基于MODIS和AERONET的氣溶膠地表直接輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)*

趙俊芳，徐 慧，孔祥娜,2，郭建平，余衛(wèi)國(guó)

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基于MODIS和AERONET的氣溶膠地表直接輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)*

趙俊芳1，徐 慧1，孔祥娜1,2，郭建平1，余衛(wèi)國(guó)3

（1．中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2．四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；3．安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心，合肥 232001）

氣候變化背景下進(jìn)一步開(kāi)展高污染地區(qū)氣溶膠直接輻射效應(yīng)的研究，對(duì)于該地區(qū)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候變化評(píng)估以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局等具有重要意義。利用全球氣溶膠監(jiān)測(cè)網(wǎng)（AERONET）多年觀(guān)測(cè)資料以及MODIS地表反照率數(shù)據(jù)，借助6S（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum）輻射傳輸模式，定量評(píng)估2001年1月?2016年12月中國(guó)AERONET北京、香河和太湖3個(gè)典型高污染站點(diǎn)多年晴空條件下的氣溶膠直接輻射效應(yīng)。結(jié)果表明：（1）各個(gè)高污染站點(diǎn)氣溶膠PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征差異明顯，秋冬污染較為嚴(yán)重，其中高值主要集中在1月、2月、11月和12月；（2）與無(wú)氣溶膠影響相比，氣溶膠致使各站點(diǎn)地表直接輻射年際變化較明顯。在氣溶膠影響下，北京、香河和太湖3個(gè)站點(diǎn)2001?2016年地表日平均直接輻射年際變化較明顯，均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，且香河站日平均直接輻射增加最大（621.14W·m?2），太湖站次之（743.29W·m?2），北京站最?。?88.14W·m?2）。（3）氣溶膠影響下各站點(diǎn)地表直接輻射明顯降低，且氣溶膠對(duì)各站點(diǎn)影響差異較大。2001?2016年，北京、太湖和香河站年平均地表直接輻射分別降低32.29%、24.01%和15.07%。其中，氣溶膠對(duì)北京站的地表直接輻射影響最大，香河站最小。（4）近15a來(lái)，北京、香河和太湖3個(gè)站點(diǎn)氣溶膠地表輻射效應(yīng)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

MODIS；AERONET；氣溶膠；PM2.5；直接輻射效應(yīng)

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物的總稱(chēng)，主要是指六大類(lèi)7種氣溶膠粒子，包括沙塵氣溶膠、碳?xì)馊苣z（黑碳和有機(jī)碳?xì)馊苣z）、硫酸鹽氣溶膠、硝酸鹽氣溶膠、銨鹽氣溶膠和海鹽氣溶膠[1]。大氣氣溶膠的氣候效應(yīng)早在20世紀(jì)70年代已被意識(shí)到[2]，80年代末開(kāi)始受到科學(xué)界的普遍關(guān)注[3]。氣溶膠通過(guò)兩條途徑影響氣候系統(tǒng)：一是通過(guò)吸收和反射太陽(yáng)與地球輻射影響氣候系統(tǒng)。這種影響稱(chēng)之為氣溶膠的直接輻射效應(yīng)；另一種是作為云滴中的云凝結(jié)核改變?cè)频墓鈱W(xué)特性和生命周期，這種影響成為氣溶膠的間接輻射效應(yīng)。氣溶膠的輻射效應(yīng)不僅通過(guò)改變光合有效輻射的總量，還通過(guò)改變光譜分布、光的質(zhì)量以及在直接和散射成分之間的分配，來(lái)影響植被的光合作用，并最終影響產(chǎn)量。因此，氣候變化背景下大氣氣溶膠對(duì)大氣輻射的影響越來(lái)越受到科學(xué)家們的重視[4?6]。

