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吸收气溶胶对表面太阳辐射的影响

Jian Feng and Henry G. Leighton

加拿大魁北克蒙特利尔麦吉尔大学大气和海洋学系2002年8月16日收到；2002年11月28日修订；2003年1月9日接受；2003年4月15日出版。

摘要

在北方生态系统和大气的研究期间，我们使用来自流星-3的辐射预算扫描仪和北方森林塔台的对太阳辐射的同步和同位测量数据来评估LI等人的算法，这个算法是为了从卫星测量中推导出净表面太阳辐射通量而开发的。分析表明，在矫正了塔式测量的信号覆盖区和卫星像素之间的不匹配之后，两者之间依旧存在着明显的偏差，这是由于吸收性气溶胶的存在。Masuda[1995]等人的气溶胶修正项的应用可以将平均偏差降低到约5Wm²。已经被运用于许多研究中的云强迫比R，可以用来解决云吸收异常的问题。三种方法，每个都有不同的方法来考虑吸收性气溶胶对辐射通量的影响，用于计算R。在重气溶胶负载条件下，当应用于同步和同位的塔式测量时，未能充分的解释气溶胶效应的方法会给出很大的R值（1.28–1.42）。这可以解释为云异常吸收的迹象。然而，应用最能解释气溶胶效应的方法给出的R值在1.08-1.18范围内，因此不支持反常云吸收的概念。索引项目：0305大气成分和结构：气溶胶和颗粒（0345,4801）; 勘探地球物理：遥感; 0999勘探地球物理：一般或杂项; 关键词：气溶胶，吸收，太阳辐射，云层，地表辐射

引用：Feng，J.和H. G. Leighton，吸收气溶胶对表面太阳辐射测定的影响，J. Geophys.Res。，108（D7），4227，doi：10.1029 / 2002JD002852,2003。

1. 引言

对流层气溶胶对地球辐射预算有重要影响。在大气层顶部（TOA），除了强吸收性气溶胶在高反照率表面上的可能外，气溶胶增强了出射太阳辐射，而在地表，气溶胶降低了太阳辐射的吸收。在非吸收性气溶胶的情况下，TOA的强迫与地表的强迫相似。 然而，对于吸收性气溶胶，TOA和地表的强迫可能有很大不同。例如，作为印度洋实验（INDOEX）观测的一部分，Podgorny 等人[2000]，根据-15 W m²的清澈天空表面强迫和-4Wm²清澈的天空TOA强迫之间的差异推断出了-11Wm²的晴空大气强迫。在加拿大西部偏远的北方森林地区的一个研究地点的上空，处于活跃燃烧的时期，Li和Kou [1998]发现，发现烟雾气溶胶使日间太阳辐射的平均吸收量在可见光谱(0.4~0.7mm)上增加了高达26.0 Wm²。由于在TOA和地表吸收气溶胶的辐射强迫可能有很大不同，因此从卫星测量中推导出地表太阳辐射预算时必须考虑气溶胶对大气吸收的影响。Li等人提出的参数化 [1993a]已用于许多研究中，来推导卫星大气顶层观测的净表面太阳辐射[Li和Leighton，1993; Li等，1995; Ramanathan等，1995; Conant等，1997]。 在Li等人的算法中，在表面吸收的通量表示为出射太阳通量，太阳天顶角（q⁰）和纵向水汽通量的函数。该算法隐含地包括标准气溶胶，但不考虑气溶胶变化，尽管气溶胶可能对大气吸收具有显着影响。Masudaet al[1995]改进了Li等人[1993a]的算法，通过加入某些校正项，包括对气溶胶光学深度偏离Li等人假定的标称值的修正。云辐射强迫（CRF）被定义为所有天空条件（晴朗和多云天空）和晴空条件下的净太阳辐射通量的差异。理解云对大气吸收太阳辐射的影响的重要量是云量强迫比R，其定义为地表处的云强迫辐射与大气层顶处的强迫辐射之比。由于气溶胶可能对晴空辐射预算产生重大影响，因此对气溶胶影响考虑不充分可能会导致云强迫辐射测定结果的不准确。在这项研究之中，我们将在大量的气溶胶负载的条件下用Li和Masudaet等人的算法求出来的净太阳辐射通量和在塔式测量下得到的结果进行比较。同样的数据集也用于研究在存在吸收气溶胶的情况下反演云强迫比的不同方法的影响。

