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在波罗的海沿海地区使用Microtops II太阳光度计和MODIS探测器研究气溶胶光学厚度

摘要

在本文中，我们描述了波罗的海及其沿海地区不同区域的气溶胶光学性质研究的研究成果。在运动期间，我们使用手持式Microtops II太阳光度计在4个位置进行了气溶胶光学深度的同时测量。这些研究与MODIS提供的气溶胶数据相辅相成。为了得到研究区气溶胶情况的全貌，我们分析了各种高原和风场的空气质量反轨迹。这种复杂的信息有助于对四个位置的气溶胶光学深度和Aring;ngstrouml;m指数进行适当的结论，并讨论气溶胶性质随距离和气象因素变化的变化。我们还显示，Microtops II太阳光度计是现场运动的可靠仪器。它们易于操作并提供高质量的结果。

关键词：气溶胶光学厚度，Microtops II太阳光度计，波罗的海，modis

1.简介

在沿海地区，气溶胶与海洋表面之间直接相互作用的气溶胶的特征是快速的时空浓度变化。 海洋气溶胶粒度分布函数的范围很复杂，强烈依赖于海洋边界层的天气条件，特别是风速，持续时间和方向以及相对湿度。 另外，它间接地依赖于气溶胶生成的来源和空气质量平流。

沿海地区作为海洋气溶胶的来源发挥重要作用，因为即使在小风速下，这个地区也会发生波浪。基于许多研究结果的结果，出现了关于海洋气溶胶生成，海洋边界层运输和沉积对大气各种物理参数的依赖性问题的模型。特别说明的是海洋气溶胶的浓度和尺寸分布对海洋风速的依赖性。

大气对登记信号的影响的适当修正是地球表面遥感的一个重要问题，在沿海地区特别重要。彻底了解和解释气溶胶对大气中光透射的影响需要了解气溶胶光学性质。这对计算到达地球表面的太阳辐射是重要的强迫气候变化的地区，他们的浓度高，如沿海地区或波罗的海地区。波罗的海地区由于高度的浑浊程度而难以学习，因为它被高度城市化的地区所包围。

如果大气中的气溶胶浓度取决于来自不同地区，陆地或海洋的空气质量的平流，气溶胶光学厚度成为一个非常重要的参数。了解这一参数的变化有助于解决太阳辐射通过大气层以及与海洋和海洋的气候学和遥感相关的问题。该参数的值取决于大气柱中的气溶胶浓度，颗粒类型及其尺寸分布函数，气溶胶光学性质以及测量区域中空气质量的来源和历史。

本文提供了在波罗的海不同地区使用手持Microtops II太阳光度计进行气溶胶光学深度研究的信息。 我们专注于气溶胶光学深度及其与气溶胶平流的变化进入研究区域。

2.反演过程概述

本文提供的数据是在国际运动期间收集的COastal Aerosol STUDIES（COAST）。 测量活动于7月29日开始，于2011年8月18日完成。在本文中，我们从波罗的海地区的测量集中在多个选定的日子中提出结果。2011年7月28日至8月3日，同步太阳光度计基于在波罗的海地区的四个地点进行了测量。那些是：波兰索波特（54°26N，18°33E），立陶宛Preila，（55°21N，21°04E），拉脱维亚利耶帕亚（56°31N，21°01E），在Born-霍尔姆，在波罗的海（55°04N，15°09E），见图 1。

在每个地点都用Microtops II太阳光度计测量气溶胶光学深度。测量在海滩进行，以测量潜在的直接影响从海而不是土地。

图1. 2011年实验期间测量站的位置。

COAST 2011活动涉及Sopot站点的额外测量，这些测量是使用Raymetrics Backscatter Lidar型号LB10 D-200，CHM15K Jena Optik ceilometer，粒子计数器，MultiFilter Rotating Shadowband Radiometer MFR-7和TSI浊度计进行的 。 由于Microtops太阳光度计是在每个地点操作的唯一仪器，因此我们决定在这项工作中讨论仅从这些仪器获得的结果（气溶胶光学深度）。 在测量之前，在Sopot进行了为期两天的所有仪器的测试研究。

此外，我们的结果得到了安装在Aqua和Terra卫星上的中等分辨率成像光谱仪（MODIS）的卫星气溶胶光学深度数据的分析的支持。

3.反演方法与测量仪器

可以使用两个光学参数推导出气溶胶颗粒的类型：气溶胶光学深度（AOD）和Aring;ngstrouml;m参数（Bokoye等人，1997）。 这两个参数都取决于颗粒产生的来源和空气质量的类型。