氣溶膠的輻射效應(yīng)是指由氣溶膠所引起的出射輻射通量的變化，通?？煞譃橹苯虞椛湫?yīng)和間接輻射效應(yīng)[7]。其中，氣溶膠直接輻射效應(yīng)指大氣中氣溶膠的含量變化引起地－氣系統(tǒng)能量平衡的擾動(dòng)，在數(shù)值上定義為氣溶膠含量變化時(shí)所產(chǎn)生的平均凈輻射變化[8]，也就是在有氣溶膠和無(wú)氣溶膠存在時(shí)輻射通量的變化。在氣溶膠的輻射效應(yīng)評(píng)估方面，國(guó)內(nèi)外近年來(lái)一直大力發(fā)展衛(wèi)星遙感與地基光學(xué)遙感相結(jié)合的觀(guān)測(cè)技術(shù)與反演方法[7?10]。中高分辨率的成像光譜儀（MODIS、HIRDLS、GLI）、多角度的成像光譜儀（MISR）等星載探測(cè)器的一個(gè)重要應(yīng)用方向正是探測(cè)全球（包括陸地）的氣溶膠光學(xué)特性。在地基遙感方面，近年來(lái)較重要的研究進(jìn)展之一是建立了AERONET（AErosol RObotic NET work）太陽(yáng)光度計(jì)全球探測(cè)網(wǎng)絡(luò)由此提取氣溶膠的光學(xué)特性，并用于對(duì)衛(wèi)星遙感氣溶膠的檢驗(yàn)[11?12]。Boiyo等[12]利用東非肯尼亞3個(gè)AERONET站點(diǎn)MODIS Terra、MISR和OMI數(shù)據(jù)反演了氣溶膠光學(xué)厚度，并對(duì)其反演精度進(jìn)行了比較。張志薇等[10]借助平面平行輻射傳輸模式評(píng)估了蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀(guān)測(cè)站SACOL、香河和太湖地區(qū)大氣層頂氣溶膠日平均直接輻射強(qiáng)迫分別為（?7.2±7.1）、（?11.7±9.5）和（?14.9±8.3）W·m?2，地表處分別為（?21.9±12.2）、（?36.5±29.5）和（?42.2±21.0）W·m?2，大氣中分別為（14.7±9.7）、（24.8±23.0）和（27.3±16.5）W·m?2。Tang等[2]分析了1981?2010年氣溶膠光學(xué)厚度變化及其對(duì)全國(guó)輻射的影響。陳林等[9]利用MODIS和MISＲ資料，以及RAD01輻射模式評(píng)估了中國(guó)陸地地區(qū)的氣溶膠直接輻射效應(yīng)，結(jié)果表明陸地上氣溶膠對(duì)大氣有很強(qiáng)的加熱作用，其強(qiáng)吸收性導(dǎo)致地面輻射強(qiáng)迫為大氣層頂輻射強(qiáng)迫的3倍。

由于氣溶膠是由具有不同譜分布、形狀、化學(xué)組成和光學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)構(gòu)成的，且其濃度的時(shí)空變化可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)而且缺乏充分的觀(guān)測(cè)資料，采用相對(duì)較新的觀(guān)測(cè)資料對(duì)氣溶膠的輻射效應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，有助于對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的氣候變化進(jìn)行評(píng)估。從目前情況看，多數(shù)研究針對(duì)全球或者大區(qū)域尺度，對(duì)高污染地區(qū)氣溶膠的輻射效應(yīng)研究報(bào)道仍有限。因此，本研究利用2001年1月?2016年12月全球氣溶膠監(jiān)測(cè)網(wǎng)（AERONET）多年觀(guān)測(cè)資料以及MODIS地表反照率數(shù)據(jù)，借助6S輻射傳輸模式，定量評(píng)價(jià)2001年1月?2016年12月中國(guó)AERONET北京、香河和太湖3個(gè)典型高污染站點(diǎn)多年晴空條件下的氣溶膠輻射效應(yīng)，以期對(duì)該地區(qū)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染治理以及氣候變化評(píng)估等提供理論支持。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇中國(guó)地區(qū)觀(guān)測(cè)時(shí)間序列較長(zhǎng)，且區(qū)域代表性較強(qiáng)的北京、香河和太湖3個(gè)AERONET站點(diǎn)，站點(diǎn)信息見(jiàn)表1。北京站和香河站分別位于華北平原西北邊緣和北部，屬于溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥；春、秋短促，水熱條件較好[13]，站點(diǎn)周?chē)鶠檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，地表植被覆蓋較好，主要種植玉米、小麥、大豆等作物，是中國(guó)重要的糧棉油生產(chǎn)基地。太湖站位于太湖北側(cè)湖岸，氣候溫和濕潤(rùn)，土壤肥沃，站點(diǎn)周?chē)侵袊?guó)重要的商品糧基地和桑蠶基地，主要種植水稻、小麥、桑、茶葉等。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和污染物排放大量增加，這些站點(diǎn)周?chē)諝赓|(zhì)量惡化的問(wèn)題日益突出[14?15]。

