国内外气溶胶观测网络发展进展 及相关科学计划 延昊矫梅燕毕宝贵刘桂清 中国气象局国家气象中心 摘要:气溶胶是气候变化研究中的一个极大的不确定性因素,国内外在此方面开展 了大量的观测和科学研究。本文首先对当前全球两大气溶胶观测网络,世界气象组织 (wMO)的全球大气观测计划(GAW)和气溶胶自动观测网( AERONET)的组织、规模 设备、数据和气溶胶网络的规范作了介绍,并对近年来国际上的重大气溶胶科学计划的目 标、实验方法、步骤作了介绍,说明观测网络的重要性。在此基础上对中国气溶胶观测网 络的地位做了分析,并指出其在正在开展的中国气溶胶科学研究中的重要性。 关键词:气溶胶;光学厚度;气候效应;中国气溶胶观测网络 引言 大气气溶胶是指悬浮在大气中的直径10-3~1021m的固体和液体微粒组成的多相体系,气溶胶 是大气辐射平衡和气候变化研究中不确定性的一个关键因素。气溶胶从直接和间接两个方面影响大 气12),直接影响是指气溶胶对辐射的散射和吸收影响行星反照率和气候系统;间接影响是指气溶胶 会增加云凝结核的数量,尽管在一定的云水含量下是否会增加云滴数目存在一定疑问,但云反照率 的增加无疑会影响大气辐射平衡。同样,云的生消和降雨的频率也会受到影响。即使不考虑这一不 确定性,大量气溶胶的辐射影响在区域尺度上与温室气体的强度相当,但辐射强迫的方向相反,气 溶胶会起到降温的效果。 气溶胶光学厚度是描述气溶胶对太阳辐射进行散射和吸收消光的一个定量指标3,也是对大气
国内外气溶胶观测网络发展进展 及相关科学计划 延 昊 矫梅燕 毕宝贵 刘桂清 中国气象局国家气象中心 摘 要： 气溶胶是气候变化研究中的一个极大的不确定性因素， 国内外在此方面开展 了大量的观测和科学研究。 本文首先对当前全球两大气溶胶观测网络， 世界气象组织 （ＷＭＯ） 的全球大气观测计划 （ＧＡＷ） 和气溶胶自动观测网 （ＡＥＲＯＮＥＴ） 的组织、 规模、 设备、 数据和气溶胶网络的规范作了介绍， 并对近年来国际上的重大气溶胶科学计划的目 标、 实验方法、 步骤作了介绍， 说明观测网络的重要性。 在此基础上对中国气溶胶观测网 络的地位做了分析， 并指出其在正在开展的中国气溶胶科学研究中的重要性。 关键词： 气溶胶； 光学厚度； 气候效应； 中国气溶胶观测网络 引言 大气气溶胶是指悬浮在大气中的直径 １０ ３～１０２Ｌｍ 的固体和液体微粒组成的多相体系， 气溶胶 是大气辐射平衡和气候变化研究中不确定性的一个关键因素。 气溶胶从直接和间接两个方面影响大 气［１⁃２］ ， 直接影响是指气溶胶对辐射的散射和吸收影响行星反照率和气候系统； 间接影响是指气溶胶 会增加云凝结核的数量， 尽管在一定的云水含量下是否会增加云滴数目存在一定疑问， 但云反照率 的增加无疑会影响大气辐射平衡。 同样， 云的生消和降雨的频率也会受到影响。 即使不考虑这一不 确定性， 大量气溶胶的辐射影响在区域尺度上与温室气体的强度相当， 但辐射强迫的方向相反， 气 溶胶会起到降温的效果。 气溶胶光学厚度是描述气溶胶对太阳辐射进行散射和吸收消光的一个定量指标［３］ ， 也是对大气 ·２１７·
城市学研究2015年第1期 柱气溶胶载荷的估计,并用来评估气溶胶的直接辐射强迫。光学厚度可以通过地面上的太阳光度计 测定太阳光谱透过率得到。地基气溶胶光学厚度的获得对于由卫星反演的气溶胶光学厚度的标定和 验证极其重要,此外对于定量遥感分析气溶胶气候影响也是必要的。 王明星1总结出大气气溶胶研究的前沿问题是气溶胶的基本特征、气溶胶的气候效应、沙尘气 溶胶以及气溶胶对环境健康的影响,并指出气溶胶研究强烈依赖于观测数据的获取。刘毅4围绕以 上四个方面对近年来中国气溶胶研究的现状作了总结,说明了观测资料对研究成果的支持作用,并 指出利用卫星遥感和地面光学探测的研究方法,在区域尺度上给出光学厚度、谱分布和气溶胶指数 是下一步中国气溶胶研究的基础。 本文首先对目前国际上两大气溶胶观测网络和几个主要国家的观测网络做一对比介绍,并通过 国际上三个代表性的气溶胶研究计划说明观测网络建设的重要性。最后分析了中国气溶胶观测网络 的地位和差距,基于该观测网的科研计划及未来对其他气溶胶研究的基础作用 气溶胶观测网络 当前在国际上有两大全球气溶胶光学厚度观测网络,世界气象组织(WMO)的全球大气观测计 划(GAW)和气溶胶自动观测网( AERONET)。其中,世界气象组织的GAW已在12个站设立了精 确滤光辐射计进行连续自动观测,以研究气溶胶的长期变化趋势。 AERONET是已建成的另一个全球 观测网络,通过联盟建立起400个台站的网络。这两个网络在世界范围内可以互相弥补观测的空白 区域,并提供相互比较,通过协作组成一个完整的全球气溶胶光学厚度观测网络。 1.世界气象组织(wMO)的气溶胶观测网络 WMO的气溶胶观测网络是建立在全球大气观测计划GAW16( Global Atmosphere Watch Pro gramme)的框架之下。GAW气溶胶计划的目标是研究气溶胶的时空分布,分析气溶胶的气候驱动力 和对空气质量的影响。GAW的观测项目包括气溶胶光学厚度、质量、化学组成、消光系数、数密 度、粒子谱分布以及湿度对气溶胶特性的影响等3。WMO建议气溶胶光学厚度观测设备应在以下 波段对太阳直射光进行观测:368,412,500,675,778,862m,波段宽度为5nm。 完整的GAW气溶胶观测网络计划由全球基准站和区域站两部分组成,全球站共22个,观测 GAW推荐的所有观测项目;区域站共300个,仅观测部分项目。GAW已建立起12个气溶胶光学厚 度观测站。 由于气溶胶在大气中的滞留时间较短,而且气溶胶的特征和类型存在显著变化,GAW将全球的 气溶胶简单地作以下分类:海洋、干洁大陆、污染大陆、北极、南极、亚洲沙尘、撒哈拉沙尘、生 物燃烧和对流层气溶胶。GAW的22个全球站基本覆盖了这些气溶胶类型,这些站主要分布在远离 人类影响的偏远地区。同时,GAW建议加密观测污染大陆型气溶胶,计划将300个区域站建立在离 污染大陆型气溶胶源较近的地方,这样的话,全球站可以作为区域站的基准站和背景站。中国的瓦 18