AOD值随着波长的增加而减小，随着风速的增加而增加（Smirnov等，2012）。 在沿海地区，气溶胶通常难以界定，因为海洋和大陆类型的颗粒在空气中混合，这取决于风向。 这种混合物包含不同光学性质的颗粒。

Aring;ngstrouml;m参数用于估计粒径。 该参数的大值表示细颗粒，而小值表示粗气溶胶。 Aring;ngstrouml;m定律可以描述如下： （1）

其中alpha;是Aring;ngstrouml;m参数，tau;a（lambda;）是波长lambda;处的AOD，beta;是Aring;ngstrouml;m浊度系数。 使用两个波长lambda;1和lambda;2，然后将它们线性拟合到tau;a和lambda;的对数差值的比值，我们得到以下形式的Aring;ngstrouml;m参数： （2）

使用具有UV，可见光和IR波长的四个手持光谱Microtops II太阳光度计来检索AOD。在这项研究中，我们在图1所示的位置使用仪器。 每个太阳光度计都配有五个通道（表1） 为了减少潜在的太阳指向误差，我们在每个测量会话中进行了5次扫描。 在数据处理中已经使用了具有最小标准偏差的5次扫描。 在每个仪器上，波特率设置为32。数据质量进一步提高涉及消除云污染。 这是通过在测量期间的天空条件的目视检查和卫星图像的分析来实现的。

表1.Microtops II太阳光度计的技术参数在研究期间使用

数据质量保证涉及太阳光度计的正确校准。我们的校准因素是在不同的运动中得出的，例如2007年的挪威海洋气溶胶，Markowicz等人2012或2008年和2012年在特内里费岛的POLAR-AOD以及2011年在祖格峰的云和辐射观测（MACRON）。此外，我们测试了原始制造商常数的应用。MACRON实验提供比制造商和POLAR-AOD更低的价值。这些系统的差异可能是因为不同的天气条件。 在MACRON运动期间，AOD在日落之前迅速下降（挪威北部）。 另外，在研究区域附近有一些薄卷云接近太阳盘。 在POLAR-AOD活动期间获得的AOD值与工厂常数相差很小。由于并非所有仪器都在祖格峰（Zugspitze）进行了校准，而在POLAR-AOD活动期间获得的校准因子与工厂价值并没有很大差异，因此提供了仪器的长时间稳定性，因此我们决定使用工厂和极地之间的平均值 AOD用于两种仪器（Markowicz等，2012）。 那么对于其他两种仪器，我们应用了Zugspitze获得的值。 四种仪器的校准值见表2。

表2获得四台Microtops II太阳光度计的校准值

3.1 Microtops II仪器的介绍

本节介绍了2010年至2012年期间不同实地运动期间AOD和派生Aring;ngstrouml;m指数的重合测量结果。图2a-c显示了参考微型号10562和第08489号（a）之间的500nm处的AOD的比较， 第14475（b）号微电子以及第15613（c）号微电子）。 在所有情况下，均方根（均方根）为0.01，平均偏差为0.01或更小，这与plusmn;0.01的Microtops II AOD的不确定性相当。 此外，较大的相关系数r2，在0.98和0.99之间变化，以及与完美线（虚线）的线性拟合（实线）的小偏差表示太阳光度计的良好一致性。 然而，Aring;ngstrouml;m指数的比较显着更差。 图2d显示了对于波长440和870nm的Aring;ngstrouml;m指数的相对较大的差异。在参考的Microtops II仪器和15613号仪器（空心正方形）和No.08489（点）之间发现较大的偏差。 均方根值分别为0.26和0.25，对于14475号仪器，均为0.17。Aring;ngstrouml;m指数的有效均方根可以用小的AOD值来解释，因为在这种情况下，由于高的相对值，Aring;ngstrouml;m指数的不确定性很大会导致AOD的反演错误。

4.结果与讨论

在这项工作中，我们分析了2011年8月2日至5日之间的一段时间。在此期间，我们在博恩霍尔姆东部沿岸的所有车站（Sopot，Preila，Liepaja和Nexo）进行了同时测量，气象条件 有利于这样的全面研究。 从上午到下午，我们在所有观测站进行同步测量，并设法在每个观测站收集不同数量的数据。