表1 研究所選AERONET站點(diǎn)信息

1.2 資料來(lái)源與處理

1.2.1 Aerosol Robotic Network（AERONET）數(shù)據(jù)

全球氣溶膠自動(dòng)觀(guān)測(cè)網(wǎng)（AErosol RObotic NETwork，AERONET）是由美國(guó)NASA和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（Centre National de la Recherche Scientifique，CNRS）發(fā)起，由世界大量研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合建立的地基氣溶膠監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，該監(jiān)測(cè)網(wǎng)采用法國(guó)CIMEL公司生產(chǎn)的CE-318型全自動(dòng)太陽(yáng)直接/散射輻射計(jì)，對(duì)太陽(yáng)7個(gè)波段（340、380、440、670、870、940和1020nm）的直接和散射輻射進(jìn)行測(cè)量。CE-318既可以自動(dòng)進(jìn)行太陽(yáng)直射輻射觀(guān)測(cè)，也可以進(jìn)行平緯圈（ALM）和主平面（PPL）天空光掃描觀(guān)測(cè)。CE-318測(cè)得的太陽(yáng)直射輻射數(shù)據(jù)可以用來(lái)計(jì)算氣溶膠光學(xué)厚度AOD、大氣透過(guò)率和水汽總量等信息，而主平面和平緯圈天空掃描數(shù)據(jù)可以用來(lái)反演氣溶膠粒子的單次散射反照率、不對(duì)稱(chēng)因子和散射相函數(shù)等光學(xué)參數(shù)[16]。觀(guān)測(cè)儀器每15min采集一次340、380、440、500、675、870和1020nm通道處的氣溶膠光學(xué)特性。由于受地表參數(shù)和氣溶膠前向散射影響較小[17]，AERONET反演的氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）反演精度可達(dá)0.02～0.01[18]，因而被較多地應(yīng)用為AOD基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)分為未篩選的Level 1.0產(chǎn)品、經(jīng)云檢測(cè)的Level 1.5產(chǎn)品，以及經(jīng)過(guò)云檢測(cè)和質(zhì)量控制的Level 2.0產(chǎn)品[16]。

本研究選取AERONET提供的2001年1月?2016年12月AOD數(shù)據(jù)。440nm波段AOD的瞬時(shí)數(shù)據(jù)及440?675nm波段的?ngstr?m指數(shù)指來(lái)源于云檢測(cè)和質(zhì)量控制的Level 2.0產(chǎn)品。各站觀(guān)測(cè)時(shí)段見(jiàn)表1。

1.2.2 MODIS數(shù)據(jù)

MODIS的工作波段涵蓋了0.553?14.235μm范圍內(nèi)的可見(jiàn)光、近紅外和紅外的36個(gè)波段[19]。目前運(yùn)行的2個(gè)MODIS傳感器分別搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星平臺(tái)上，提供了包括AOD產(chǎn)品MOD04（MODIS/Terra）和MYD04（MODIS/Aqua）2種主要?dú)馊苣z數(shù)據(jù)產(chǎn)品。MODIS AOD在大氣環(huán)境、氣候變化等相關(guān)領(lǐng)域的研究已較成熟，其反演精度與空間分辨率較高，可直接提供550nm處的AOD值[6]。

