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气溶胶光学特性和辐射效应研究进展

摘要：大气气溶胶通过散射和吸收太阳辐射直接影响地球的辐射平衡，并间接地影响云的特性。了解气溶胶光学特性是研究气溶胶对气候影响的基础。尽管已经进行了许多这样的研究，描述气溶胶光学特性的大不确定性仍然存在，特别是关于不同气溶胶的吸收特性。气溶胶辐射效应被认为是辐射平衡的正或负扰动，包括直接效应、间接效应（反照率效应和云寿命效应）和半直接效应。人工气溶胶的总直接效应是负的（冷却），虽然某些成分可能起到积极的作用（变暖）。反照率效应和云寿命效应分别通过增加云的光学厚度和云量来冷却大气。吸收的气溶胶，如碳质气溶胶和尘埃，在大气顶部产生正压力，在地表形成负压力，它们可以直接加热大气。在内部混合黑碳气溶胶产生了比外部混合黑碳粒子更强大的变暖效果。吸收气溶胶的半直积效应可能放大这种变暖的影响。本文以观测（地面和卫星）和模拟研究为基础，综述了光学研究、气溶胶的性质和辐射效应的最新进展，并讨论了未来研究中需要解决的几个重要问题。

关键词：气溶胶、光学特性、辐射效应

1. 引 言

气溶胶是地球大气的重要组成部分，(Ramanathan et al., 2001a;Solomon et al., 2007)主要由硫酸盐、土壤尘、碳质物质和海盐组成。大气气溶胶分散在世界各地。由印度洋试验记录（INDOEX）的印度亚洲雾霾广泛分布在大部分的北印度洋，南与南洋(Muml;uller et al., 2003; Ramanathan et al., 2001b)。北非生物质燃烧与沙尘气溶胶（撒哈拉沙漠和萨赫勒地区）分布在大部分的亚热带(Swap et al., 1992; Chiapelloet al., 1997; Goudie and Middleton, 2001)。亚洲沙尘(Zhang et al., 1998; Wang et al., 2000; Nakajima et al.,2003; Zhang et al., 2003; Arimoto et al., 2006; Mikami et al., 2006; Hsu et al., 2013; Xu and Ma, 2013)和人为气溶胶可以穿越太平洋下面的急流进入北美大陆(Uno et al.,2001; Gong et al., 2006; Zhao et al.,2006; Jiang et al., 2007)。最近，一些研究已经还报告了北极气溶胶的性质(e.g.,Breider et al., 2014)和北极变暖的关系。考虑到这些气溶胶在全球的分布，其影响正在成为一个重要的环境和气候问题(Penneret al., 1992; Jaffe et al., 1999),

气溶胶通过改变大气的辐射特性影响地球的气候系统，大气气溶胶直接通过散射和吸收太阳辐射和间接通过云的特性影响地球的辐射(Charlson et al., 1991, 1992; Miller and Tegen, 1998; Hayasaka et al., 2007; Liu et al., 2011)，研究气溶胶的光学性质对于充分了解气溶胶的辐射效应至关重要。

不同的气溶胶在不同程度上散射或吸收阳光，这取决于它们的光学性质。虽然冷却（负强迫）是气溶胶总直接效应的结果，但不同的气溶胶有不同的作用。吸收性气溶胶如粉尘(e.g., Overpeck et al., 1996) 和黑碳（BC）(e.g., Gu et al.,2010) 可以通过其吸收太阳能和热辐射加热大气(Jacobson,2002; Menon et al.,2002a; Andreae and Gelencs′er,2006) 相比之下，非吸收性硫酸气溶胶散射太阳辐射从而产生相比于吸收性气溶胶相对较弱的大气加热效果。