柱气溶胶载荷的估计， 并用来评估气溶胶的直接辐射强迫。 光学厚度可以通过地面上的太阳光度计 测定太阳光谱透过率得到。 地基气溶胶光学厚度的获得对于由卫星反演的气溶胶光学厚度的标定和 验证极其重要， 此外对于定量遥感分析气溶胶气候影响也是必要的。 王明星［２］总结出大气气溶胶研究的前沿问题是气溶胶的基本特征、 气溶胶的气候效应、 沙尘气 溶胶以及气溶胶对环境健康的影响， 并指出气溶胶研究强烈依赖于观测数据的获取。 刘毅［４］ 围绕以 上四个方面对近年来中国气溶胶研究的现状作了总结， 说明了观测资料对研究成果的支持作用， 并 指出利用卫星遥感和地面光学探测的研究方法， 在区域尺度上给出光学厚度、 谱分布和气溶胶指数 是下一步中国气溶胶研究的基础。 本文首先对目前国际上两大气溶胶观测网络和几个主要国家的观测网络做一对比介绍， 并通过 国际上三个代表性的气溶胶研究计划说明观测网络建设的重要性。 最后分析了中国气溶胶观测网络 的地位和差距， 基于该观测网的科研计划及未来对其他气溶胶研究的基础作用。 一、 气溶胶观测网络 当前在国际上有两大全球气溶胶光学厚度观测网络， 世界气象组织 （ＷＭＯ） 的全球大气观测计 划 （ＧＡＷ） 和气溶胶自动观测网 （ＡＥＲＯＮＥＴ）。 其中， 世界气象组织的 ＧＡＷ 已在 １２ 个站设立了精 确滤光辐射计进行连续自动观测， 以研究气溶胶的长期变化趋势。 ＡＥＲＯＮＥＴ 是已建成的另一个全球 观测网络， 通过联盟建立起 ４００ 个台站的网络。 这两个网络在世界范围内可以互相弥补观测的空白 区域， 并提供相互比较， 通过协作组成一个完整的全球气溶胶光学厚度观测网络。 １ 世界气象组织 （ＷＭＯ） 的气溶胶观测网络 ＷＭＯ 的气溶胶观测网络是建立在全球大气观测计划 ＧＡＷ ［５⁃６］ （Ｇｌｏｂａｌ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｗａｔｃｈ Ｐｒｏ⁃ ｇｒａｍｍｅ） 的框架之下。 ＧＡＷ 气溶胶计划的目标是研究气溶胶的时空分布， 分析气溶胶的气候驱动力 和对空气质量的影响。 ＧＡＷ 的观测项目包括气溶胶光学厚度、 质量、 化学组成、 消光系数、 数密 度、 粒子谱分布以及湿度对气溶胶特性的影响等［３］ 。 ＷＭＯ 建议［７］气溶胶光学厚度观测设备应在以下 波段对太阳直射光进行观测： ３６８， ４１２， ５００， ６７５， ７７８， ８６２ｎｍ， 波段宽度为 ５ｎｍ。 完整的 ＧＡＷ 气溶胶观测网络计划由全球基准站和区域站两部分组成， 全球站共 ２２ 个， 观测 ＧＡＷ 推荐的所有观测项目； 区域站共 ３００ 个， 仅观测部分项目。 ＧＡＷ 已建立起 １２ 个气溶胶光学厚 度观测站。 由于气溶胶在大气中的滞留时间较短， 而且气溶胶的特征和类型存在显著变化， ＧＡＷ 将全球的 气溶胶简单地作以下分类： 海洋、 干洁大陆、 污染大陆、 北极、 南极、 亚洲沙尘、 撒哈拉沙尘、 生 物燃烧和对流层气溶胶。 ＧＡＷ 的 ２２ 个全球站基本覆盖了这些气溶胶类型， 这些站主要分布在远离 人类影响的偏远地区。 同时， ＧＡＷ 建议加密观测污染大陆型气溶胶， 计划将 ３００ 个区域站建立在离 污染大陆型气溶胶源较近的地方， 这样的话， 全球站可以作为区域站的基准站和背景站。 中国的瓦 ·２１８· 城 市 学 研 究 ２０１５ 年第 １ 期
2014“城市生态环境问题”钱学森城市学金奖、西湖城市学金奖征集评选 里关站是其中一个重要的全球观测基准站。 GAW的气溶胶观测网络还设有专门的数据中心和仪器定标中心。 (1)世界气溶胶数据中心WDCA GAW计划由wDCA( World Data Center for Aerosols)管理全球的气溶胶观测数据,并建立定标 中心以保证全球数据的可比性。覆盖全球的观测站和大量的气溶胶观测数据,使得GAW气溶胶计划 成为全球卫星数据地面验证的基础。 (2)世界光学厚度研究和定标中心 WORCC WORCC( World Opticaldepth Research and Calibration Center)是瑞士于1996为WMO/GAW建立 的,其目的是:研制高精度的观测光学厚度的太阳光度计,提供全球光学厚度观测的一致性方法 提供标准化的太阳光度计,并研究光学厚度的新观测方法。在GAW的全球观测项目中对新型太阳光 度计进行实验,以测试光学厚度的反演方法和定标系数的提取方法,对新型太阳光度计的操作人员 进行培训。已开展了以下工作:1998年对一个由同温层气球携带至40km高的新型太阳光度计进行 了定标,以测定其在大气层顶的仪器定标系数;将该新型太阳光度计每两年与一个标准硅检测器进 行定标比对,证明新设备性能稳定在0.5%以内。现在GAW使用的新型太阳光度计是4波段光度计 中心波长为368,412,500和862m。世界气象组织WMO/GAW的气溶胶观测网络正在建设,一些 相关规范还未建立。 2.气溶胶自动观测网络 AERONET AERONET( Aerosol robotic Network)由美国国家宇航局NASA提供财政经费。 AERONET是一个 地基气溶胶遥感网络,与世界上的其它气溶胶观测网络如 PHOTONS、 AErOCAN和一些机构、研究 所组成了一个观测联盟。 AERONET的目标是获取气溶胶的特征参数,并验证卫星反演的气溶胶参 数。AERO-NET在全球陆地和海洋上分布着400个观测站,采用的观测设备主要是 CIMEL系列太阳 光度计。 AERONET已经对设备、定标和数据的处理建立了一系列的标准,并通过协作提供全球不同气溶 胶类型区的气溶胶光学厚度、 Angstrom指数、反演参数产品和可降水量数据。 气溶胶自动观测网络 AERONET是当前世界上正在业务运行的一个大型气溶胶观测网络,在世界 各地分布有大量的观测仪器,其设备定标、数据传输、数据分级、质量保证和产品生成等都形成了 整套规范 3.法国气溶胶网络 Photons 法国气溶胶网络 Photons在202年获得法国科技部的支持,成为国家级的环境硏究观测项目, 经费来自于法国国家科学研究中心CNRS。现在维护着35台自动 CIMEL太阳光度计,主要负责分布 在法国、非洲和部分欧洲的25个站点的管理工作。并开始建立自己的定标设施 开展的研究包括气溶胶气象(气溶胶的光学和微物理参数),卫星一太阳光度计联合研究,太阳 光度计和雷达的耦合研究,野外实验等
里关站是其中一个重要的全球观测基准站。 ＧＡＷ 的气溶胶观测网络还设有专门的数据中心和仪器定标中心。 （１） 世界气溶胶数据中心 ＷＤＣＡ ＧＡＷ 计划由 ＷＤＣＡ （Ｗｏｒｌｄ Ｄａｔａ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ａｅｒｏｓｏｌｓ） 管理全球的气溶胶观测数据， 并建立定标 中心以保证全球数据的可比性。 覆盖全球的观测站和大量的气溶胶观测数据， 使得 ＧＡＷ 气溶胶计划 成为全球卫星数据地面验证的基础。 （２） 世界光学厚度研究和定标中心 ＷＯＲＣＣ ＷＯＲＣＣ （Ｗｏｒｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌｄｅｐｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ） 是瑞士于 １９９６ 为 ＷＭＯ／ ＧＡＷ 建立 的， 其目的是： 研制高精度的观测光学厚度的太阳光度计， 提供全球光学厚度观测的一致性方法， 提供标准化的太阳光度计， 并研究光学厚度的新观测方法。 在 ＧＡＷ 的全球观测项目中对新型太阳光 度计进行实验， 以测试光学厚度的反演方法和定标系数的提取方法， 对新型太阳光度计的操作人员 进行培训。 