采用質(zhì)量控制的Level 2.0產(chǎn)品MOD04和MYD04氣溶膠數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品含有550nm通道處的AOD值，空間分辨率約為10km。

1.2.3 地表反照率數(shù)據(jù)

地表反照率表征地球表面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射能力，是影響氣溶膠輻射效應(yīng)的重要因素。地表反照率數(shù)據(jù)來(lái)源于MODIS的MCD43地表反照率產(chǎn)品。MCD43分500m、1km和0. 05°氣候網(wǎng)格等3種空間分辨率（分別編號(hào)A、B和C），提供BRDF模型參數(shù)、BRDF反演質(zhì)量、反照率和BRDF校正后的天底反射率NBAR（Nadir BRDF-Adjusted Reflectance）等4種產(chǎn)品（依次編號(hào)1?4），其中，反照率產(chǎn)品提供MODIS 1?7通道和可見(jiàn)光VIS（0.3?0.7μm）、近紅外NIR（0.7?5.0μm）和短波SW（0.3?5.0μm）等3個(gè)寬波段的黑空反照率BSA（Black-Sky Albedo）和白空反照率WSA（White-Sky Albedo）[20]。研究數(shù)據(jù)為空間分辨率0.05°、正弦投影的MCD43地表反照率產(chǎn)品。

1.3 基于6S輻射傳輸模式的氣溶膠直接輻射效應(yīng)模擬

采用6S輻射傳輸模式（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum）[21]模擬到達(dá)地球表面向下輻射通量。6S輻射傳輸模型主要用來(lái)模擬無(wú)云（晴空）天氣條件下，在太陽(yáng)反射波段（0.25～4.0μm）衛(wèi)星傳感器理論上應(yīng)接收到的輻射值，不但能較合理地處理空氣分子和氣溶膠的散射和吸收，而且還能產(chǎn)生連續(xù)光譜[22]。該模型對(duì)大氣的影響（二氧化碳、氧氣、臭氧、水汽等的氣體吸收和分子散射作用）、非均一性地表、二向性反射率以及邊界條件等都有細(xì)致的考慮和運(yùn)算，且充分利用了分析表達(dá)式和預(yù)選大氣模式，從而使計(jì)算時(shí)間大為縮短，被廣泛用于模擬通過(guò)耦合表面大氣介質(zhì)傳輸?shù)男l(wèi)星傳感器觀(guān)測(cè)到的光譜、幾何和大氣情況的信號(hào)[23]。

基于A(yíng)ERONET的AOD小時(shí)數(shù)據(jù)獲取AOD日均值數(shù)據(jù)。分別輸入AERONET的AOD小時(shí)數(shù)據(jù)、Terra或Aqua的AOD數(shù)據(jù)，以及地表反照率數(shù)據(jù)，使用6S輻射傳輸模型進(jìn)行地表的輻射通量密度和氣溶膠直接輻射效應(yīng)的模擬。在模擬實(shí)驗(yàn)中，以小時(shí)為時(shí)間間隔，獲取氣溶膠直接輻射效應(yīng)的日變化，最后對(duì)小時(shí)的氣溶膠直接輻射效應(yīng)進(jìn)行積分，獲取有氣溶膠和無(wú)氣溶膠存在時(shí)輻射通量變化的日均值。晴空條件下地表（SFC）氣溶膠直接輻射效應(yīng)指在晴空條件下，地面短波輻射通量在分別考慮氣溶膠存在和不考慮氣溶膠存在時(shí)兩者間的差值[9]，即

ΔFSFC=F(a)SFC?FSFC'（1）

FSFC= FSFC↓?FSFC↑ （2）

式中，ΔFSFC表示地表的氣溶膠直接輻效應(yīng)；F(a)SFC表示地表有氣溶膠時(shí)的凈輻射通量；FSFC表示地表沒(méi)有氣溶膠時(shí)的凈輻射通量；FSFC↓、FSFC↑分別表示地表向下和向上方向的輻射通量。大氣氣溶膠直接輻射效應(yīng)值可正可負(fù)，取決于氣溶膠粒子自身反射和對(duì)太陽(yáng)輻射吸收的相對(duì)能力以及地面反照率等因素。