除了气溶胶对辐射的地气系统深刻的直接影响外，在受污染的环境中，云的发展也会显著影响辐射收支，云的变化会对降水产生影响(e.g., Flossmannet al., 1985; Andreae et al., 2004; Kaufman et al.,2005a; Andreae and Rosenfeld, 2008; Jiang et al.,2011; Gu et al., 2012)。尽管吸收和非吸收性气溶胶对云的影响不同(Kaufman and Koren, 2006).,气溶胶在云形成过程中起着关键作用。然而吸收性气溶胶阻止云的生成，非吸收性气溶胶延长云的寿命并和云量的增强有关(Coakley et al., 1987; Platnick et al., 2000)。在云附近的吸收性气溶胶也被认为有助于云的蒸发(Hansen et al., 1997; Huang et al.,2010) 然而，大量的研究描述了额外的机制，即吸收气溶胶可以减少或增加云量(Chen et al., 2000; Ackerman et al., 2000; Jacobson, 2002; Small et al., 2011)。相反，非吸收性气溶胶，如硫酸盐，其主要来源于人类活动，并且集中在北半球。其在大气的快速增加可能对赤道海表面温度梯度有很大的影响，从而大大改变了海面温度梯度、低纬度的云、循环和降雨(Hulmeand Kelly, 1993; Williams et al., 2001; Rotstayn and Lohmann, 2002; Ackerley et al., 2011)。气溶胶与云的相互作用对辐射和气候的影响是复杂的，不完全被气候模型所捕获(e.g.,Takemura et al., 2005, 2007; Suzuki et al., 2008)。在第五次评估报告（AR5）提出的政府间气候变化专门委员会(IPCC; Stocker et al., 2013)，对气溶胶辐射效应的科学认识仍处于中低水平。

本文综述了气溶胶光学性质及其辐射研究的进展，文章的重点是关于气溶胶光学性质的文献，以及气溶胶主要类型（尘埃、碳质、硫酸盐和海盐）的辐射效应。根据气溶胶光学性质和/或辐射效应的最新文献，先前的研究已被追踪，主要结果也被考虑在内。第2节着重讨论气溶胶光学特性，第3节讨论气溶胶辐射效应，第4节提供了总结和讨论。

1. 气溶胶光学特性

气溶胶与辐射的相互作用通常由气溶胶的光学性质来衡量，如散射系数、吸收系数、气溶胶光学厚度（AOD），单次散射反照率（SSA）和AE指数。气溶胶光学厚度是用来测量气溶胶消光系数的一个参数。由于散射和吸收，在垂直柱中集成。它代表一个直接的光束穿过烟雾层时，折叠长度的减少。SSA是散射系数与消光系数之比，测量散射和吸收的相对重要性。气溶胶对大气顶部的辐射收支的影响，对一定值SSA，从净冷却到暖化，取决于局部地表反照率(Hansen et al., 1997).。AE表示AOD的波长依赖性，高的AE值表示小颗粒和低值代表大颗粒。由于气溶胶辐射效应的不确定性主要来源于具有高度非均匀水平和垂直分布的光学性质(Liu et al., 2009; van Donkelaar et al., 2010;Zhang and Tang, 2012)。更好地了解气溶胶光学性质的努力正在进行中(e.g., Zhou et al., 2011; Gao et al., 2012; Wang Na et al., 2013)。气溶胶光学性质的研究包含了一系列互补的方法，包括原位监测(Nakajima et al., 1996;Dubovik et al., 2002; Anderson et al., 2003; Yan et al., 2010;Yang et al., 2012; Zheng et al., 2013; Che et al., 2014)，卫星遥感(Huang et al., 2008a, b; Chenet al., 2010; Wang W. C. et al., 2010; Cai et al., 2011;Wang Zhao et al., 2013; Ahn et al., 2014)和数字建模(Takemura et al., 2002, 2003; Kinne etal., 2006; Textor et al., 2006; Han et al., 2010)。

表1总结了一些主要地面气溶胶观测网，地面测量可以提供数据库来验证卫星反演和模型模拟。在地面气溶胶网络中，气溶胶机器人网络(AERONET)，和天空辐射计网络(SKYNET) 是用于气溶胶光学性质研究的两个长期的、连续的和容易获取的公共领域数据库。AERONET包括了世界897个站点的网络信息，覆盖几乎所有主要对流层气溶胶系统(Holben et al., 1998)。天网系统包括世界各地约25个站点的信息(Nakajima et al.,1996; Campanelli et al., 2004)，AERONET和天网观测是通过被动远程采集的，它们的传感依赖于阳光，并提供气溶胶表面的信息。作为某种补偿，拉曼激光雷达，微脉冲激光雷达，用于探测网络如微脉冲激光雷达网（mplnet）用于白天和夜间气溶胶后向散射和消光剖面的反演。

