鄭州地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度的反演

張如華,葛 亮

(上海電力學(xué)院,上海 201300)

鄭州地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度的反演

張如華,葛 亮?

(上海電力學(xué)院,上海 201300)

文章中利用Elterman應(yīng)用Mc Clatchey等人[1-2]提出的氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算方法,并結(jié)合邱金桓等[3]發(fā)展的氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算模式,利用計(jì)算機(jī)程序,綜合應(yīng)用鄭州地區(qū)氣象臺站地面氣象能見度和氣象臺站水汽壓反演大氣柱氣溶膠光學(xué)厚度的參數(shù)化計(jì)算機(jī)計(jì)算模型。

計(jì)算模型,能見度,氣溶膠光學(xué)厚度

1 建立計(jì)算模型

文章中能見度的計(jì)算是利用能見度反演氣溶

大氣氣溶膠是由大氣介質(zhì)和混合于其中的固體或液體顆粒物組成的體系,微粒直徑范圍通常在0.01μm到100μm之間。由于它是由不同相態(tài)物體組成,雖然其含量很少,但對大氣中發(fā)生的許多物理化學(xué)過程都有重要的影響。大氣氣溶膠分布與變化,包括其成分、光學(xué)特征、粒譜分布與時(shí)空分布是當(dāng)前全球和區(qū)域性大氣環(huán)境與氣候變化所關(guān)注的焦點(diǎn)內(nèi)容之一[4]。大氣氣溶膠為大氣環(huán)境化學(xué)提供反應(yīng)床影響大氣的各種化學(xué)作用,影響人類健康,同時(shí)還影響大氣能見度、太陽散射和輻射、大氣溫度等,進(jìn)一步影響光伏發(fā)電,引起了相關(guān)人士的重點(diǎn)關(guān)注。但由于它在大氣中的停留時(shí)間較短,其特性隨空間和時(shí)間都有明顯的變化,因此到目前為止,尚且還缺少足夠的數(shù)據(jù)來研究大氣氣溶膠對氣候系統(tǒng)的確切影響。膠光學(xué)厚度根據(jù)氣象能見度V的定義,它與0.55 μm波長消光系數(shù)σ0.55的關(guān)系為:

假設(shè)Junge氣溶膠譜分布,即σλ,且V?=3不隨高度變化。在這些假設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)的地面溫度(15℃)與氣壓(1 013 hPa)條件下,在z高度λ波長的氣溶膠消光系數(shù)σλ可表為:

NAz,NA0分別為地面和z高度上的氣溶膠粒子濃度。

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下(T=15℃,P=1 013 hPa),Elterman應(yīng)用Mc Clatchey等人提出的氣溶膠粒子濃度NAz隨高度的分布[1-2],建立了z海拔高度上氣象臺實(shí)際觀測的能見度Vz與訂正到海平面的能見度V的關(guān)系,即:

由此可推得大氣氣溶膠光學(xué)厚度τλE為:

其中,H1=0.886+0.0222 V(單位:千米), H2=3.77 km,v?為 Junge參數(shù),文章中取值為-1.1或-1。

邱金桓等[3]在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一個(gè)比較合適中國特點(diǎn)的氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算模式,利用地面水汽壓,對大氣氣溶膠光學(xué)厚度τλ與海平面能見度V(單位:km)之間的關(guān)系進(jìn)行了訂正,得到:

對上式中的訂正系數(shù)f,選取兩種不同的模式。對東北的沈陽和哈爾濱兩地:

f=e-0.32+0.02Vz

對中國東北以外的其他地區(qū):

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

其中Pw為地面水汽壓(單位:hPa)。

根據(jù)能見度反演氣溶膠光學(xué)厚度的方法,對邱金恒等[3]發(fā)展的氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算模式,結(jié)合鄭州地區(qū)的實(shí)際情況,利用c++編程語言建立了一個(gè)氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算模型。

文章中選取鄭州氣象臺站2008年觀測記錄的水平能見度、地面水汽壓為研究對象。在該段時(shí)間內(nèi),氣象臺站周邊環(huán)境和站址均無明顯變化,資料具有一致性。所涉及的水平能見度及地面水汽壓均為月平均值.海拔高度取鄭州的鄭州氣象站觀察高度0.110 4 km。

