根据卫星数据估算人为气溶胶的组分外文翻译资料

 2022-11-13 03:11

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根据卫星数据估算人为气溶胶的组分

卫星仪器不能测量需要从自然气溶胶组分中辨别出来的人为气溶胶化学成分。但是新型卫星仪器从海洋上的粗（超微米级）气溶胶中区分细（亚微米级）粒子的能力——这是人为气溶胶组分的特征——可以被用来估算人为气溶胶，不精确度在plusmn;30%。两年的全球MODIS数据显示21 plusmn; 7%的海上气溶胶光学厚度来源为人类活动。我们发现三种用来全球性估算气溶胶对气候的强迫的化学运输模式，计算出全球海上气溶胶光学厚度平均在0.030和0.036之间，与目前MODIS评估的0.033一致。这增强了我们对模型估算气溶胶对气候的直接强迫的信心。用MODIS估计无云海洋上的气溶胶强迫为1.4plusmn;0.4 W / m2。

1.介绍

气候变化研究[政府间气候变化小组（IPCC），2001]和对水文循环中的气溶胶强迫的学习

[Ramanathan等，2001]需要了解气溶胶中的人为组分。自然气溶胶可以引起气候系统的变化，并成为其反馈机制的一部分，例如在撒哈拉地区的干旱时期产生的大量粉尘[Prospero和Lamb，2003] 在干旱条件下可以导致地球系统的冷却和变化。只有人为气溶胶能被视为气候变化的外部因素[Charlson等，1992]。气溶胶通过直接吸收和反射太阳光至宇宙以及通过诱导云微物理、含水量和覆盖率的变化来实现对气候的辐射强迫。[Gunn和Phillips，1957; Twomey等，1984; 阿尔布雷希特，1989年;罗森菲尔德2000; Koren等，2004]。

然而，气溶胶辐射强迫的估算仅基于模型[IPCC,2001]因为我们没有测量全球范围人为气溶胶数量和分布的方法。以前[Kaufman等，2002年]我们建议根据粗气溶胶区分精细的卫星数据可用于此目的。原因是自然气溶胶和人为气溶胶有不同的粗细气溶胶比例。城市/工业

污染和植被燃烧（主要是人为的）造成的烟雾以细气溶胶为主，而粉尘和海洋气溶胶（主要是天然的）主要由粗气溶胶和一定比例的细气溶胶构成。[Tanre等，2001;Kaufman等，2001]。

这里我们使用MODIS测得的海上气溶胶光学厚度和细气溶胶贡献的分数[Tanre等，1997; Remer等，2005]来推导出人为气溶胶的光学厚度。结果用于评估估算气候的气溶胶强迫的化学运输模型。

2.分析

基于卫星的人为气溶胶组分估算方法基于以下假设：

  1. 对于一个给定的气溶胶类型，细气溶胶对气溶胶光学厚度贡献的比例是恒定的;例如细气溶胶决定了烟雾和污染物的光学而以及粗气溶胶决定了粉尘和海洋气溶胶。
  2. 所有烟雾均来自人类活动而粉尘来自自然。估计约有20％的生物燃烧起源于野火[Hobbs等，1997]。大约10％的粉尘可能来自人类活动[Tegen等，2004]。下文中我们会高估烟雾的作用而不是粉尘。
  3. MODIS推导的细气溶胶比例是一致的：任何细气溶胶比例推导中的误差都是常数，并且与真实的细气溶胶比例相关性很好。
  4. 基于AERONET和MODIS的分析[Kaufman等，2001,2005]假设海洋气溶胶光学厚度基线为0.06plusmn;0.01。 这是平静环境下的平均海洋光学厚度。强风可以提高海盐浓度。

我们用人类活动、粉尘和海洋基线来代表总气溶胶光学厚度

（1）

由卫星测得的细气溶胶光学厚度可以这样表示：

（2）

这里我们有两个方程和6个未知数，其中3个：，，——海洋，粉尘和人类活动细颗粒比例，直接来自特定地点的MODIS，其中1个——海洋气溶胶光学厚度来源于AERONET，另外两个总细颗粒比例和光学厚度来自MODIS。这些变量的不确定性的影响将在下一节讨论。根据公式（1）（2）可推出：

（3）

将等式（3）中的代入等式（1）得到的表达式：

（4）

，，的值由坐标中使用二维分类的MODIS数据求得（见图1a）。由干净的海洋地区（20-30S，50-120E）求得，2002年全年= 0.32plusmn;0.07。由非洲西部海岸（15-20W，15N-20N）求得，2002年6月至10月= 0.51plusmn;0.03。而在大西洋西部上空（6月40-50N，70-90W，7月60-80W） = 0.92plusmn;0.03。在，的计算中，先用（1）式-（2）式消去海洋的贡献，然后用这些值计算人为光学厚度，每个地点和时间使用MODIS每日测量的和值。图1b展示了得自作为气溶胶光学函数的式（4）的人为光学厚度比例（ =/）的散点图，它表明了从（，）变换到（，）坐标，如预期的那样生成了固定的不同气溶胶类型的人为比例。

需要注意式（4）是基于清洁海洋气溶胶光学厚度的基线值。在风较强海盐浓度较高的地区式（4）把额外的粗海盐颗粒当作粉尘，会导致计算中出现负的人为光学厚度。在这种情况下将人为光学厚度设置为零。还要注意细颗粒比例的值——主要是海洋气溶胶——对算法的细节和MODIS的校准非常敏感，会随时间和算法版本而变化。

