采取自太阳光度计的北方森林大火烟雾的光学特性外文翻译资料

 2022-12-07 04:12

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采取自太阳光度计的北方森林大火烟雾的光学特性

摘要：来源于太阳光度法的气溶胶光学特性通过受加拿大西部北方森林火灾烟雾严重影响的两个太阳光度计测站的气候趋势和两周中一系列观察自附近的和远离北方森林火灾的测站烟雾事件获得。Waskesiu, Saskatchewan, and Thompson, Manitoba的气溶胶光学厚度统计通过1994到1999夏天的数据分析出来。几何平均数和森林火灾频率指数(热点)之间的显著相关性被发现平均而言，加拿大西部80%的夏季光学厚度变化和森林火灾源有关。500nm处相对无烟夏季几何平均值和几何标准差观察为0.074和1.7,最受烟雾的影响的夏季是0.23和3.0。细模式埃指数(alpha;f)的系统降低被提到(dalpha;f /d log tau;a ~-0.6))。这种减少大致对应于细模式有效半径从0.09增加到0.15毫米和粒径增长率在2.0附近。1998年一系列的森林大火事件通过TOMS, AVHRR, and GOES图像，回归轨迹，加拿大和美国东部六个太阳光度计测站数据来追踪。结果显示alpha;f随着一个类似于气候资料的tau;a增加而减少。分析的源站距离显示随着距离的增加alpha;f减少和r eff增加。索引词:0360大气成分和结构:传播和散射辐射;0305年大气成分和结构:气溶胶粒子(0345、4801);3360年气象和大气动力学:遥感;4801海洋学:生物和化学:气溶胶(0305)

关键词:气溶胶;森林火灾烟雾;太阳光度法;光学

1.简介

与生物质燃烧相关的烟微粒代表一个重要的气溶胶，它的全球产生速率能与硫酸盐气溶胶想比拟[Radke,1989;霍顿et al .,2001)。烟雾对直接和间接辐射强迫,减少空气污染,大气化学和能见度降低的影响在地方和地区尺度都很重要(考夫曼et al .,1998;伍兹et al .,1991;李,1998]。烟雾排放很容易通过卫星传感器观测,因此作为一种手段,监测烟雾气溶胶的远程运输以及提供遥感的微粒排放指标利率和相关的微量气体的发射率(Ward et al .,1991)。地面和机载观测的烟用来支持和验证卫星监测项目和提供的无法获得的数据。数据库的发展和气候参数化观测技术很重要,为了更好地理解和模式化这些气溶胶行为。

加拿大北方森林火灾中消耗一个是所有北方约40%的面积被森林大火[股票,1991]。全球生物质燃烧的预算,北方森林火灾占不到10%(即使在燃烧旺季)全球生物质燃烧活动(德怀尔et al .,1998)。尽管这些温和的全球贡献影响西方加拿大森林火灾产生的烟雾nonindustrial的污染来源和能见度的一般考虑道路意义重大,不仅在加拿大西部(Chung,1984)和加拿大北极(哈里斯et al .,1992)也在北美东部(韦氏比重和卡通,1991)。在后一种情况下并不仅限于观察光学烟雾监测对;美国东部四站进行2周的观测，Wotau;awa and Trainer [2000]发现CO变化的主要来源加拿大西北部森林火灾,而罗伯克[1988]证实了在北美表面温度短期大幅减少是由于不列颠哥伦比亚省延长的烟雾。

一个相当大的使用现场抽样技术的研究机构已发表了关于烟的微物理和光学性能的文章。这包括实验室燃烧分析(帕特森和麦克马洪,1984;哈雷特et al .,1989),机载监测规定或当地森林火灾[Radke et al .,1978年,1988;Pueschel et al .,1988;哈雷特et al .,1989;Pueschel和利文斯顿,1990;霍布斯et al .,1996),和动涉及大规模亚马逊地区的森林大火的密集的现场活动(里德和霍布斯,1998;里德et al .,1998;Echalar et al .,1998)。遥感技术包括地面太阳光度法(考夫曼et al .,1992),强化的卫星图像(Chung,1984;李et al .,2001),卫星图像的定量反演烟光学参数(Ferrare et al .,1990;许et al .,1999;李和口,1998 b,Zhang et al .,2001;黄和李,2002),和地面激光雷达与太阳掩星卫星仪器弗洛姆等等。,2000]。