1. 数据

北方生态系统大气研究（BOR-EAS）是一项大规模的国际调查，重点是提高对北半球森林与低层大气之间辐射能，感热，水，CO₂和痕量气体交换的理解。BOR-EAS位于加拿大北方森林北部至南部边缘的1000times;1000公里区域，覆盖了萨斯喀彻温省和马尼托巴省的大部分地区。在本研究中，在五个塔式通量点上观测入射和反射太阳辐射。其中三个，TF08 [Fitzjarrald, 2000] and TF10_YJPand TF10_FEN [McCaughey and Jelinski, 1999], 位于北部研究所。另外两个，TF06 [Bessemoulin and Puech, 1998] and TF09 [Massheder et al., 1998], 位于南方研究区域。表一列出了这些塔式通量点的位置。南部研究区内的塔之间的间距约为45公里，而在北部研究区内，三座塔之间相距约10公里。数据是从6月初至1994年9月中旬收集的，TF06平均每10分钟一次，其他4个塔每30分钟一次。仪器的高度为地表以上9.2米，27米，25米，11.8米和11.8米，分别对应TF06,08,09,10 _YJP和10 FEN。在北方生态系统大气研究的场地期间，日射强度计定期进行校准，测量不确定度被认为在2％以内[Gu和Smith，1997]。Mark-ham和Schafer [1998]和Wrigley [1997]对气溶胶光学深度的观测是在几个地点进行的。我们从最接近（在半径75公里范围内）的六个站点中选择了数据，这些数据来自通量观测站记录的塔式通量站点。来自相邻地点的光学深度是高度相关的，因此我们将这些数据合并为三个独立的数据集，分别标识为NSA_YJP，SSA_YJP和SSA_WSK，每个数据由分别为40,20和lt;1 km的两个地点的数据组成。记录到的气溶胶光学深度要么在1=0.55mm处观察到，要么插值到l=0.55mm。假设卫星测量和气溶胶光学深度测量之间的时间差小于1.5小时，分配给每个测量塔的气溶胶光学深度是根据与所涉塔最近的测量值相对应的气溶胶数据集临时内插的。对于TF06,09，气溶胶光学深度分别由SSA_WSK和SSA YJP插值; 对于TF08,10，他们来自NSA_YJP。图1显示了这三个地点日平均气溶胶光学深度。虚线表示Li等人的算法中使用的默认光学深度（t = 0.1）。在这个夏天这三个地点的气溶胶深度大多远大于默认值，而其他月份，算法中光学深度的默认值则和测量值差不多。在平均光学深度较大的日子里，当日整个光学深度的变化趋于较大，而白天的范围有时大于1个光学深度单位。卫星和地面观测表明，1994年夏季是该北方地区非常活跃的火灾季节;主要森林大火在6月份开始，7月份主要火灾发生，火灾持续到夏末[li，1998]。这种变化对应于观测到的气溶胶光学深度的时间变化（图1）。Markham等人 [1997]指出，1994年NSA_YJP站点的森林火灾严重影响了气溶胶的光学深度，在没有火灾的情况下，光学深度的典型值小于0.1，在应用Li等人的算法中， [1993a]从卫星观测中推导出净表面太阳辐射（NSSR），需要三个输入参数：TOA反射通量;q₀; 和水蒸汽量。前两个参数取自Meteor-3卫星上的辐射预算扫描仪（ScaRaB）仪器的A2数据[Kandel et al，1998]，水蒸气量的数值根据卫星的再分析资料 国家环境预测中心和国家大气研究中心[Kalnay等，1996]。为了比较从辐射预算扫描仪测量得到的净地表太阳辐射与北方生态大气的塔式测量，如果像素中心在塔的经度和纬度的0.25°以内，辐射预算扫描仪像素被认为与塔台配置在一起。TF06每10分钟记录一次塔数据，其他地点每30分钟记录一次塔数据，内插到卫星立交桥的时间。如果在距离立交桥最近的两倍的塔架上测得的净地表太阳辐射通量的变化大于100Wm²，则将内插值从数据集中排除。这导致约5％至10％的晴空塔数据被排除在重合和共置测量的数据集之外。天空分类信息来自辐射预算扫描仪 A2数据。 将来自晴空中辐射预算扫描仪观测的净地表太阳辐射通量与塔台测量值进行比较。

表一 塔式通量站点的位置

1. 在透明天空下从辐射预算扫描仪派生的净辐射通量与塔式测量的比较。

图2显示来自辐射预算扫描仪的净地表太阳辐射通量的估计大于塔平均偏差在30 Wm²和61 Wm²之间的塔的测量，除了TF09之外，卫星数据的平均值比塔式测量的平均值低10Wm²。