由于气溶胶的短暂寿命及其复杂的化学成分，卫星遥感是观测全球气溶胶的最好方法，而且是唯一的方法。为了有效地确定气溶胶的性能，一些传感器，如先进的甚高分辨率辐射计(AVHRR) (Heidinger et al., 2002; Zhao et al., 2008) 臭氧气象卫星(TOMS)(GinouxandTorres,2003)被设计用来从空间中监测气溶胶。卫星遥感现在包括新的和增强的传感器，如地球反射的偏振性和方向性(POLDER; Fougnie et al., 1999), 中分辨率成像光谱仪(MODIS; Salomonson et al.,1989) 多角度成像光谱仪(MISR; Fisher et al., 2014)。星载激光雷达等地球科学激光高度计系统(GLAS; Zwally et al., 2002)和云气溶胶激光雷达和红外探路卫星观测(CALIPSO; Winker et al., 2006)的推出，进一步使垂直气溶胶分布的剖面图成为可能。这些传感器允许定量分析气溶胶光学性质。特别是AOD，并提供有关气溶胶大小，SSA和折射率的补充信息。这种先进的传感器还将提供气溶胶全球分布信息、源的季节和年际变化、光学性质以及气溶胶的直接和间接影响。

结合地面测量和卫星遥感，可以获得相对可靠的全球气溶胶分布信息。从AERONET和卫星遥感（图1）获取的数据显示大陆上空的高气溶胶负荷存在于特定区域的下风侧。例如，高的AOD值由于亚洲沙尘的传输，被记录在中国东部。这些观测数据为理解这些性质提供了依据。

Table 1. 气溶胶观测主要地面网表

图一 全球AOD分布，该图像是通过将几个卫星传感器的数据与地面太阳光度计测量气溶胶相结合而获得的

当气溶胶靠近或云中时，用地面或卫星遥感技术观察气溶胶是极其困难的。处理这种观测困难的一种方法是从统计意义上分析卫星测量的扩展记录(e.g., Kaufman et al., 2005b). 通过使用其他观察到的气态污染物作为气溶胶的代理，可以推断云中的气溶胶存在。一氧化碳（CO）是一种很好的气雾剂，因为不完全燃烧产生气溶胶和CO，可能的来源于森林火灾，燃煤发电厂和化石燃料汽车(e.g., Jiang et al., 2008; Su et al., 2011). 此外，气溶胶模型可以作为一种有效的方法来抵消观测的局限性。从早期的单一的针对物理和化学过程的计划模型中(Cooke and Wilson, 1996)，一系列气溶胶模型被研制出来，包括动态气溶胶(Remerand Kaufman, 1998), 全球气溶胶过程模型GLObal Model of Aerosol Processes(GLOMAP; Spracklen et al., 2005)，溶胶粒子的光谱辐射输运模型(Takemura et al., 2002; Takemura,2012; Dai et al., 2014). 近日，北京气候中心大气环流模式(BCCminus;AGCM) 已被用于模拟气溶胶特性和辐射效应。例如，Zhang et al. (2012b)模拟了气溶胶（包括硫酸盐、灰尘、碳质物质和海盐）全球范围内的光学性质。模拟出来的最高的AOD的值(0.4–0.7)出现在了撒哈拉沙漠上空，其次是在西南亚的阿拉伯(0.2–0.4).。AOD分布的模拟模式通常与图1中的卫星数据一致，适用于地球的所有区域。针对南美地区，通过BBCminus;AGCM模拟出来的AOD的值低于观测值。对于非洲地区，高的AOD值出现在撒哈拉沙漠到非洲的南部地区。而模拟的高AOD值仅发生在撒哈拉沙漠附近。模拟东亚上空AOD的模式与观测相符，尽管模拟值低于观测值。这种差异可能是由于模型中的气溶胶参数化引起的。影响气溶胶模拟的关键因素包括陆面性质，土壤湿度，风速，以及气溶胶发射、输运的参数化，沉积。

图2 全球年平均分布的模拟（a）总AOD和（b）550 nm处的单次散射(Zhang et al., 2012b).

除了卫星遥感，模型模拟还可以提供气溶胶属性的全球分布，这使得使用气溶胶观测数据作为验证，特别是针对气溶胶全球分布。

不幸的是，基于地面和卫星的观测和模型模拟都含有不确定性。例如，卫星气溶胶反演可能受到薄卷云的污染，使AOD估计过高估计约0.02 plusmn; 0.005（平均）标准差(Kaufman et al., 2005b). 观察与模型模拟相结合(i.e., data assimilation) 在某种程度上是减少不确定性的好方法。气溶胶数据同化(Sch

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