已开展了以下工作： １９９８ 年对一个由同温层气球携带至 ４０ｋｍ 高的新型太阳光度计进行 了定标， 以测定其在大气层顶的仪器定标系数； 将该新型太阳光度计每两年与一个标准硅检测器进 行定标比对， 证明新设备性能稳定在 ０ ５％以内。 现在 ＧＡＷ 使用的新型太阳光度计是 ４ 波段光度计， 中心波长为 ３６８， ４１２， ５００ 和 ８６２ｎｍ。 世界气象组织 ＷＭＯ／ ＧＡＷ 的气溶胶观测网络正在建设， 一些 相关规范还未建立。 ２ 气溶胶自动观测网络 ＡＥＲＯＮＥＴ ＡＥＲＯＮＥＴ （Ａｅｒｏｓｏｌ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｎｅｔｗｏｒｋ） 由美国国家宇航局 ＮＡＳＡ 提供财政经费。 ＡＥＲＯＮＥＴ 是一个 地基气溶胶遥感网络， 与世界上的其它气溶胶观测网络如 ＰＨＯＴＯＮＳ、 ＡＥＲＯＣＡＮ 和一些机构、 研究 所组成了一个观测联盟。 ＡＥＲＯＮＥＴ 的目标是获取气溶胶的特征参数， 并验证卫星反演的气溶胶参 数。 ＡＥＲＯ－ＮＥＴ 在全球陆地和海洋上分布着 ４００ 个观测站， 采用的观测设备主要是 ＣＩＭＥＬ 系列太阳 光度计。 ＡＥＲＯＮＥＴ 已经对设备、 定标和数据的处理建立了一系列的标准， 并通过协作提供全球不同气溶 胶类型区的气溶胶光学厚度、 Ａｎｇｓｔｒｏｍ 指数、 反演参数产品和可降水量数据。 气溶胶自动观测网络 ＡＥＲＯＮＥＴ 是当前世界上正在业务运行的一个大型气溶胶观测网络， 在世界 各地分布有大量的观测仪器， 其设备定标、 数据传输、 数据分级、 质量保证和产品生成等都形成了 一整套规范。 ３ 法国气溶胶网络 Ｐｈｏｔｏｎｓ 法国气溶胶网络 Ｐｈｏｔｏｎｓ 在 ２００２ 年获得法国科技部的支持， 成为国家级的环境研究观测项目， 经费来自于法国国家科学研究中心 ＣＮＲＳ。 现在维护着 ３５ 台自动 ＣＩＭＥＬ 太阳光度计， 主要负责分布 在法国、 非洲和部分欧洲的 ２５ 个站点的管理工作。 并开始建立自己的定标设施。 开展的研究包括气溶胶气象 （气溶胶的光学和微物理参数）， 卫星—太阳光度计联合研究， 太阳 光度计和雷达的耦合研究， 野外实验等。 ·２１９· ２０１４ “城市生态环境问题” 钱学森城市学金奖、 西湖城市学金奖征集评选
城市学研究2015年第1期 4.加拿大太阳光度计网络 Aerocan 加拿大太阳光度计网络 AeroCan( Canadian Sun- Photometer Network),由加拿大遥感中心CCRS提 供财政经费,并接受美国NASA- AERONET的部分经费支持。 Aero can网络由分布在加拿大全境的全 自动CMEL型太阳光度计组成。现在已建成由10个观测站组成的网络,下一步计划在北极和东西海 岸布设气溶胶光学厚度观测点。 Aerocan的目标是在加拿大有代表性的地区为卫星遥感大气订正提供气溶胶光学厚度观测数据 用气溶胶光学厚度观测真值验证卫星反演参数;分析气溶胶光学厚度的时空变化;为区域气溶胶气 候模型提供验证。 5.澳大利亚气溶胶地基网络 AGSNet 澳大利亚气溶胶地基网络 AGNEt( Aerosol Ground Station Network)由联邦科学和工业研究组织 CSIRO的地球观测中心负责管理和维护。1998年开始建立,现在已建立起6个观测站,采用的观测 设备主要是 CIMEL太阳光度计。已建立起自己的定标设施。 AGSNet的目的是增加对空气中的颗粒物,即气溶胶的理解,了解他们的特征和气候影响。澳大 利亚的最主要气溶胶是干季大火排放的烟尘和干旱地区排放的沙尘。 AGNEt与美国NASA的AERO NET保持紧密联系。 6.日本的气溶胶/辐射观测网络 Skynet 日本气溶胶/辐射观测网络 Skynet( Aerosol/ Radiation Observation Network),包括14个观测站, 主要分布在日本,在中国、蒙古国、泰国还设有观测点。采用的太阳/天空自动辐射计是日本 Prede 公司的8波段(315,400,500,675,78,870,940和1020m)太阳光度计。 7.韩国的气溶胶/辐射观测站 韩国的气溶胶观测网络的规模较小,仅有一个观测台站,是大气辐射观测系统的一个组成部分 由韩国气象局KMA的气象研究所 METRI负责管理和维护。采用日本 Prede公司的8波段(315 400,500,675,778,870,940和1020m)的太阳光度计。 8.中国气溶胶观测网络 CAeroNet 中国的气溶胶观测网络 CAeroNet由中国气象局负责建设和管理,是中国气象局沙尘暴监测预警 服务系统的一个重要子系统。从2002年开始建站,已建成20个观测站,主要分布在中国北方的沙 尘源区、沿途和东部沙尘影响区。 CAeroNet采用的观测设备主要是 CIMEL太阳光度计(型号为 CE318-),这种最新型的太阳/天空自动辐射计可以在光晕平面和主平面对大气透过率和天空辐射进 行测定,能自动跟踪、测量太阳直接辐射,自动存储测量数据和传输资料。现在通过气象系统的数 据网络远程传输数据,实现自动采集和远程数据传输。中国气溶胶观测网络有助于大气环境监测和 气候研究,还将对卫星遥感产品的真实性进行监测,同时将在环境、通讯、林业、农业和沙尘暴监 测中发挥重要作用。 中国气象局计划在沙尘暴天气多发的中国北方地区布设仪器设备,组建一个自动化程度较高的
４ 加拿大太阳光度计网络 ＡｅｒｏＣａｎ 加拿大太阳光度计网络 ＡｅｒｏＣａｎ （Ｃａｎａｄｉａｎ Ｓｕｎ⁃Ｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ）， 由加拿大遥感中心 ＣＣＲＳ 提 供财政经费， 并接受美国 ＮＡＳＡ⁃ＡＥＲＯＮＥＴ 的部分经费支持。 ＡｅｒｏＣａｎ 网络由分布在加拿大全境的全 自动 ＣＩＭＥＬ 型太阳光度计组成。 现在已建成由 １０ 个观测站组成的网络， 下一步计划在北极和东西海 岸布设气溶胶光学厚度观测点。 ＡｅｒｏＣａｎ 的目标是在加拿大有代表性的地区为卫星遥感大气订正提供气溶胶光学厚度观测数据； 用气溶胶光学厚度观测真值验证卫星反演参数； 分析气溶胶光学厚度的时空变化； 为区域气溶胶气 候模型提供验证。 ５ 澳大利亚气溶胶地基网络 ＡＧＳＮｅｔ 澳大利亚气溶胶地基网络 ＡＧＳＮｅｔ （Ａｅｒｏｓｏｌ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ） 由联邦科学和工业研究组织 ＣＳＩＲＯ 的地球观测中心负责管理和维护。 １９９８ 年开始建立， 现在已建立起 ６ 个观测站， 采用的观测 设备主要是 ＣＩＭＥＬ 太阳光度计。 已建立起自己的定标设施。 ＡＧＳＮｅｔ 的目的是增加对空气中的颗粒物， 即气溶胶的理解， 了解他们的特征和气候影响。 澳大 利亚的最主要气溶胶是干季大火排放的烟尘和干旱地区排放的沙尘。 ＡＧＳＮｅｔ 与美国 ＮＡＳＡ 的 ＡＥＲＯ⁃ ＮＥＴ 保持紧密联系。 ６ 日本的气溶胶／ 辐射观测网络 Ｓｋｙｎｅｔ 日本气溶胶／ 辐射观测网络 Ｓｋｙｎｅｔ （Ａｅｒｏｓｏｌ ／ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ）， 包括 １４ 个观测站， 主要分布在日本， 在中国、 蒙古国、 泰国还设有观测点。 采用的太阳／ 天空自动辐射计是日本 Ｐｒｅｄｅ 公司的 ８ 波段 （３１５， ４００， ５００， ６７５， ７７８， ８７０， ９４０ 和 １０２０ｎｍ） 太阳光度计。 ７ 韩国的气溶胶／ 辐射观测站 韩国的气溶胶观测网络的规模较小， 仅有一个观测台站， 是大气辐射观测系统的一个组成部分。 由韩国气象局 ＫＭＡ 的气象研究所 ＭＥＴＲＩ 负责管理和维护。 采用日本 Ｐｒｅｄｅ 公司的 ８ 波段 （３１５， ４００， ５００， ６７５， ７７８， ８７０， ９４０ 和 １０２０ｎｍ） 的太阳光度计。 ８ 中国气溶胶观测网络 ＣＡｅｒｏＮｅｔ 中国的气溶胶观测网络 ＣＡｅｒｏＮｅｔ 由中国气象局负责建设和管理， 是中国气象局沙尘暴监测预警 服务系统的一个重要子系统。 从 ２００２ 年开始建站， 已建成 ２０ 个观测站， 主要分布在中国北方的沙 尘源区、 沿途和东部沙尘影响区。 ＣＡｅｒｏＮｅｔ 采用的观测设备主要是 ＣＩＭＥＬ 太阳光度计 （型号为 ＣＥ３１８⁃ＩＩ）， 这种最新型的太阳／ 天空自动辐射计可以在光晕平面和主平面对大气透过率和天空辐射进 行测定， 能自动跟踪、 测量太阳直接辐射， 自动存储测量数据和传输资料。 现在通过气象系统的数 据网络远程传输数据， 实现自动采集和远程数据传输。 中国气溶胶观测网络有助于大气环境监测和 气候研究， 还将对卫星遥感产品的真实性进行监测， 同时将在环境、 通讯、 林业、 农业和沙尘暴监 测中发挥重要作用。 中国气象局计划在沙尘暴天气多发的中国北方地区布设仪器设备， 组建一个自动化程度较高的 ·２２０· 城 市 学 研 究 ２０１５ 年第 １ 期
2014“城市生态环境问题”钱学森城市学金奖、西湖城市学金奖征集评选 沙尘暴天气综合监测网。从2002年开始,中国气象局已在中国北方9个省市(新疆、甘肃、宁夏 陕西、山西、河北、内蒙古、北京和天津)建立了20个沙尘暴综合监测站,将设有太阳光度计、能 见度仪、热红外仪、气溶胶浊度仪、土壤温度计、TSP等自动化程度较高的先进仪器和设备。通过 对以上仪器实时观测得到的数据(包括大气光学特性、近地面大气气溶胶物理化学特性、边界层风、 能见度、温度)进行分析,实时获取与沙尘暴产生、发展、路径和消亡有关的重要参数,并利用沙 尘气溶胶模式进行模拟和预报,从而建立起一个完整的沙尘暴监测、预警系统,客观定量分析和评 估沙尘暴造成的影响和危害。 同时,中国气象局和韩国国际协力团在2003年正式启动中韩沙尘暴联合监测网络项目。根据沙 尘暴发生、发展和移动特点,将在中国内蒙古的朱日和、通辽,山西的榆社,山东的惠民,辽宁的 大连建立5个沙尘暴联合监测站,布设相应的气溶胶质量浓度仪、干沉降观测仪、太阳光度计、能 见度仪、激光雷达等设备对当地大气中沙尘浓度、能见度及三维结构等进行探测,并通过气象部门 的国际通信线路传送至韩国气象部门,实现数据共享。在该项目中,双方将定期互派专家并召开联 合研讨会,研究和开发沙尘暴预报的方式方法,提高两国对沙尘天气的监测和预报水平。 二、 AERONET观测网络的规范 AERONET在长期系统运行过程中,对设备、定标和数据的处理建立了一系列的标准,成为一种 事实上的规范 1.设备 气溶胶观测采用Cime公司的标准太阳光度计(型号为CE318-1,包括5个波段)和极化太阳光 度计(CE318-I,包括带偏振的8个波段)。CE-318系列为高精度野外太阳和天空辐射测量仪器,其 包括的气溶胶波段:440,670,870和1020m,水汽波段为936m,所有通道的波段宽度为10m。 2.定标 AERONET定标参考设备安装在夏威夷冒纳罗亚山上,每隔3个月使用 Langley定标方法重新定 标,使得反演的气溶胶光学厚度的误差在0.002至0.005之间。其他的太阳光度计在使用前和使用过 程中与在冒纳罗亚定标的参考设备进行交叉定标,这些交叉定标的太阳光度计反演的误差在001至 0.02之间。 Langley定标方法要求在高海拔地区,能见度在50km以上的晴天早上进行 3.数据处理 所有 AERONET观测站点的数据每小时经由静止卫星(GOES, METEOSAT)发送至专门的数据 接收中心。随后,根据每个设备自己的定标系数,将原始数据处理为光学厚度、可降水量和其他反 演产品。并且,将每天的气溶胶光学厚度、谱分布、大气水汽和观测设备状况数据(如时钟精度 电压等)分发给相应观测站的管理员。 4.数据等级
沙尘暴天气综合监测网。 从 ２００２ 年开始， 中国气象局已在中国北方 ９ 个省市 （新疆、 甘肃、 宁夏、 陕西、 山西、 河北、 内蒙古、 北京和天津） 建立了 ２０ 个沙尘暴综合监测站， 将设有太阳光度计、 能 见度仪、 热红外仪、 气溶胶浊度仪、 土壤温度计、 ＴＳＰ 等自动化程度较高的先进仪器和设备。 通过 对以上仪器实时观测得到的数据 （包括大气光学特性、 近地面大气气溶胶物理化学特性、 边界层风、 能见度、 温度） 进行分析， 实时获取与沙尘暴产生、 发展、 路径和消亡有关的重要参数， 并利用沙 尘气溶胶模式进行模拟和预报， 从而建立起一个完整的沙尘暴监测、 预警系统， 客观定量分析和评 估沙尘暴造成的影响和危害。 同时， 中国气象局和韩国国际协力团在 ２００３ 年正式启动中韩沙尘暴联合监测网络项目。 根据沙 尘暴发生、 发展和移动特点， 将在中国内蒙古的朱日和、 通辽， 山西的榆社， 山东的惠民， 辽宁的 大连建立 ５ 个沙尘暴联合监测站， 布设相应的气溶胶质量浓度仪、 干沉降观测仪、 太阳光度计、 能 见度仪、 激光雷达等设备对当地大气中沙尘浓度、 能见度及三维结构等进行探测， 并通过气象部门 的国际通信线路传送至韩国气象部门， 实现数据共享。 在该项目中， 双方将定期互派专家并召开联 合研讨会， 研究和开发沙尘暴预报的方式方法， 提高两国对沙尘天气的监测和预报水平。 二、 ＡＥＲＯＮＥＴ 观测网络的规范 ＡＥＲＯＮＥＴ 在长期系统运行过程中， 对设备、 定标和数据的处理建立了一系列的标准， 成为一种 事实上的规范。 １ 设备 气溶胶观测采用 Ｃｉｍｅｌ 公司的标准太阳光度计 （型号为 ＣＥ３１８⁃Ｉ， 包括 ５ 个波段） 和极化太阳光 度计 （ＣＥ３１８⁃ＩＩ， 包括带偏振的 ８ 个波段）。 ＣＥ⁃３１８ 系列为高精度野外太阳和天空辐射测量仪器， 其 包括的气溶胶波段： ４４０， ６７０， ８７０ 和 １０２０ｎｍ， 水汽波段为 ９３６ｎｍ， 所有通道的波段宽度为 １０ｎｍ。 ２ 定标 ＡＥＲＯＮＥＴ 定标参考设备安装在夏威夷冒纳罗亚山上， 每隔 ３ 个月使用 Ｌａｎｇｌｅｙ 定标方法重新定 标， 使得反演的气溶胶光学厚度的误差在 ０ ００２ 至 ０ ００５ 之间。 其他的太阳光度计在使用前和使用过 程中与在冒纳罗亚定标的参考设备进行交叉定标， 这些交叉定标的太阳光度计反演的误差在 ０ ０１ 至 ０ ０２ 之间。 Ｌａｎｇｌｅｙ 定标方法要求在高海拔地区， 能见度在 ５０ｋｍ 以上的晴天早上进行。 ３ 数据处理 所有 ＡＥＲＯＮＥＴ 观测站点的数据每小时经由静止卫星 （ＧＯＥＳ， ＭＥＴＥＯＳＡＴ） 发送至专门的数据 接收中心。 随后， 根据每个设备自己的定标系数， 将原始数据处理为光学厚度、 可降水量和其他反 演产品。 并且， 将每天的气溶胶光学厚度、 谱分布、 大气水汽和观测设备状况数据 （如时钟精度， 电压等） 分发给相应观测站的管理员。 ４ 数据等级 ·２２１· ２０１４ “城市生态环境问题” 钱学森城市学金奖、 西湖城市学金奖征集评选