使用地面太阳光度法提供光学烟雾指标属性,尽管原油在缺乏任何垂直歧视能力,健壮,不干扰,瞬时措施column-integrated气溶胶特性。这样的测量验证卫星检索算法的重要来源以及气候气象规模气溶胶动力学模型。卫星反演受到信号竞争由于表面,反射的光子,而气溶胶模型需要稳定的基准指标来验证他们的气溶胶传输和化学算法。

研究使用太阳的光度法”来形容烟雾发表,直到AERONET网络的部署在1990年代早期。太阳光度法这种性质的工作,然而,几乎完全集中在亚马逊热带森林火灾和非洲大草原火灾(考夫曼et al .,1992;Holben et al .,1996;rem et al .,1998;Dubovik et al .,1998;艾克et al .,1999;Holben et al .,2001;艾克et al .,2001)。存在一个相对较小的文献关于烟参数测量与西方或加拿大中部森林大火来源。一些现场空气量,测试报告(Pueschel et al .,1988;Radke et al .,1991;Mazurek et al .,1991;米勒和奥尼尔,1997)以及微粒采样测量在烟雾事件[钟,1984]。大量的观察使用卫星数据报告。

本文试图明确联系太阳光度法测量的指标从加拿大西部森林火灾烟雾的影响。它分为两个主要部分,多年的太阳光度测定数据从两个长期网站的气溶胶变化显然是影响森林火灾烟雾在第三节,虽然第四节致力于研究全身的一系列的火灾烟雾事件发生在1998年8月的头两个星期。attendent目标是(1)来推断气候光学烟雾和统计分析光学深度方差之间的联系和森林火灾烟雾从加拿大西部和(2)记录和光学特征的个案已知的大型光学深度变化引起西方加拿大北方森林火灾烟雾和测量在不同距离。

2.方法讨论

2.1光学分析技术

2.1.1标准光学参数的定义

五个标准光学参数，都提取自太阳光谱光度计数据，被用于推导出本文呈现的结果。它们是气溶胶光学厚度（tau;a），Angstrom指数，Angstrom指数的光谱导数，精细模式的Angstrom指数，精细模式光学厚度和光学厚度的比例。通过每个数据频谱，在通过ln tau;a和 lnl的一个三阶多项式之后，这写参数都在500纳米的参考波长下被评估。

Angstrom指数是一个典型的光学分析参数，它和粒径有关系。同时，往小了说，和折射率也存在联系。气溶胶光学很大程度上由粒径分布决定，而粒径分布也可以细分为亚微米精细模式和超微米粗模式。鉴于这种简单的分布分区，一个可以很容易地显示alpha;和alpha;rsquo;是使用类似的细模和粗模指数加权的h(如上)。

衍生的alpha;rsquo;表明了alpha;在500纳米处的谱线弯曲，并且它本身也非常敏感的在反映粒径和反射率。Eck et al. [2001]通过少量吸收城市气溶胶对比更小更高量的吸收生物质燃烧气溶胶。

2.1.2 alpha;f对reff和tau;a的相关性

细模态的埃指数能被证明为有效粒径的单调函数，图1a显示了北美东海岸气溶胶和生物质燃烧气溶胶一次米氏模拟中alpha;f和reff部分关系。尽管不同的气溶胶模式中细模态埃指数是有不同的，但是在被测气溶胶类型不知道的情况下，仍然能从alpha;f的知识当中获取有效粒径的重要信息。

alpha;f对 tau;a的依赖能够解析的表达出来。图1b展示了一种计算方法，这种计算方法米氏的模拟图1的一个子集的一个例证。论及增加tau;a的原理，这些曲线的斜坡是相关的;图1b中alpha;f最大递减率处对应粒径的纯粹增加，同时斜率逐渐变小是因为一度增加的气溶胶粒子数目。有效半径增长率的大小，它产生了此图，并且受到烟雾老化典型速率的影响。参考这三个非零斜率的例子，对图1b中曲线从tau;a=0.1到tau;a=1.0做回归分析，得到的值dalpha;f/d tau;a=-0.99,-0.64和-0.45.这些值对应（平均）量粒径变化率为0.0，1.5和4.2（参数gamma;的平均值定义在附录B当中）。在一个更近似但是广义的层次上，附录B当中的方程式（B5）允许对已知值gamma;进行数量级估计。

