【摘要】：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,北京及其周邊環(huán)渤海地區(qū)的大氣污染問題日益嚴(yán)重,對人類的生活環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此,對北京地區(qū)進(jìn)行長期有效的氣溶膠觀測研究,并了解大氣污染環(huán)境下氣溶膠的光學(xué)特性,對改善空氣質(zhì)量、評估區(qū)域大至全球的氣溶膠輻射強迫和了解氣候變化都是至關(guān)重要的。本文主要結(jié)合MODIS數(shù)據(jù)、CALIPSO數(shù)據(jù)和AERONET觀測網(wǎng)數(shù)據(jù),采用交互式數(shù)據(jù)語言IDL(Interactive Data Language)處理數(shù)據(jù)的方法研究北京地區(qū)氣溶膠的光學(xué)特性。首先以2013年3月的典型沙塵天氣作為個例進(jìn)行分析,采用CALIPSO和MODIS數(shù)據(jù),根據(jù)532nm波長的衰減后向散射系數(shù)β’532(Z)和雙波長信號比χ’的SCA法對氣溶膠和云進(jìn)行區(qū)分;然后采用CLIM方法來進(jìn)一步識別沙塵氣溶膠,給出了沙塵識別的結(jié)果;再利用HYSPLIT模式和NAAPS氣溶膠模式進(jìn)行沙塵來源和傳輸過程模擬分析,并用雙波長反演法初步反演了氣溶膠的光學(xué)厚度值。然后利用AERONET的太陽直接輻射資料反演沙塵氣溶膠的光學(xué)特性,統(tǒng)計分析北京地區(qū)2001~2013年期間沙塵天氣情況下沙塵氣溶膠的光學(xué)特性。最后利用AERONET的太陽直接輻射資料反演北京地區(qū)氣溶膠的光學(xué)厚度,以及采用天空散射輻射資料反演氣溶膠的單次散射反照率、復(fù)折射指數(shù)以及體積譜分布等光學(xué)特性參數(shù),統(tǒng)計分析北京地區(qū)2002~2013年氣溶膠光學(xué)特性的季節(jié)性變化。研究結(jié)果如下:(1)從各光學(xué)特性參數(shù)的空間分布圖可以得出氣溶膠和云的空間分布情況及其分布高度;結(jié)合采用SCA和CLIM方法可以較好的區(qū)分氣溶膠和云以及識別沙塵氣溶膠。(2)以2013年3月9~11日典型沙塵天氣作為個例分析的結(jié)果表明:北京地區(qū)沙塵天氣情況下,沙塵氣溶膠的退偏振比在0.1~0.4之間,色比通常大于0.3,且沙塵的分布高度一般在4km以下。通過采用HYSPLIT模式和NAAPS氣溶膠模式模擬分析發(fā)現(xiàn)此次沙塵起源于南疆盆地和內(nèi)蒙古中西部地區(qū),符合我國沙塵天氣傳輸路徑中的偏西路徑型。在沙塵傳輸過程中,沙塵天氣對北京的空氣質(zhì)量影響顯著,主要污染物從PM2.5轉(zhuǎn)換為PM10。本文采用雙波長迭代反演法初步反演了此次沙塵暴對北京地區(qū)造成的沙塵天氣情況下沙塵氣溶膠的光學(xué)厚度,分別為0.534和0.621。(3)2001年~2013年的北京沙塵天氣分析結(jié)果:北京沙塵天氣期間受沙塵粒子的影響,氣溶膠光學(xué)厚度值較大,隨波長的增大而減小,在波長440nm處最大,平均值約為1.2;氣溶膠Angstrom波長指數(shù)97.62%均聚集在0.7以下,說明北京沙塵天氣期間粒子較大;沙塵天氣期間單次散射反照率隨波長增加而增加,平均值約為0.93;復(fù)折射指數(shù)實部在波長675nm處最大,平均約為1.55,虛部在440nm處最大,平均值達(dá)到0.006;總的不對稱因子平均值約為0.72;北京地區(qū)沙塵天氣期間氣溶膠粒子譜型成雙峰分布,且以粗模態(tài)粒子為主,其峰值隨光學(xué)厚度的增大而增大,粗模態(tài)粒子的峰值半徑平均約為2.6μm;北京地區(qū)的沙塵天氣主要集中在春季和冬季,且經(jīng)過一系列有效的沙塵治理手段,北京地區(qū)的受沙塵天氣影響的天數(shù)呈減小的趨勢。(4)北京地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性具有很強的季節(jié)性變化:春季和冬季的氣溶膠光學(xué)厚度平均值大于夏季和秋季;北京地區(qū)Angstrom指數(shù)春季和冬季較小,春季的Angstrom指數(shù)平均值最小(0.93),這主要是因為北京地區(qū)春季和冬季是沙塵天氣的多發(fā)季節(jié),有大量的粗沙塵粒子存在造成的;而夏季和秋季主要是人為污染型細(xì)粒子氣溶膠,所以α較大,分別是1.21和1.12。從AERONET數(shù)據(jù)反演得到的降水量發(fā)現(xiàn),北京地區(qū)降水量較小的春季和冬季對應(yīng)的氣溶膠的光學(xué)厚度值較大,降水量較大的夏季和秋季氣溶膠光學(xué)厚度值相對較小,說明降水對氣溶膠沖刷對大氣有一定的清潔作用。北京地區(qū)氣溶膠體積譜分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化,夏季以細(xì)模態(tài)粒子為主,且比其他季節(jié)的體積濃度都大;春季由于受到沙塵粗粒子氣溶膠的影響而呈現(xiàn)以粗模態(tài)粒子為主的特點,春季的粗模態(tài)粒子的體積濃度最大(0.13μm3μm-2),約是細(xì)模態(tài)粒子體積濃度的2.5倍。(5)在氣候和輻射模型中北京地區(qū)的單次散射反照率春夏秋冬四個波段的均值分別為0.90、0.92、0.88、0.86;不對稱因子在440、675、870、1020nm四個波段的均為0.66。復(fù)折射指數(shù)實部為1.52,虛部為0.0118。
[Abstract]:With the development of economy and the acceleration of the process of urbanization, the problem of air pollution in Beijing and its surrounding area is becoming more and more serious, and has a serious impact on the living environment of human. Therefore, it is of vital importance to study the long-term aerosol observation in Beijing and to know the optical characteristics of the aerosol in the atmosphere of air pollution. In this paper, the optical properties of the aerosol in Beijing area are studied by using the interactive data language IDL (Interactive Data Language) processing data in combination with the MODIS data, the CALIPSO data and the AERONET observation network data. First of all, the typical sand-dust weather in March of 2013 is analyzed, and the CALLIPSO and MODIS data are adopted to distinguish the aerosol and the cloud according to the attenuation of the 532 nm wavelength and the SCA method of the two-wavelength signal is used to distinguish the aerosol and the cloud, and then a CLIM method is adopted to further identify the dust aerosol, The results of sand-dust identification are given. The model of HYSPLIT and NAAPS is used to simulate the dust source and the transmission process, and the optical thickness of the aerosol is initially inverted by the double-wavelength inversion method. The optical characteristics of the dust aerosol are then inverted by using the solar direct radiation data of AERONET, and the optical characteristics of the dust aerosol in the sand and dust weather in Beijing area from 2001 to 2013 are analyzed. finally, the optical thickness of the aerosol in the Beijing area is inverted by using the solar direct radiation data of the AERONET, and the optical characteristic parameters such as a single scattering albedo, a complex refraction index and a volume spectrum distribution of the aerosol are inverted by using the sky scattered radiation data, Statistical analysis of the seasonal variation