城市学研究2015年第1期 1级数据是未做去云处理的原始数据;1.5级数据是仅做去云处理的数据;2级数据是经过去 处理的经过人工检查的保证质量的数据。 AERONET通过协作提供全球不同气溶胶类型区的气溶胶光 学厚度、反演产品和可降水量数据。 5.反演产品 包括气溶胶光学厚度,谱分布,相函数,散射比,折射率,不对称因子,体积浓度和平均半径 等产品。 全球气溶胶研究计划 1.全球气溶胶气候项目GACP 全球气溶胶气候项目GACP( Global Aerosol Climatology Project)作为NASA辐射科学计划和全球 能量和水分循环实验的一部分开始于1998年。参加人员主要是美国大学和研究所的科学家。其目的 是:对卫星辐射测量和地面观测进行分析以获取气溶胶的全球分布,提取气溶胶的光学和辐射参数, 并分析气溶胶参数的季节和年季变化;利用模型研究气溶胶的形成、变化和输送;成果数据和分析 品用于改善对气溶胶变化所引起的气候效应的理解和模拟,包括直接辐射影响和间接辐射影响。 GACP的目标是将由卫星观测、地面观测和模型模拟得到的气溶胶辐射强迫数据汇编起来形成 20a的全球气溶胶气候数据,以驱动气候模型的运行。GACP的研究小组正将新的多通道气溶胶反演 算法应用于20a来的卫星数据,提取气溶胶参数,该算法将使用地面测量和EOS- MODIS的气溶胶反 演结果进行检验和改进。此外,计划使用海面上的卫星反演结果和一些地面观测值对不同类型和来 源的三维气溶胶模型(3- D tracer aerosol models)进行标定,这些标定的模型将提供一种大陆性气溶 胶分布的替代估计方案。进一步,还将使用TOMS卫星资料对气溶胶气候数据集进行改进。预计气 溶胶气候数据集在辐射传输模型和全球环流模型GCM的使用将改善气溶胶对气候的直接和间接影响 方面的认识。 GACP主要是由美国科学家开展的全球气溶胶的研究项目,侧重于气溶胶气候数据集的建立和气 溶胶的气候模型分析。GACP项目也使用了大量的 AERONET的气溶胶观测数据 2.国际全球大气化学计划IGAC 国际全球大气化学计划LGAC( International Global Atmospheric Chemistry Project)计划并实施了 系列的气溶胶特征实验项目,目的是通过地面测量、卫星观测和模型计算减小气溶胶引起的气候 影响计算中的不确定性。IGAC已开展了4个大型国际气溶胶实验项目:南半球气溶胶特征实验 ACE-1,北大西洋气溶胶特征实验ACE-2,印度洋实验 INDOEX和亚太地区气溶胶特征实验ACE-Asia (从2000至2004年度)。与此相关的气溶胶化学研究侧重于气溶胶的化学组成、大气中的光化学反 应、痕量气体的氧化过程、气粒转化过程、不同气溶胶组分之间的化学反应等,如碱性沙尘会影响 大气中酸雨的形成、气溶胶中的痕量金属可以催化一些化学反应、沙尘中的碳酸钙会影响空气中SO
１ 级数据是未做去云处理的原始数据； １ ５ 级数据是仅做去云处理的数据； ２ 级数据是经过去云 处理的经过人工检查的保证质量的数据。 ＡＥＲＯＮＥＴ 通过协作提供全球不同气溶胶类型区的气溶胶光 学厚度、 反演产品和可降水量数据。 ５ 反演产品 包括气溶胶光学厚度， 谱分布， 相函数， 散射比， 折射率， 不对称因子， 体积浓度和平均半径 等产品。 三、 全球气溶胶研究计划 １ 全球气溶胶气候项目 ＧＡＣＰ 全球气溶胶气候项目 ＧＡＣＰ （Ｇｌｏｂａｌ Ａｅｒｏｓｏｌ Ｃｌｉｍａｔｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ） 作为 ＮＡＳＡ 辐射科学计划和全球 能量和水分循环实验的一部分开始于 １９９８ 年。 参加人员主要是美国大学和研究所的科学家。 其目的 是： 对卫星辐射测量和地面观测进行分析以获取气溶胶的全球分布， 提取气溶胶的光学和辐射参数， 并分析气溶胶参数的季节和年季变化； 利用模型研究气溶胶的形成、 变化和输送； 成果数据和分析 产品用于改善对气溶胶变化所引起的气候效应的理解和模拟， 包括直接辐射影响和间接辐射影响。 ＧＡＣＰ 的目标是将由卫星观测、 地面观测和模型模拟得到的气溶胶辐射强迫数据汇编起来形成 ２０ａ 的全球气溶胶气候数据， 以驱动气候模型的运行。 ＧＡＣＰ 的研究小组正将新的多通道气溶胶反演 算法应用于 ２０ａ 来的卫星数据， 提取气溶胶参数， 该算法将使用地面测量和 ＥＯＳ⁃ＭＯＤＩＳ 的气溶胶反 演结果进行检验和改进。 此外， 计划使用海面上的卫星反演结果和一些地面观测值对不同类型和来 源的三维气溶胶模型 （３⁃Ｄ ｔｒａｃｅｒ ａｅｒｏｓｏｌ ｍｏｄｅｌｓ） 进行标定， 这些标定的模型将提供一种大陆性气溶 胶分布的替代估计方案。 进一步， 还将使用 ＴＯＭＳ 卫星资料对气溶胶气候数据集进行改进。 预计气 溶胶气候数据集在辐射传输模型和全球环流模型 ＧＣＭ 的使用将改善气溶胶对气候的直接和间接影响 方面的认识。 ＧＡＣＰ 主要是由美国科学家开展的全球气溶胶的研究项目， 侧重于气溶胶气候数据集的建立和气 溶胶的气候模型分析。 ＧＡＣＰ 项目也使用了大量的 ＡＥＲＯＮＥＴ 的气溶胶观测数据。 ２ 国际全球大气化学计划 ＩＧＡＣ 国际全球大气化学计划 ＩＧＡＣ （Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｌｏｂａｌ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ） 计划并实施了 一系列的气溶胶特征实验项目， 目的是通过地面测量、 卫星观测和模型计算减小气溶胶引起的气候 影响计算中的不确定性。 ＩＧＡＣ 已开展了 ４ 个大型国际气溶胶实验项目： 南半球气溶胶特征实验 ＡＣＥ⁃１， 北大西洋气溶胶特征实验 ＡＣＥ⁃２， 印度洋实验 ＩＮＤＯＥＸ 和亚太地区气溶胶特征实验 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ （从 ２０００ 至 ２００４ 年度）。 与此相关的气溶胶化学研究侧重于气溶胶的化学组成、 大气中的光化学反 应、 痕量气体的氧化过程、 气粒转化过程、 不同气溶胶组分之间的化学反应等， 如碱性沙尘会影响 大气中酸雨的形成、 气溶胶中的痕量金属可以催化一些化学反应、 沙尘中的碳酸钙会影响空气中 ＳＯ２ ·２２２· 城 市 学 研 究 ２０１５ 年第 １ 期