4.1一般气象情况和回溯轨迹分析

8月2日，波兰在斯堪的纳维亚半岛的高压环境下， 低压系统正在双方发展，他们慢慢地在波兰东部平静。 这种情况在整个对流层列中产生了来自斯堪的纳维亚和俄罗斯的空气，从而横跨波罗的海。 8月3日，高压系统仍然覆盖整个波兰。 由于斯堪的纳维亚地区的冷空气对流，波罗的海北部的高压系统的较低部分稳定下来。 这促进了北方冷空气团的持续对流。

图3. 空中质量返回轨迹，截止时间为12:00 UTC 2-5 August 2011气象资料

Sopot观测站，Nexo和Liepaja的观测站都在同一空气区域中，而Sopot和Nexo在500米不一样。 在3000米利耶帕亚和普雷拉正在从北极空中散布。8月4日，波兰东部的低压系统大大减弱，导致空气质量平流方向的变化。 在对流层的较低部分，平均方向更改为位于Nexo，Sopot，Liepaja，Preila的E和SE，但在3000 米。北方流通仍占主导地位。8月5日发展中的低压系统沿着斯堪的纳维亚海岸向北移动。 在那天从西向东横渡波兰。 这种情况将Nexo和Sopot观测站的上部对流层部分的风向改变为西风。空气质量方向改为SE。 8月2-4日的返回轨迹显示（图3a-c）北极空气质量运送到波罗的海南部。 只有在最后一天（8月4日），Sopot和博恩霍尔姆的返回轨迹终止于2000米，表明空气质量平流变化，在这种情况下，气流来自西欧以上。

关于空气污染运输的附加信息可以从远程污染运输模式中获得。为此，我们使用了海军气溶胶分析和预报系统（NAAPS）。 分析期间硫酸盐质量混合比（mu;g/ m3）的NAAPS模拟如图1所示。在头两天（8月2-3日），波罗的海的空气很干净。仅在东部，该模型显示略高的硫酸盐浓度。8月4日，预测了来自西欧的更多污染的空气质量。第二天的模拟显示高水平的硫酸盐波恩霍尔姆和波罗的海西南部分地区。

图4. NAAPS模型表面硫酸盐质量混合比（mu;g/ m3）图2011年8月2-5日.NAAPS模型的水平分辨率为1times;1度在地图创作中采用垂直的25西格玛坐标水平。

图5. 在2011年8月2日在博恩霍尔姆，索波特和Preila，用Microtops II太阳光度计测量500nm处的气溶胶光学深度。

图6.混合单粒子拉格朗日综合轨迹模型（HYSPLIT）8月2日UTC UTC 12时，Borholm，Sopot和Preila获得的后台轨迹HYSPLIT模型运行了36小时，气象数据来自全球数据同化系统（GDAS）。

图7. 使用Microtops II sun photome-获得的Aring;ngstrouml;m指数（440-870nm）2011年8月2日在博恩霍尔姆，索波特和普雷拉。

4.2案例研究 - 2011年8月2日

8月2日，在博恩霍尔姆，Preila和Sopot进行了AOD与Microtops II太阳光度计的测量。 Preila和Sopot的数据显示大约0.1（500nm）的AOD值。 在博恩霍尔姆（Bornholm）测量的AOD值显着较大，振荡约为0.15（图5）。 8月2日12:00 UTC的返回轨迹为500和2000 ma.s.l. 显示所有车站的北方向相似的流量。 然而，Preila的空气质量跨越了该地区（东波罗的海沿岸地区）（图6）。Aring;ngstrouml;m指数的日变化情况如图1所示。 在索波特（1.2-1.6）中观察到最低值，博恩霍尔姆（1.8％）稍高。 从Preila获得的结果显示出显着的变异性（1.6-2.8），这可能由局部溶胶产生来解释。

4.3案例研究 - 2011年8月3日

8月3日，博恩霍尔姆（Bornholm），普雷尼拉（Preila），利耶帕亚（Liepaja）和索波特（Sopot）进行了测量（图8）。博恩霍尔姆的AOD值略小于前一天（约0.11）。在Sopot和Liepaja观察到白天AOD的小量减少;但条件稳定。 Sopot的AOD值在0.08和0.1之间，在Liepaja中为0.05和0.08。在Preila观察到类似的趋势，直到12:00 UTC（AOD约0.08-0.09）。那么AOD显着增加到0.13，这可能是由一些地方影响引起的，或者可能表明来自该地区的平流。与8月2日相比，HYSPLIT模型没有显示（图9）空气质量运输的重要变化。过去36个小时，只有博恩霍尔姆（Bornholm）的空气质量（最低

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