日均氣溶膠直接輻射效應(yīng)為1d內(nèi)的瞬時(shí)輻射效應(yīng)的平均值[15]，即

1.4 氣溶膠PM2.5質(zhì)量濃度

大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的固態(tài)及液態(tài)微粒。PM2.5又稱(chēng)細(xì)顆粒物、細(xì)粒、細(xì)顆粒，是指大氣中懸浮著的、空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5μm的細(xì)顆粒物，濃度值越大說(shuō)明空氣污染越嚴(yán)重。PM2.5通過(guò)對(duì)可見(jiàn)光的散射和吸收，可以削弱大氣能見(jiàn)度，影響人類(lèi)正常生活和生產(chǎn)。PM2.5質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象信息中心。首先對(duì)其不可抗拒因素導(dǎo)致缺失的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行剔除，隨后對(duì)各站點(diǎn)多年細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的日均值，用于PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型站點(diǎn)氣溶膠PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征分析

由圖1可以看出，各個(gè)典型站點(diǎn)氣溶膠PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征相似，秋冬污染較為嚴(yán)重。2001?2016年期間，北京站點(diǎn)各月PM2.5質(zhì)量濃度的變化范圍在79.06～113.17μg·m?3，平均92.96μg·m?3，其中高值主要集中在1月、2月、11月和12月。香河站各月PM2.5質(zhì)量濃度的變化范圍在62.37～161.32μg·m?3，平均95.31μg·m?3，其中高值主要集中在1月、2月、10月、11月和12月。太湖站各月PM2.5質(zhì)量濃度的變化范圍在27.33～93.33μg·m?3，平均54.50μg·m?3，其中高值主要集中在1月、2月、11月和12月。PM2.5質(zhì)量濃度變化有持續(xù)升高和降低的過(guò)程，反映了顆粒物的堆積和擴(kuò)散的過(guò)程。11月開(kāi)始北方地區(qū)進(jìn)入冬季采暖期，燃煤量增大，造成了大氣中污染濃度值較高，PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)第一次峰值。而12月是冷空氣頻繁的月份，氣溫出現(xiàn)短暫回暖，但連續(xù)大風(fēng)降溫致使PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)低谷。之后一段時(shí)間內(nèi)，因冬季氣候干燥寒冷，空氣自?xún)裟芰Σ?，逆溫?qiáng)度大，使得顆粒物稀釋擴(kuò)散能力降低，形成PM2.5質(zhì)量濃度整體上升趨勢(shì)，翌年2月達(dá)到第2次峰值，加之春節(jié)期間的煙花爆竹燃放使得污染加重，各地PM2.5質(zhì)量濃度均有所上升。3月中旬開(kāi)始北方地區(qū)結(jié)束供暖，而且春季大風(fēng)天數(shù)增多，各地污染有所緩解。

圖1 北京、香河和太湖站點(diǎn)2001?2016年平均月PM2.5質(zhì)量濃度的變化特征

2.2 典型站點(diǎn)地表直接輻射的年際變化特征

2001?2016年，基于6S輻射傳輸模式模擬的中國(guó)AERONET三個(gè)典型高污染站點(diǎn)地表直接輻射的年際變化特征如圖2所示。由圖可見(jiàn)，無(wú)氣溶膠影響下，北京、香河和太湖3個(gè)站點(diǎn)2001?2016年地表日平均直接輻射年際變化不太明顯?？傮w來(lái)說(shuō)，太湖站日平均直接輻射最大，北京站最小。其中，近15a來(lái)北京站地表日平均直接輻射在713.90～736.93W·m?2，平均720.68W·m?2（圖2a）；香河站為726.85～739.62W·m?2，平均731.38W·m?2（圖2b）；太湖站在963.09～996.83W·m?2，平均978.01W·m?2（圖2c）。