2014“城市生态环境问题”钱学森城市学金奖、西湖城市学金奖征集评选 的沉降,这些化学反应会显著改变气溶胶的化学组成和光学特征。气溶胶的化学特征主要通过地面 飞机和船进行大气采样进行观测研究。 现在正在开展的ACE-Asia项目有美国、日本、韩国、中国、加拿大、俄罗斯等国参加。ACE- Asia的科学目标是:研究东亚和西北太平洋地区的主要气溶胶类型的物理、化学和辐射特性,并研 究这些特性间的关系。研究控制这些主要类型气溶胶演化的物理化学过程。提出将气溶胶的局地尺 度参数和过程转换为区域和全球尺度的参数和过程的方法,并评估气溶胶在亚太地区的直接和间接 辐射影响。ACE-Asia的最主要目标是减小气溶胶引起的气候影响计算中的不确定性,并定量分析这 地区复杂的大气、气溶胶和云组成的多相系统。由于春季蒙古国和中国西部的沙尘暴在冷风的作 用下被携带至东太平洋,此外,相对于欧洲和北美,亚洲的生物有机质燃烧和煤燃烧形成的气溶胶 在未来一段时间内有显著增长的趋势,因此,这一地区的气溶胶在全球占有重要地位,基于这一认 识,ACE-Asia首次对亚洲沙尘和污染气溶胶进行了详细的观测,研究气溶胶对亚太地区气候的影响。 ACE-Asia项目由以下4部分组成 (1)通过地基网络测量的气溶胶参数定量描述ACE-Asia研究区内的气溶胶物理、化学和辐射特 性,并评估气溶胶的时空变化以及季节和年际变化。 (2)通过加密观测研究气溶胶的空间和垂直分布,气溶胶形成、演化和消亡的过程。 (3)晴空条件下的整层大气柱的气溶胶直接辐射效应。 (4)集中加密实验研究云和气溶胶的相互作用。 ACE-Asia项目通过使用飞机、船、激光雷达、气溶胶观测设备、标准气象站和空气质量观测站 等观测设备,来对气溶胶的沉降,气溶胶的垂直分布,气溶胶的光学和辐射特性,气溶胶的化学特 征进行观测。ACE-Asia所建立的气溶胶/辐射观测网络要实现以下目标:刻画亚太地区气溶胶的物 理、化学和辐射特性;以及控制这些特征时空变化的原因;确定区域气溶胶(包括有机质、矿质沙 尘、离子)的源和汇;比较卫星和地面观测的气溶胶光学厚度;验证从区域尺度转换到半球尺度的 可靠的气溶胶物理化学模型。 ACE-Asia是一个真正意义上的国际间合作项目,侧重于亚太地区的气溶胶研究。ACE-Asia项目 也大量使用了亚太地区各国的气溶胶观测数据。 3.亚洲大气颗粒环境变化研究项目APEX 亚洲大气颗粒环境变化研究项目APEX( Asian Atmospheric Particulate Environment Change udies)由东京大学的气候系统研究中心提出,是当前日本在气溶胶科学方面提出的一个核心研究 计划。APEX认为,随着亚洲的工业和农业发展迅速,排放的气溶胶成增加趋势,气溶胶会影响云的 生消、云滴的大小、云层的厚度和大气辐射平衡,当前温度和降雨格局的变化无疑是地表辐射平衡 变化的写照,APEX的科学目标是回答气溶胶气候效应的不确定性。APEX项目由地面观测、飞机观 测、大尺度模型、卫星遥感等部分组成,其地面网络主要是日本的气溶胶/辐射观测网络 Skynet。由 于欧美等国已在全球范围内通过科学计划开展了大量的观测实验和理论研究,日本的科学家希望通
的沉降， 这些化学反应会显著改变气溶胶的化学组成和光学特征。 气溶胶的化学特征主要通过地面、 飞机和船进行大气采样进行观测研究。 现在正在开展的 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ 项目有美国、 日本、 韩国、 中国、 加拿大、 俄罗斯等国参加。 ＡＣＥ⁃ Ａｓｉａ 的科学目标是： 研究东亚和西北太平洋地区的主要气溶胶类型的物理、 化学和辐射特性， 并研 究这些特性间的关系。 研究控制这些主要类型气溶胶演化的物理化学过程。 提出将气溶胶的局地尺 度参数和过程转换为区域和全球尺度的参数和过程的方法， 并评估气溶胶在亚太地区的直接和间接 辐射影响。 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ 的最主要目标是减小气溶胶引起的气候影响计算中的不确定性， 并定量分析这 一地区复杂的大气、 气溶胶和云组成的多相系统。 由于春季蒙古国和中国西部的沙尘暴在冷风的作 用下被携带至东太平洋， 此外， 相对于欧洲和北美， 亚洲的生物有机质燃烧和煤燃烧形成的气溶胶 在未来一段时间内有显著增长的趋势， 因此， 这一地区的气溶胶在全球占有重要地位， 基于这一认 识， ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ 首次对亚洲沙尘和污染气溶胶进行了详细的观测， 研究气溶胶对亚太地区气候的影响。 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ 项目由以下 ４ 部分组成： （１） 通过地基网络测量的气溶胶参数定量描述 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ 研究区内的气溶胶物理、 化学和辐射特 性， 并评估气溶胶的时空变化以及季节和年际变化。 （２） 通过加密观测研究气溶胶的空间和垂直分布， 气溶胶形成、 演化和消亡的过程。 （３） 晴空条件下的整层大气柱的气溶胶直接辐射效应。 （４） 集中加密实验研究云和气溶胶的相互作用。 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ 项目通过使用飞机、 船、 激光雷达、 气溶胶观测设备、 标准气象站和空气质量观测站 等观测设备， 来对气溶胶的沉降， 气溶胶的垂直分布， 气溶胶的光学和辐射特性， 气溶胶的化学特 征进行观测。 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ 所建立的气溶胶／ 辐射观测网络要实现以下目标： 刻画亚太地区气溶胶的物 理、 化学和辐射特性； 以及控制这些特征时空变化的原因； 确定区域气溶胶 （包括有机质、 矿质沙 尘、 离子） 的源和汇； 比较卫星和地面观测的气溶胶光学厚度； 验证从区域尺度转换到半球尺度的 可靠的气溶胶物理化学模型。 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ 是一个真正意义上的国际间合作项目， 侧重于亚太地区的气溶胶研究。 ＡＣＥ⁃Ａｓｉａ 项目 也大量使用了亚太地区各国的气溶胶观测数据。 ３ 亚洲大气颗粒环境变化研究项目 ＡＰＥＸ 亚洲 大 气 颗 粒 环 境 变 化 研 究 项 目 ＡＰＥＸ （ Ａｓｉａｎ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｃｈａｎｇｅ Ｓｔｕｄｉｅｓ） 由东京大学的气候系统研究中心提出， 是当前日本在气溶胶科学方面提出的一个核心研究 计划。 ＡＰＥＸ 认为， 随着亚洲的工业和农业发展迅速， 排放的气溶胶成增加趋势， 气溶胶会影响云的 生消、 云滴的大小、 云层的厚度和大气辐射平衡， 当前温度和降雨格局的变化无疑是地表辐射平衡 变化的写照， ＡＰＥＸ 的科学目标是回答气溶胶气候效应的不确定性。 ＡＰＥＸ 项目由地面观测、 飞机观 测、 大尺度模型、 卫星遥感等部分组成， 其地面网络主要是日本的气溶胶／ 辐射观测网络 Ｓｋｙｎｅｔ。 由 于欧美等国已在全球范围内通过科学计划开展了大量的观测实验和理论研究， 日本的科学家希望通 ·２２３· ２０１４ “城市生态环境问题” 钱学森城市学金奖、 西湖城市学金奖征集评选
