变化的影响因子也比较多，AOD与α没有明确的关系，只在某些断面α与AOD呈负相关。渤黄海海域冬季寒冷干燥，AOD为全年的极小值，春夏季受到沙尘暴和海雾的影响，AOD为全年的极大值。位于黄海的圆岛气溶胶监测站可以很好地反映这种趋势，而位于大连岸边的监测站，冬季受到供暖产生的烟雾气溶胶的影响，AOD为全年最大值，不能很好地反映渤黄海海域海洋气溶胶的变化情况。南方海域，AOD极大值出现在冬季，到了夏秋季，因为大量降水的冲刷和盛行东南风带来的海盐气溶胶，AOD为全年极小值。位于东海的三沙监测站和南海的大万山监测站都是这种情况。根据Angstrom指数和浑浊度系数性质的不同，将中国海洋气溶胶分为三个模态（主要适用于北方海域），清洁大气型气溶胶（背景气溶胶）、沙尘型气溶胶、混合模态型气溶胶。其中清洁大气性气溶胶占总数的55%，可作为中国海域的背景气溶胶；沙尘型气溶胶占12%，主要受陆地沙尘影响，分布在沿岸海域；混合模态型气溶胶占33%。本文利用长时间AOD序列分析了不同时间窗口下气溶胶的变化规律，为卫星数据真实性检验最佳时间窗口的选择和反演误差的分析提供了依据。气溶胶光学厚度较小时，它的变化也比较小；气溶胶光学厚度较大时，它的变化也比较大。随着时间窗口的增大，窗口下的气溶胶光学厚度序列的平均相对误差和平均绝对误差也逐渐增大。在同一个时间窗口，随着AOD的增大，平均绝对误差分布范围增大，均值增大，而平均相对误差变化不大。AOD变化小的站点，时间窗口可以选的大一些；而AOD变化较剧烈的站点，时间窗口就要相应减小。气溶胶光学厚度卫星遥感数据真实性检验在中国海域的时间窗口不应超过±0.5h。研究期间，作者承担了海洋观测技术规范关于气溶胶观测规范的编写工作，并撰写了5篇科研论文，其中3篇已发表，1篇待发表，1篇在审稿中。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1.前言  12-27
  1.1. 目的和意义  12-14
  1.2. 气溶胶简介  14-17
    1.2.1. 定义  14
    1.2.2. 来源  14-15
    1.2.3. 消除  15-17
  1.3. 气溶胶的环境和气候效应  17-19
  1.4. 国内外研究现状  19-26
    1.4.1. 重大气溶胶研究计划  19-20
    1.4.2. 大型气溶胶观测网络  20-24
    1.4.3. 中国气溶胶光学厚度研究进展  24-26
  1.5. 本文内容与作者贡献  26-27
2.气溶胶监测基础理论与测量方法  27-35
  2.1. 引言  27
  2.2. 测量原理  27-28
  2.3. 测量方法  28-30
    2.3.1. 宽带太阳光谱法  28-29
    2.3.2. 窄带太阳光谱法  29-30
  2.4. 测量仪器  30-34
    2.4.1. 精密滤光辐射表（PFR）  30-31
    2.4.2. CE318 型全自动太阳光度计  31-33
    2.4.3. MicrotopsⅡ型手持式太阳光度计  33-34
  2.5. 小结  34-35
3. 海洋气溶胶监测关键技术研究  35-51
  3.1. 基于太阳光度计的气溶胶光学厚度算法  35-38
  3.2. 气溶胶走航数据获取和后处理技术  38-40
    3.2.1. 太阳光度计内置参数设置  38
    3.2.2. 数据后处理  38-40
  3.3. 气溶胶岸岛基定点数据的滤云技术  40-41
  3.4. 太阳光度计定标技术研究  41-44
    3.4.1. 绝对定标方法（Langely 定标法）  41-43
    3.4.2. 交叉定标方法  43-44
  3.5. 基于地物光谱仪的气溶胶反演算法改进技术  44-50
    3.5.1. 数据与方法  45-46
    3.5.2. 结果与讨论  46-50
  3.6. 小结  50-51
4. 沿海城市气溶胶光学特性研究（以青岛为例）  51-58
  4.1. 引言  51
  4.2. 数据与方法  51-52
  4.3. 分析与讨论  52-57
    4.3.1. 大气吸收和散射特征分析  52-54
    4.3.2. 气溶胶特征随时间的变化分析  54-55
    4.3.3. 气溶胶散射的日内变化  55
    4.3.4. 晴天和雾天时的气溶胶特征分析  55-57
  4.4. 总结  57-58
5. 典型海洋岸岛基监测站气溶胶光学特性研究与对比  58-72
  5.1. 引言  58
  5.2. 研究区域介绍和站点代表性分析  58-59
  5.3. 数据与方法  59-60
  5.4. 结果与讨论  60-70
    5.4.1. 大连岸基站  60-63
    5.4.2. 圆岛岛基站  63-65
    5.4.3. 三沙岸基站  65-68
    5.4.4. 大万山岛基站  68-70
  5.5. 结论  70-72
6. 中国海洋上空气溶胶光学特性时空分布研究  72-101
  6.1. 渤海海洋气溶胶光学特性时空分布研究  72-79
    6.1.1. 研究区域简介  72
    6.1.2. 数据与方法  72-73
    6.1.3. 结果与讨论  73-79
    6.1.4. 结论  79
  6.2. 不同海区海洋气溶胶光学特性时空分布及对比  79-101
    6.2.1. 研究区域介绍  80
    6.2.2. 数据与方法  80-83
    6.2.3. 结果与讨论  83-98
    6.2.4. 结论  98-101
7. 中国近海气溶胶卫星数据真实性检验最佳时间窗口研究  101-111
  7.1. 引言  101
  7.2. 数据与方法  101
  7.3. 结果与讨论  101-109
    7.3.1. 海洋气溶胶的日变化  101-104
    7.3.2. 不同时间窗口下 AOD 的变化规律  104-107
    7.3.3. 卫星真实性检验时间窗口的选择  107-109
  7.4. 结论  109-111
8. 中国海洋气溶胶业务监测网的建设与进展  111-117
  8.1. 示范性监测  111-113
    8.1.1. 圆岛海洋气溶胶示范站的建设  111-112
    8.1.2. 海洋气溶胶船基走航示范性监测的开展  112-113
  8.2. 业务监测网络建设及业务运行  113-114
    8.2.1. 岛基监测  113-114
    8.2.2. 走航监测  114
  8.3. 技术规程编制  114-115
  8.4. 技术支持  115-117
    8.4.1. 各海区技术人员培训  115-116
    8.4.2. 技术指导  116-117
9. 总结与展望  117-123
  9.1. 全文总结  117-122
    9.1.1. 地物光谱仪气溶胶反演算法的改进  117-118
    9.1.2. 中国沿海岸岛基站点代表性及光学特性分析  118-119
    9.1.3. 中国海域气溶胶光学特性时空分布研究  119-121
    9.1.4. 卫星数据验证时间窗口选择研究  121-122
  9.2. 展望  122-123
参考文献  123-131
致谢  131-132
个人简历  132-133
发表的学术论文与研究成果  133

中国海洋上空气溶胶监测及时空变化特征研究

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