2.2太阳光度计数据

本次工作采纳的光学数据都获取自AERONET和AEROCAN网络的CIMEL自动化太阳光度计和天空辐射仪（AEROCAN网络是AERONET的加拿大子网）。在太阳消光模式当中，CIMEL在七个光谱波段操作（340, 380, 440,500, 675, 870, and 1020 nm 加上 940 nm 水汽波段）；在天空辐射模式当中，它在四个波长（440, 500,675, and 1020 nm）描太阳圆面获取天空亮度数据。操作的细节和数据处理的物流网络Holben等人给出[1998]。

这项工作当中我们把自己很大程度上限制在了消光模式数据当中，并且排除了七个波段当中的340nm波段，因为这个波段比其他波段更容易产生错误。对消光和天空亮度的常规反演是可用的，但是它代表了一个不同的更小的数据集。尽管一些反演数据在下面呈现，我们应该集中于更加常规的消光数据，考虑到它更加有力的统计权重和任何气溶胶的组成和（平均）尺度趋势都可以从纯粹的光学参数监控。这些参数也有与其他观察易于比较的附加优点。

我们的分析技术的第一步是将五个标准光学参数进行可视化为一套四个图形，其中，tau;a分别是alpha;，alpha;，alpha;f， eta;的因变量（比较图4）.

这种类型的代表性是一个传统的alpha;与tau;a图的比较的延伸，其中，为了方便不同类别颗粒的区分，颗粒类型和颗粒数的信息是同时呈现在二维直方图中。〔例如，Kaufman和弗雷泽，1983]。在本文中，我们对这些方面的深入透彻的分析，引出了汇总趋势统计的成果。

[16]在附录A中，我们在alpha;，alpha;，alpha;f， eta;中给出了详细的权重用于量化可信度。

因为在Angstrom指数的大部分工作是基于（经典）来自光谱回归的多波长指数，我们也从中得到了我们的单色指数与经典指数之间的经验关系。

3.加拿大西部气候的光学数据

在上个世纪70年代早期，在一段时期里，至少从WAPMoN网络太阳光度计最初的延伸部署中，一般的、不考虑具体关注烟雾气溶胶的太阳光度测量已经在加拿大得到实施。[福根et al.，1993 ]。许多目标为表征一般气候气溶胶光学厚度的论文，通常的Angstrom系数被写在随后的几年。[Gueymard，1994;斯米尔诺夫等人，1994，1996;马卡姆等人，1997; Fedosejevs等，2000] 从浊度（全色）数据制成的气候更长的记录也应该被提及[山下，1974; Polavarapu，1978;弗氏，1983; Utau;aegbulam和戴维斯，1983; Gueymard和加里森，1998]。

3.1 森林火灾烟气与气溶胶光学厚度的联系

Holben等人 [2001]在AERONET网站对 Thompson,Manitoba的一般气溶胶的光学厚度统计与森林消防活动的定性联系作了报告。这个地区是在寒温带的北部边缘林区，并且有规律的在加拿大西部的森林火灾季受烟流影响。 Holben的多年的统计数据显示了大部分时候引发森林火灾的气溶胶光学厚度的实质性变化。

这个观察结果的基础是多年TOMS烟雾覆盖的估计[Hsu等人，1999]和对主要的气溶胶影响的一般知识。Li等人[1997]从定性的角度，对太阳光度计数据和在AVHRR影像烟雾中观察得到的已知的存在的比较提出了类似的看法。

图2a是整个加拿大西部利用AVHRR热成像检测得到的总热点地块。热点计算和燃烧区域更加相关参数有关[Fraser et al., 2000]。图2 b和2 c是块几何平均数和500nm出气溶胶光学厚度的几何标准差，这些都从夏天（六七八三个月）计算得到，数据从Thompson, Manitoba测站和Waskesiu, Saskatchewan的第二个测站得到（从1994年到1999年）（奥尼尔等人给出了详细的对数正态分布[2000]）.尽管在比较区域变量和本质点变量的时候存在空间上的差异，热点计算或者tau;a，g (或者mu;T)的水平相关性在0.05的置信水平或者接近。特别的是我们可以观察到火灾频发的1994和1995年tau;a，g和mu;t存在大值，1997年没有发生火灾就出现了相应的低值。所有年tau;a，g和热点计算的对应相关系数，Thompson and Waskesiu,分别得到0.69和

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