在氣溶膠影響下，北京、香河和太湖3個(gè)站點(diǎn)2001?2016年地表日平均直接輻射年際變化較明顯，均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)。近15a來(lái)北京、香河和太湖3個(gè)站地表日平均直接輻射增加趨勢(shì)分別為2.673、16.93和8.314W·m?2·a?1，且香河站日平均直接輻射增加最大，北京站最小。受氣溶膠的影響，近15a來(lái)北京站地表日平均直接輻射從423.57W·m?2增至588.13W·m?2，平均488.14W·m?2；香河站從465.87W·m?2增至712.66W·m?2，平均621.14W·m?2；太湖站從689.12W·m?2增至819.41W·m?2，平均743.29W·m?2。

圖2 有氣溶膠和無(wú)氣溶膠影響下北京、香河和太湖站日平均直接輻射的年際變化

2.3 氣溶膠對(duì)地表直接輻射的影響

基于6S輻射傳輸模式模擬結(jié)果顯示，氣溶膠對(duì)3個(gè)典型高污染站點(diǎn)地表直接輻射的影響不同，對(duì)北京站的影響最大，香河站最?。▓D3）。2001?2016年，北京、太湖和香河站平均地表直接輻射分別降低32.29%、24.01%和15.07%。氣溶膠的影響導(dǎo)致近15a北京站點(diǎn)地表直接輻射降低18.90%～40.80%，平均234.53W·m?2；香河站點(diǎn)降低2.86%～35.99%，平均110.24W·m?2；太湖站點(diǎn)降低17.80%～29.35%，平均232.72W·m?2。

圖3 典型站點(diǎn)由氣溶膠影響導(dǎo)致的日平均直接輻射降低率

2001?2016年，中國(guó)AERONET北京、香河和太湖3個(gè)典型站點(diǎn)氣溶膠地表直接輻射效應(yīng)分別平均為?207.45、?80.94和?216.71W·m?2。地表直接輻射效應(yīng)大的負(fù)值（絕對(duì)值）說(shuō)明氣溶膠阻擋太陽(yáng)光到達(dá)地表，對(duì)地表產(chǎn)生了顯著的降溫，即氣溶膠在地表有顯著的降溫作用[15]。近15a來(lái)，北京、香河和太湖3個(gè)站點(diǎn)氣溶膠地表直接輻射效應(yīng)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，對(duì)地表的降溫作用逐漸減弱，且北京和太湖站氣溶膠對(duì)地表的降溫作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于香河站。其中，北京站氣溶膠地表直接輻射效應(yīng)從2001年的?214.24W·m?2增至2016年的?124.31W·m?2。太湖站從2005年的?219.23W·m?2增至2016年的?160.33W·m?2。香河站從2001年的?178.78W·m?2增至2016年的?18.29W·m?2。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）北京、香河和太湖3個(gè)高污染站點(diǎn)氣溶膠PM2.5質(zhì)量濃度季節(jié)變化特征差異明顯，秋冬污染較為嚴(yán)重，其中高值主要集中在1月、2月、11月和12月。2001?2016年期間，北京站點(diǎn)各月PM2.5質(zhì)量濃度平均為92.96μg·m?3，香河站各月PM2.5質(zhì)量濃度平均為95.31μg·m?3，太湖站各月PM2.5質(zhì)量濃度平均為54.50μg·m?3。各個(gè)站點(diǎn)秋冬污染較為嚴(yán)重，高值主要集中在1月、2月、11月和12月。

（2）氣溶膠對(duì)各站點(diǎn)地表直接輻射年際變化的影響比較明顯。在氣溶膠影響下，北京、香河和太湖3個(gè)站點(diǎn)2001?2016年地表日平均直接輻射年際變化較明顯，均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，增加趨勢(shì)分別為2.673、16.93和8.314W·m?2·a?1，且香河站日平均直接輻射增加最大（621.14W·m?2），北京站最小（488.14W·m?2）。然而，在無(wú)氣溶膠影響下，北京、香河和太湖3個(gè)站點(diǎn)2001?2016年地表日平均直接輻射年際變化不太明顯。總體來(lái)說(shuō)，在無(wú)氣溶膠影響下太湖站日平均直接輻射最大（978.01W·m?2），香河站次之（731.38W·m?2），北京站最?。?20.68W·m?2）。