图1 1994年BOREAS研究区域日平均气溶胶光学深度。

将辐射预算扫描仪产生的净地表辐射通量与塔式测量结果进行比较时存在的一个问题是塔上的向下辐射仪视场内的表面不能代表60 kmtimes;60 km的辐射预算扫描仪占地面积最低点。 两个视场之间地表反照率的系统差异会引起净地表太阳辐射比较中的偏差。Li和Garand [1994]开发了一种算法来估算卫星测量的地表反照率。 该算法通过使用与用于开发Li等人的算法的模拟中使用的辐射传递模型相同的模拟来参数化。[1993年a]正如李等人的工作。 [1993a]地表反照率也参数化了三个参数：TOA反照率; q⁰; 和水蒸汽量。Li和Garand [1994]使用同步和同位的卫星和塔式测量评估了他们的算法，发现了该算法和测量值之间的良好一致性。在开发Li和Garand算法时，模拟中仅包括一个光学深度为0.1的中等吸收性气溶胶。 为了避免引入大气溶胶负荷引起的误差，我们只为所测量的气溶胶光学深度小于0.2的那些辐射预算扫描仪像素推导出表面反照率。塔脚的表面反照率为反射通量与塔测量的入射通量之比。 表2显示，除TF09外，塔内的平均地表反照率大于辐射预算扫描仪的平均反照率。 这就是说，反照率存在系统性差异，这与净地表太阳辐射的差异是一致的。

有相当多的证据表明Li等人[1993a]的算法在没有大量气溶胶的清澈天空下运行良好。 Li等人[1993 b]用Li等人的算法对Erbe的净地表辐射通量和大气观测台(BAO)的地表辐射通量进行了比较，晴空条件下，平均误差为-2.6 Wm²，标准偏差为35Wm²。 大气观测台塔楼300米，因此它的占地面积比本研究中塔楼的面积大得多。 Jing和Cess [1998]使用Li等人的算法比较了从ERBE得到的地表晴空日照时间。 [1993a]和Li和Garand [1994]对位于加拿大南部的24个台站进行了测量，排除了森林火灾烟雾出现的日子。 他们获得了6.5 Wm²的偏置误差和19.5 Wm²的标准偏差。

图3显示了在气溶胶光学深度小于0.15的晴朗天空下观测塔和ScaRaB的NSSR通量的比较。对于TF06,08,09,10_YJP和10_FEN，这些观察的平均光学深度分别为0.09,0.07,0.10,0.10和0.10。对于每个塔，用辐射预算扫描仪和来自塔式测量的净地表太阳辐射通量的数据来做回归线。为m0 = cos（q0）的函数，分别被称为y1和y2。 y1和y2之间差异的主要原因应该是塔楼和辐射预算扫描仪之间广播信号覆盖区的错位。其他剩余差异是由于Li等人的算法中的缺陷和塔式以及卫星测量的误差造成的。如果对广播信号覆盖区不匹配，Li等人的算法中的缺陷以及塔和卫星测量中的误差进行校正，那么线y1和y2应该是相同的。为了消除这些因素对比较净地表辐射通量的影响，每个测量值都通过将其值乘以y1（m0）/ y2（m0）的r值来进行调整，其中m0是对应于每个塔架测量值的q0。调整后，对于tgt; 0.15的数据点，来自辐射预算扫描仪的净地表辐射通量与来自塔架的经调整的净地表辐射通量之间的差值的平均值为21.7 Wm²（图4）。这些数据的光学深度平均值为t = 0.38。由于从塔式测量了用来产生中回归-线y1和 Y 2大于150，100，200，200，和100 Wm² 。对于TF06、TF08、TF09、TF10YJP和TF10Fen，净地表辐射通量的塔式测量对应的数据点小于这些值而被排除在比较之外。现在预计卫星和塔楼的流量之间的平均差异将会弥补Li等人的[1993a]算法中无法满足的气溶胶的吸收。

Masuda等人 [1995]在Li等人的文章中引入了一个修正项。 LI等人的算法是用来解释吸收性气溶胶存在的算法。修正项是用相同的辐射传递模型进行模拟的参数化。

图2 在1994年夏天BOREAS研究区域的五个地点，在辐射预算扫描仪中得到的净地表辐射通量与来自塔顶测量的净地表辐射通量的比较。当气溶胶光学深度大于（小于）0.15时，实线（点）圈标识测量值。模拟中使用了世界气候计划[1986]定义的“海洋”和“大陆”气溶胶模型以及由它们导出的修正的气溶胶模式。计算是针对各种大气廓线和表面类型进行的。校正项是通过TOA的太阳辐照度归一化的净地表辐射通量校正，以归一化出射TOA通量（r），m0和气溶胶光学深度（t）的形式参数化，形式为s（m0，t ，r）= d1 d2m0 （d3 d4r）t。回归系数d1-d4的值分别为0.00521，-0.00246，-0.09058和-0.28465。此参数化适用于大陆气溶胶。对于其他气溶胶类型或由几种不同成分组成的气溶胶，气溶胶光学深度t由Masuda等[1995]给出的有效光学深度te取代。在这项研究中，由于气溶胶主要来自北方火灾，其单次散射反照率接近大陆模式

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