全球数据在方程（4）中的应用显示了人为气溶胶的分布（图2）。出现在总气溶胶的地图中的来自非洲和东亚的粉尘没有出现在人为组分地图中。美洲中部附近在3-5月，北美和南非在6-8月以及东亚全年观察到大量人为气溶胶。

3.与模型比较

对气溶胶气候强迫的估计基于使用气溶胶源和大气进程的详细说明来描述全球气溶胶演变的化学传输模型。模型预测的人为气溶胶光学厚度与观测值拟合到什么程度？有几篇论文比较了模拟和卫星测量的地面总光学厚度，但不是人为组分。

这里，我们可以测试以下假设：让我们假设相比依赖海盐和粉尘的自然风产物模型对人类活动来源（包括汽车，火灾和能源消耗）有更好的计算。我们也知道MODIS有一些来自非常薄的卷云的残留污染[Remer等，2005]。由于云污染具有与粗尘或海盐颗粒类似的光谱特征，因此它引起的是由MODIS导出的粗颗粒光学厚度的误差，而不是细气溶胶光学厚度的误差。因此MODIS与模型之间总气溶胶光学厚度的较大差异（），如图3所示不应转化为人为组分的较大差异。

这一假设在图3中通过将MODIS与SPRINTARS [Takemura等，2002]，GOCART [Chin 等，2002]和LMDZ（M.S.Reddy等人，LMDZ一般循环模型对全球复合组分气溶胶光学厚度和辐射强迫的估计，提交给Journal地球物理研究，2005）模型的模拟对比进行验证。模型也假设所有烟雾气溶胶都是人为的以及所有粉尘都是自然的。尽管MODIS与模型的总光学厚度差异很大，但MODIS人为光学厚度与LMDZ和GOCART相符，并且大多数时间也与SPRINTARS相符，MODIS与模型之间的平均差值为0.001至0.006。

图4显示了基于纬度划分的MODIS与模型之间全球平均气溶胶光学厚度和人为组分的比较。它们有很好的一致性。注意到南纬40-60度光学厚度的增长，正如预期的那样是因为强风带动海盐没有被转化为人为组分。在南部海洋，南纬60-80MODIS得到的人为光学厚度比模型更大，原因应该是该地区增强的DMS产物没有被算法计算在内。

全球平均人为分数定义为人为光学厚度与总光学厚度的比值，在图3中对应MODIS的值为0.23，对应模型的值为0.33至0.42。我们进行了对粉尘细颗粒比例（ =plusmn;0.03），海洋气溶胶细颗粒比例（=plusmn;0.07），污染和烟雾细颗粒比例（ =plusmn;0.03）和气溶胶光学厚度的海上基线值（plusmn;0.01）不确定性的敏感性研究。结果显示全球平均人为比例不确定度为plusmn;0.06，人为光学厚度不确定度=plusmn;0.01。基于热带地区生物燃烧不是100％而是80%的事实[Hobbs等，1997]，并且1/3的全球人为气溶胶来自生物质燃烧[IPCC，2001]，因此将人为比例降低至平均为0.21plusmn;0.07。

4.人为强迫

全球气溶胶在无云海上的辐射效应被估计为[Boucher和Tanre，2000年; Bellouin等，2003; Chou等，2002; Yu等，2004年]3.8 至6.0 W/m2 范围内。L. A. Remer和Y. J. Kaufman（来自MODIS检索的全球海洋气溶胶直接辐射效应，提交给Atmospheric化学与物理，2005）使用MODIS气溶胶数据检索无云海洋上大气顶部的气溶胶辐射效应：= -5.7plusmn;0.4 W / m2。该分析还得出不同气溶胶类型的平均强迫效率。强制效率的定义是每单位气溶胶光学厚度在大气顶部的辐射效应。对于MODIS气溶胶模型细污染和烟雾颗粒的强迫效率预计比平均气溶胶强迫效率高20plusmn;30％。因此人为强迫由人为/总AOT比，人为/总气溶胶强迫效率比/以及气溶胶辐射效应给出：

（5）

5.总结

MODIS从宇宙区分细小和粗糙的气溶胶的能力被用来推导出无云海洋上气溶胶光学厚度的人为组分，值为0.033。尽管在总光学厚度上化学运输模型与MODIS的测量结果不符（MODIS为0.14而这里使用的三种模型为0.090plusmn;0.005），但其中的人为组分他们是相符的，为0.003。结果表明模型的源组合和全球分布与卫星的测量结果相符，增加了IPCC对气溶胶直接辐射强迫的估算和使用化学运输模型的信心。

图1（a）光学厚度和细气溶胶比例坐标下使用MODIS数据的全球海洋气溶胶分类。颜色代表来源为人类活动（式（4），）的气溶胶光学厚度的比例。每一个点代表了一个10°经纬度网格点的2002年7月平均值。（b）同理，但是展示了人为比例下对测量气溶胶的分层。

图2全球总气溶胶光学厚度在海洋上的分布（上）和通过MODIS数据和式（4）求得的人为分量（下）:(左）3月至5月，（右）2002年6月至8月。

图3全球无云海洋平均气溶胶光学厚度，（上）由MODIS（红色）测得和（中）由GOCART（蓝色），LMDZ（绿色）和SPRINTARS（黑色）计算得到。底部： MODIS（红色）和模型的人为气溶胶光学厚度。MODIS和模型的人为组分大体一致（平均值0.033-MODIS，0.032-LMDZ，0.030-GOCART和0.036-SPRINTARS）。

图4基于纬度划分的总（实线）和人为（虚线）气溶胶光学厚度，MODIS（红色），LMDZ（绿色）和GOCART（蓝色）模型。MODIS和LMDZ数据来自于2002年而GOCART数据来自于2001年8月至2002年7月。

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