城市学研究2015年第1期 过这一核心研究计划,赶超国际上的研究水平。 四、中国的地位 1.中国开展的气溶胶科学研究计划 亚洲气溶胶的研究受到极大重视,是由于亚洲经济的持续快速发展,工农业生产和居民生活排 放大量的气溶胶粒子。沙尘作为东亚地区的一种重要气溶胶,光学厚度一日均值高达527,气溶 胶垂直廓线呈现双峰形态,通过辐射效应影响气候,作为环境污染物,对人类健康危害很大。因 此,中国正在计划和开展一些重大的科学计划,在气溶胶科学上作出中国科学家的贡献 中国气象局从2001年开始以沙尘暴监测预警服务为契机,开展了沙尘暴,一种典型气溶胶的观 测和科学研究。该计划的一个重要内容是通过 CAeroNet观测的沙尘气溶胶光学厚度数据,建立沙尘 粒子的辐射模型,利用气溶胶气候模型研究沙尘对亚洲各国的气候影响。此外,国家气象中心正利 用观测的气溶胶光学厚度数据反演粒子谱分布、能见度和体积浓度,为沙尘天气预报和沙尘数值预 报模式服务,并为中尺度气溶胶模型提供可靠数据源。 同时,国家自然科学基金委员会地球科学部在大气气溶胶遥感的技术和方法研究,云)气溶胶) 辐射反馈及其气候、环境效应研究方向上开始支持对气溶胶的研究[1。资助的项目包括中国气溶胶 直接辐射强迫地基和卫星综合遥感硏究、中国西北地区气溶胶光学厚度的卫星遥感硏究、珠江三角 洲城市群区域大气气溶胶辐射特性的观测硏究、长江三角洲大城市污染物排放对气溶胶区域分布的 影响研究、北京地区低层大气颗粒污染物的物理、化学特性观测研究、中国大气气溶胶和云光学特 性的时空分布研究、沙尘气溶胶对降水过程的影响机理研究、利用相互反馈的气候和大气化学模式 硏究气溶胶的气候效应等。此外,由于气溶胶也是定量遥感中的一个极大不确定性因素,基金委在 对地遥感方向上也开始支持有关气溶胶特性的硏究,如大洋和沿海区域气溶胶特性的卫星遥感研究。 2.中国开展的气溶胶观测研究 要解决和回答关于地球系统的科学问题,观测系统的建设是至关重要的,如目前国际上几个 大型研究计划,如气候变化与可预测性 CLIVAR计划、全球能量和水分循环研究试验 GEWEX核心计 划、世界天气研究wwRP计划等都是把观测系统的建设放在首位。同样,气溶胶网络建设也是解决 气溶胶科学问题的首要工作,为此,在国际上建立了两大全球多波段气溶胶观测网络 AERONET和世 界气象组织WMO的GAW。 中国的科学家利用地面观测的辐射资料在气溶胶研究方面已作出了一些出色的工作,如利用中 国太阳辐射站的资料开展了气溶胶光学厚度的气候变化和气候效应的研究。邱金桓首先提出了由 太阳直接辐射和日照时数资料反演了750mm气溶胶光学厚度方法,并分析了中国10个太阳辐射站的 气溶胶1980-1994年间的变化特征。罗云峰由中国47个太阳辐射站观测的资料反演了750m气 溶胶光学厚度,发现从1961-1990年中国气溶胶光学厚度呈现增加趋势,但其研究资料不包括严重
过这一核心研究计划， 赶超国际上的研究水平。 四、 中国的地位 １ 中国开展的气溶胶科学研究计划 亚洲气溶胶的研究受到极大重视， 是由于亚洲经济的持续快速发展， 工农业生产和居民生活排 放大量的气溶胶粒子。 沙尘作为东亚地区的一种重要气溶胶［８⁃９］ ， 光学厚度一日均值高达 ５ ２７， 气溶 胶垂直廓线呈现双峰形态［１０］ ， 通过辐射效应影响气候， 作为环境污染物， 对人类健康危害很大。 因 此， 中国正在计划和开展一些重大的科学计划， 在气溶胶科学上作出中国科学家的贡献。 中国气象局从 ２００１ 年开始以沙尘暴监测预警服务为契机， 开展了沙尘暴， 一种典型气溶胶的观 测和科学研究。 该计划的一个重要内容是通过 ＣＡｅｒｏＮｅｔ 观测的沙尘气溶胶光学厚度数据， 建立沙尘 粒子的辐射模型， 利用气溶胶气候模型研究沙尘对亚洲各国的气候影响。 此外， 国家气象中心正利 用观测的气溶胶光学厚度数据反演粒子谱分布、 能见度和体积浓度， 为沙尘天气预报和沙尘数值预 报模式服务， 并为中尺度气溶胶模型提供可靠数据源。 同时， 国家自然科学基金委员会地球科学部在大气气溶胶遥感的技术和方法研究， 云） 气溶胶） 辐射反馈及其气候、 环境效应研究方向上开始支持对气溶胶的研究［１１］ 。 资助的项目包括中国气溶胶 直接辐射强迫地基和卫星综合遥感研究、 中国西北地区气溶胶光学厚度的卫星遥感研究、 珠江三角 洲城市群区域大气气溶胶辐射特性的观测研究、 长江三角洲大城市污染物排放对气溶胶区域分布的 影响研究、 北京地区低层大气颗粒污染物的物理、 化学特性观测研究、 中国大气气溶胶和云光学特 性的时空分布研究、 沙尘气溶胶对降水过程的影响机理研究、 利用相互反馈的气候和大气化学模式 研究气溶胶的气候效应等。 此外， 由于气溶胶也是定量遥感中的一个极大不确定性因素， 基金委在 对地遥感方向上也开始支持有关气溶胶特性的研究， 如大洋和沿海区域气溶胶特性的卫星遥感研究。 ２ 中国开展的气溶胶观测研究 要解决和回答关于地球系统的科学问题， 观测系统的建设是至关重要的［１１］ ， 如目前国际上几个 大型研究计划， 如气候变化与可预测性 ＣＬＩＶＡＲ 计划、 全球能量和水分循环研究试验 ＧＥＷＥＸ 核心计 划、 世界天气研究 ＷＷＲＰ 计划等都是把观测系统的建设放在首位。 同样， 气溶胶网络建设也是解决 气溶胶科学问题的首要工作， 为此， 在国际上建立了两大全球多波段气溶胶观测网络 ＡＥＲＯＮＥＴ 和世 界气象组织 ＷＭＯ 的 ＧＡＷ。 中国的科学家利用地面观测的辐射资料在气溶胶研究方面已作出了一些出色的工作， 如利用中 国太阳辐射站的资料开展了气溶胶光学厚度的气候变化和气候效应的研究。 邱金桓［１２］ 首先提出了由 太阳直接辐射和日照时数资料反演了 ７５０ｎｍ 气溶胶光学厚度方法， 并分析了中国 １０ 个太阳辐射站的 气溶胶 １９８０～１９９４ 年间的变化特征。 罗云峰［１３］由中国 ４７ 个太阳辐射站观测的资料反演了 ７５０ｎｍ 气 溶胶光学厚度， 发现从 １９６１～１９９０ 年中国气溶胶光学厚度呈现增加趋势， 但其研究资料不包括严重 ·２２４· 城 市 学 研 究 ２０１５ 年第 １ 期