（3）氣溶膠影響下各個(gè)站點(diǎn)地表直接輻射明顯降低，且對(duì)各站點(diǎn)影響差異較大。2001?2016年，北京、太湖和香河站平均地表直接輻射分別降低32.29%、24.01%和15.07%，即分別降低234.53、232.72和110.24W·m?2。其中，氣溶膠對(duì)北京站的地表直接輻射影響最大，太湖次之，香河站最小。

（4）近15a來(lái)，北京、香河和太湖3個(gè)站點(diǎn)氣溶膠地表輻射效應(yīng)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，說(shuō)明氣溶膠對(duì)地表的降溫作用逐漸減弱，且在北京和太湖站氣溶膠對(duì)地表的降溫作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于香河站。其中，北京站氣溶膠地表直接輻射效應(yīng)從2001年的?214.24W·m?2增至2016年的?124.31W·m?2，太湖站從2005年的?219.23W·m?2增至2016年的?160.33W·m?2，香河站從2001年的?178.78 W·m?2增至2016年的?18.29W·m?2。

3.2 討論

氣溶膠在大氣中所占的質(zhì)量比例非常小，對(duì)輻射傳遞和氣候的影響卻非常顯著。決定氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫大小的特性是它的散射系數(shù)、吸收系數(shù)、散射相函數(shù)，以及它們隨波長(zhǎng)的變化[24]。因此要得到這些參數(shù)隨時(shí)間和空間變化的有代表性的資料，遙感觀(guān)測(cè)是取得系統(tǒng)數(shù)據(jù)的最有力手段。本研究利用全球氣溶膠監(jiān)測(cè)網(wǎng)（AERONET）多年觀(guān)測(cè)資料以及MODIS地表反照率數(shù)據(jù)，借助6S輻射傳輸模式，定量評(píng)價(jià)氣溶膠地表直接輻射效應(yīng)。結(jié)果表明，2001?2016年，在氣溶膠影響下北京、太湖和香河站平均地表直接輻射分別降低32.29%、24.01%和15.07%，近15a來(lái)各站點(diǎn)地表直接輻射效應(yīng)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，氣溶膠對(duì)地表的降溫作用逐漸減弱。以上結(jié)果與前人研究結(jié)果定性相一致[7?9]。由于目前遙感所得數(shù)據(jù)資料是以氣溶膠光學(xué)厚度為主，今后隨著新的衛(wèi)星遙感探測(cè)器的啟用，多波段、多角度、多時(shí)次、多偏振方向遙感信息的使用，完全有可能獲取全球范圍氣溶膠的各種輻射特性參數(shù)，相關(guān)研究將進(jìn)一步深入。