2 數(shù)據(jù)與分析

2.1 程序設(shè)計(jì)

文章中是根據(jù)邱金桓等[3]等發(fā)展的氣溶膠光學(xué)厚度模型,根據(jù)鄭州地區(qū)的水平能見度、地面水汽壓等觀測數(shù)據(jù),利用C++程序設(shè)計(jì)語言編寫的計(jì)算程序。

圖1 氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算模型操作界面

如圖1所示,為氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序計(jì)算操作界面。當(dāng)在界面上輸入相應(yīng)數(shù)據(jù),就可利用觀測站海平面高度、水汽壓和能見度、以及光的波長和Junge譜參數(shù),自動(dòng)計(jì)算出氣溶膠光學(xué)厚度。參數(shù)Junge隨大氣中物質(zhì)成分和光的波長變化的量,不是常數(shù),鄭州地區(qū)中取值為-1.1。

2.2 結(jié)果分析

鄭州的全年的水汽壓和能見度的來自氣象臺,處理后如表1、表2所示。

表1 鄭州2008年各月平均水汽壓:(單位:hPa)

表2 鄭州2008年各月平均能見度表格:(單位:km)

根據(jù)表1、表2中的數(shù)據(jù)以及已知參數(shù),利用已編寫的計(jì)算程序,可以計(jì)算出鄭州2008年各月氣溶膠光學(xué)厚度,如圖2所示。

圖2 鄭州2008年各月氣溶膠光學(xué)厚度

如圖2所示,為鄭州2008年各月氣溶膠光學(xué)厚度變化曲線。如表1所示,為鄭州2008各月平均水汽壓。7、8月份水汽壓比較高,氣溫和,水汽壓較高,湍流劇烈,混和層厚度較高,有利于近地層氣溶膠的向上輸送;其次高溫高濕加快“氣-?！鞭D(zhuǎn)化過程,有利于二次粒子的形成和水溶性氣溶膠的吸濕膨脹。因此,夏季的高溫高濕是夏季氣溶膠光學(xué)厚度較高的主要原因。冬季氣溶膠光學(xué)厚度較低,波長指數(shù)較大,細(xì)顆粒為主控粒子,且冬天氣不穩(wěn)定,變化頻繁,冷空氣活動(dòng)頻繁,冷空氣活動(dòng)帶來的大風(fēng)天氣對氣溶膠粒子的擴(kuò)散和輸送極為有利,造成鄭州地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度較小的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

文章中綜合應(yīng)用氣象臺站地面氣象能見度、氣象臺站水汽壓等參數(shù),根據(jù)邱金桓等[3]發(fā)展的氣溶膠光學(xué)厚度模型,建立了一個(gè)反演大氣氣溶膠光學(xué)厚度的參數(shù)化計(jì)算模型。把觀測站的能見度轉(zhuǎn)化為海平面上的能見度,通過參數(shù)修正,來實(shí)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度的反演,利用C++程序設(shè)計(jì)語言編寫出計(jì)算程序。并對計(jì)算結(jié)果分析總結(jié),得出以下結(jié)論:

(1)氣溶膠光學(xué)厚度與各月平均水汽壓密切相關(guān)。水汽壓較高,有利于近地層氣溶膠向上輸送,水溶性氣溶膠粒子吸濕膨脹,使得氣溶膠光學(xué)厚度變大。天氣干燥,水汽壓較低,氣溫較低,冷空氣頻繁的活動(dòng)帶來的大風(fēng),加速了氣溶膠粒子的擴(kuò)散和輸送,致使氣溶膠光學(xué)厚度較小。

(2)氣溶膠光學(xué)厚度的意義是從地面到大氣層頂大氣柱上氣溶膠對輻射的吸收和散射,而常規(guī)氣象觀測的測值主要反映近地面的氣象狀態(tài),因此高空氣象條件對氣溶膠光學(xué)厚度也有顯著的影響,這是文章中所沒有考慮的。

[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] 秦世廣,石廣玉,陳林,等.利用地面水平能見度估算并分析中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度長期變化特征[J].大氣科學(xué),2010,34(2):449-456.

[4] 宋磊,呂達(dá)仁.上海地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性的初步研究[J].氣候與環(huán)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

國家大學(xué)生科研創(chuàng)新基金;上海市大學(xué)生科研創(chuàng)新項(xiàng)目

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