2014“城市生态环境问题”钱学森城市学金奖、西湖城市学金奖征集评选 沙尘天气时的太阳直接辐射资料。进一步的研究是,周秀骥{1利用上述资料开展了中国地区大气气 溶胶辐射强迫及区域气候效应的数值模拟研究,指出气溶胶在中国有一定的降温作用。这一系列的 研究工作说明了观测网络建设的重要性。但由于太阳辐射站观测的是太阳宽波段的直接辐射,在定 标上存在一定的误差,无法准确监测气溶胶的长期变化;此外,单一波段的气溶胶光学厚度数据无 法反演出其他重要的气溶胶参数(如粒子谱分布,散射比等)。 此外,国内在以下方面还开展了一些气溶胶的观测研究。瓦里关作为中国参与WMO的大气本底 基准台,对大气气溶胶光学厚度和黑碳气溶胶开展了长期观测。中国气象局广州热带海洋气象研究 所近年开展了珠江三角洲城市群的大气灰霾的观测科学试验,采用的气溶胶光学观测系统包括多波 段太阳光度计、积分式浊度计、碳黑度仪、 Anderson气溶胶分级采样器、能见度仪、臭氧监测仪、 氧化碳监测仪等。中国气象科学研究院近年对北京及周边地区开展了大气环境污染的观测,采用 气溶胶激光雷达、太阳辐射表、系留气艇和铁塔等设备开展了气溶胶、大气化学、大气颗粒物的立 体观测。 由于中国刚刚建立起自己的多波段气溶胶观测网络 CAeroNet,系统建设和业务运行还处于完善 之中,在规范方面应借鉴 AErONET的经验。 CAeroNet观测的多波段气溶胶数据和反演产品是认识 气溶胶辐射特性和气候效应的基础,当然,太阳辐射站的观测数据也是重要的补充资料。从规模上 讲, CAeroNet现有20个观测站的分布和密度对于监测沙尘气溶胶是比较合适的,对于研究中国北方 的大陆性气溶胶和沙尘气溶胶是足够的。 五、结论 1.要解决气溶胶在气候变化研究中的不确定性因素,必须要建立全球范围的气溶胶观测网络。 GAW和 AERONET是当前世界上的两大气溶胶观测网络。国际上的一些大型气溶胶科学计划也都把 气溶胶观测实验作为核心内容。 2.中国近年开展了大量的气溶胶观测研究,并通过实施一系列科学计划来研究不同类型的气溶 胶特性、气溶胶对云、雨的影响、气溶胶的时空分布等。 3.从观测数据对科学研究的价值来讲,中国气溶胶观测网络 CAeroNet的建立,以及长期、稳 定、规范的业务运行,无疑为气溶胶科学研究打下坚实的基础。 参考文献 [1 Schwartz S E, Andreae M O. Uncertainty in climate change caused by aerosols. Science, 1996, 272: 1121-1122. [2]王明星,张仁健.大气气溶胶研究的前沿问题.气候与环境研究,2001,6(1):119-124 [3] WMO. Aerosol Measurement proce dures guidelines and recommendations, WMO No. 153. World Meteorological Organization. Gene.va. 2003. 24-3
沙尘天气时的太阳直接辐射资料。 进一步的研究是， 周秀骥［１４］利用上述资料开展了中国地区大气气 溶胶辐射强迫及区域气候效应的数值模拟研究， 指出气溶胶在中国有一定的降温作用。 这一系列的 研究工作说明了观测网络建设的重要性。 但由于太阳辐射站观测的是太阳宽波段的直接辐射， 在定 标上存在一定的误差， 无法准确监测气溶胶的长期变化； 此外， 单一波段的气溶胶光学厚度数据无 法反演出其他重要的气溶胶参数 （如粒子谱分布， 散射比等）。 此外， 国内在以下方面还开展了一些气溶胶的观测研究。 瓦里关作为中国参与 ＷＭＯ 的大气本底 基准台， 对大气气溶胶光学厚度和黑碳气溶胶开展了长期观测。 中国气象局广州热带海洋气象研究 所近年开展了珠江三角洲城市群的大气灰霾的观测科学试验， 采用的气溶胶光学观测系统包括多波 段太阳光度计、 积分式浊度计、 碳黑度仪、 Ａｎｄｅｒｓｏｎ 气溶胶分级采样器、 能见度仪、 臭氧监测仪、 一氧化碳监测仪等。 中国气象科学研究院近年对北京及周边地区开展了大气环境污染的观测， 采用 气溶胶激光雷达、 太阳辐射表、 系留气艇和铁塔等设备开展了气溶胶、 大气化学、 大气颗粒物的立 体观测。 由于中国刚刚建立起自己的多波段气溶胶观测网络 ＣＡｅｒｏＮｅｔ， 系统建设和业务运行还处于完善 之中， 在规范方面应借鉴 ＡＥＲＯＮＥＴ 的经验。 ＣＡｅｒｏＮｅｔ 观测的多波段气溶胶数据和反演产品是认识 气溶胶辐射特性和气候效应的基础， 当然， 太阳辐射站的观测数据也是重要的补充资料。 从规模上 讲， ＣＡｅｒｏＮｅｔ 现有 ２０ 个观测站的分布和密度对于监测沙尘气溶胶是比较合适的， 对于研究中国北方 的大陆性气溶胶和沙尘气溶胶是足够的。 五、 结论 １ 要解决气溶胶在气候变化研究中的不确定性因素， 必须要建立全球范围的气溶胶观测网络。 ＧＡＷ 和 ＡＥＲＯＮＥＴ 是当前世界上的两大气溶胶观测网络。 国际上的一些大型气溶胶科学计划也都把 气溶胶观测实验作为核心内容。 ２ 中国近年开展了大量的气溶胶观测研究， 并通过实施一系列科学计划来研究不同类型的气溶 胶特性、 气溶胶对云、 雨的影响、 气溶胶的时空分布等。 ３ 从观测数据对科学研究的价值来讲， 中国气溶胶观测网络 ＣＡｅｒｏＮｅｔ 的建立， 以及长期、 稳 定、 规范的业务运行， 无疑为气溶胶科学研究打下坚实的基础。 参考文献： ［１］ Ｓｃｈｗａｒｔｚ Ｓ Ｅ， Ａｎｄｒｅａｅ Ｍ Ｏ． Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｉｎ ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ａｅｒｏｓｏｌｓ． Ｓｃｉｅｎｃｅ， １９９６， ２７２： １１２１⁃１１２２． ［２］ 王明星， 张仁健． 大气气溶胶研究的前沿问题． 气候与环境研究， ２００１， ６ （１）： １１９⁃１２４． ［３］ ＷＭＯ． Ａｅｒｏｓｏｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅ ｄｕｒｅｓ ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ａｎｄ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ， ＷＭＯ Ｎｏ． １５３． Ｗｏｒｌｄ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ， Ｇｅｎｅ⁃ｖａ， ２００３， ２４⁃３７． ·２２５· ２０１４ “城市生态环境问题” 钱学森城市学金奖、 西湖城市学金奖征集评选
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