of aerosol optical properties in Beijing from 2002 to 2013. The results are as follows: (1) The spatial distribution of the aerosol and the cloud and the distribution height of the aerosol and the cloud can be obtained from the spatial distribution diagram of each optical characteristic parameter; and the aerosol and the cloud can be better distinguished and the dust aerosol can be identified by combining the SCA and the CLIM method. (2) The results of the analysis of the typical sand-dust weather from March 9 to 11,2013 show that the depolarizing ratio of the dust aerosol is between 0.1 and 0.4, the color ratio is usually more than 0.3, and the distribution height of the dust is generally less than 4km. By using the HYSPLIT model and the NAAPS aerosol model, it is found that this dust originated from the south Xinjiang basin and the central and western part of Inner Mongolia, and is in accordance with the west-west path type in the sand-dust weather transmission path in China. In the process of sand transport, the dust weather has a significant impact on the air quality in Beijing, and the main pollutants are converted from PM2.5 to PM10. In this paper, the optical thickness of the dust aerosol in the dust and dust in Beijing area due to the dust storm is obtained by the double-wavelength iterative inversion method, which is 0.534 and 0.621, respectively. (3) The results of the study on the dust weather in Beijing from 2001 to 2013: the influence of the dust particles during the Beijing dust weather, the large value of the aerosol optical thickness, the decrease with the increase of the wavelength, the maximum at the wavelength of 440 nm and the average value of about 1.2; The aerosol Angstrom wavelength index is 97.62%, which is below 0.7, indicating that the particles are large during the sand-dust weather in Beijing; the single-scattering albedo increases with the increase of the wavelength, the average value is about 0.93; the real part of the complex refractive index is the largest at the wavelength of 675 nm, and the average is about 1.55, the average value of the total asymmetry factor is about 0.72; the average value of the total asymmetry factor is about 0.72; the aerosol particle spectrum type is a bimodal distribution during the dust weather in the beijing area, and the peak value of the aerosol particle is increased with the increase of the optical thickness, The average radius of the coarse-mode particles is about 2.6. m u.m. The dust weather in Beijing area is mainly concentrated in spring and winter, and the number of days affected by the sand-dust weather in Beijing is decreasing. (4) The optical characteristics of the aerosol in Beijing have a strong seasonal change: the average of the aerosol optical thickness in the spring and winter is greater than that in the summer and autumn; the Angstrom index in Beijing is smaller in spring and in winter, and the average value of the Angstrom index in the spring is the smallest (0.93). This is mainly because the spring and winter of Beijing are the multi-season of sand-dust weather, and there is a large number of coarse sand-dust particles, while the summer and fall are mainly artificial pollution-type fine-particle aerosol, so it is relatively large, which is 1.21 and 1.12, respectively. The precipitation in Beijing is relatively small in spring and winter, and the optical thickness of the aerosol in summer and autumn is relatively small. It is indicated that the precipitation has a certain cleaning effect on the atmosphere. The distribution of the aerosol volume in the Beijing area shows a significant seasonal change, with fine-mode particles as the main in the summer and larger than the volume concentration in other seasons; the spring is mainly characterized by coarse-mode particles due to the influence of the dust-coarse-particle aerosol, The volume concentration of the coarse-modal particles in the spring is the largest (0.13. mu.m-m3. mu.m-2), which is about 2.5 times the volume concentration of the fine-mode particles. (5) In the climate and radiation model, the mean value of the single-scattering albedo in Beijing is 0.90, 0.92, 0.88, 0.86, and the asymmetry factor is 0.66 in the four bands of 440,675,870 and 1020 nm, respectively. The real part of the complex refractive index is 1.52 and the imaginary part is 0.0118.
【學(xué)位授予單位】：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X513

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本文編號：2498820