本研究對(duì)研究區(qū)氣溶膠地表直接輻射強(qiáng)迫的評(píng)估還存在一定的不確定性：（1）目前對(duì)氣溶膠時(shí)空分布、自身的物理化學(xué)性質(zhì)和下墊面的光學(xué)性質(zhì)等缺乏徹底的了解?？臻g分布的不均勻性主要是由于氣溶膠在大氣中存在周期較短造成的，還取決于氣溶膠的產(chǎn)生機(jī)制和干、濕沉降過(guò)程[1]。環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠輻射強(qiáng)迫效應(yīng)影響較大，為了更好地探討氣溶膠在環(huán)境條件下的輻射特性和氣候強(qiáng)迫效應(yīng)，需要更好地了解氣溶膠各組分光學(xué)性質(zhì)隨相對(duì)濕度的變化規(guī)律。（2）實(shí)際觀(guān)測(cè)的大氣氣溶膠（收集到膜上）通常包含許多種化學(xué)成分，然而單個(gè)氣溶膠有的可以只包含一種化學(xué)成分，即外部混合，或者很多種化學(xué)成分均勻地包含于一個(gè)單一氣溶膠中，即內(nèi)部混合，或者是部分外部混合，部分內(nèi)部混合，同時(shí)化學(xué)物種的分?jǐn)偙壤龝?huì)隨不同粒子尺度而變化，也可以因不同地點(diǎn)、不同時(shí)間、或不同的來(lái)源而變化[25]。這些作用目前都沒(méi)能在氣溶膠數(shù)值模擬中得到很好的處理。隨著研究的不斷深入、資料的不斷完善和技術(shù)手段的不斷提高，今后將逐步降低研究的不確定性。（3）由于當(dāng)前大氣污染物主要地面監(jiān)測(cè)站分布集中在大中城市，數(shù)量少，檢測(cè)手段和精度也各不相同，不能滿(mǎn)足大面積、多種類(lèi)的大氣污染監(jiān)測(cè)。結(jié)合衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)手段與地面監(jiān)測(cè)站互為補(bǔ)充將成為未來(lái)大氣污染監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要方式，但對(duì)氣溶膠污染的類(lèi)型、光學(xué)厚度的估算等仍存在諸多不足之處[26]。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)氣溶膠污染物的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)和幅度仍是當(dāng)前氣溶膠污染對(duì)農(nóng)作物影響研究中面臨的重要問(wèn)題。

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Estimating Surface Direct Radiation Effect of Aerosol Based on MODIS and AERONET Data

ZHAO Jun-fang1, XU Hui1, KONG Xiang-na1,2, GUO Jian-ping1, XU Jing-wen2, YU Wei-guo3

(1. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China; 2. Resources College, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130; 3. Anhui Agrometerological Center, Hefei 232001)

Under climate change, the research on the direct radiation effect of aerosol in high polluted areas is of great significance for atmospheric environment monitoring, climate change assessment and agricultural production distribution in these areas. In this paper, the direct radiation effects of aerosol from January 2001 to December 2016 were quantitatively evaluated in Beijing, Xianghe and Taihu three typical global aerosol monitoring network (AERONET) sites of China based on the observation data of AERONET and the surface albedo data of MODIS. 6S (Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar) radiative transmission model was used. The results showed: (1) the PM2.5mass concentration in three typical high pollution sites showed obvious seasonal variations, and the pollution was more serious in the autumn and in the winter than other season. In especial, the high values of PM2.5mass concentration were mainly concentrated in January, February, November and December. (2) Compared with no aerosol, the interannual change of surface direct radiation caused by aerosol was obvious in each site. Affected by aerosol, the interannual change in daily average surface direct radiation in Beijing, Xianghe and Taihu stations was obviously increasing from 2001 to 2016. In especial, the maximum daily direct radiation was found in the Xianghe station (621.14W·m?2), followed by the Taihu station (743.29W·m?2) and the Beijing station (488.14W·m?2). (3) Affected by aerosol, the surface direct radiation in each station was reduced. Moreover, the effects of aerosol on the surface direct radiation in different stations were different. During the time of 2001?2016, the average surface direct radiation in Beijing, Taihu and Xianghe stations decreased by 32.29%, 24.01% and 15.07%, respectively. Among them, the aerosol had the greatest impact on the direct surface radiation of Beijing Station, followed by Taihu station and Xianghe station. (4) Over the recent 15 years, the aerosol surface radiation effect in Beijing, Xianghe and Taihu stations all increased.

MODIS; AERONET; Aerosol; PM2.5; Direct radiation effect

2018?04?13

中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（2017R001；2017Z004）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0603004）

趙俊芳（1977?），女，博士，研究員，研究方向?yàn)闅夂蜃兓⑥r(nóng)業(yè)氣象和碳循環(huán)等。E-mail：zhaojfcams@163.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.11.001

趙俊芳,徐慧,孔祥娜,等.基于MODIS和AERONET的氣溶膠地表直接輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(11):693-701