物理学院李婧课题组与合作者基于红外长波辐射实现夜间气溶胶光学厚度反演

近日,北京大学物理学院大气与海洋科学系李婧长聘副教授课题组和中国气象局国家卫星气象中心李俊首席研究员课题组合作,发展了基于大气红外探测器(AIRS)的热红外辐亮度反演夜间气溶胶光学厚度(AOD)的新算法。相关研究成果以“Estimation of Nighttime Aerosol Optical Depths Using Atmospheric Infrared Sounder Longwave Radiances”(《利用大气红外探测器长波辐射估算夜间气溶胶光学厚度》)为题,于4月24日在线发表在Geophysical Research Letters(《地球物理快报》)。 

AOD是表征气溶胶含量的重要参数,在气候变化与环境污染中发挥着重要作用。然而,现有所有AOD观测手段均基于气溶胶散射的可见光、紫外等短波辐射,因而缺乏夜间AOD的估计,难以反映AOD的完整日、夜变化特征。为解决这一问题, 该研究首先发现,大气层顶出射的红外窗区(8—10m)辐亮度与AOD具有较好的相关关系,并基于这一原理开发了利用大气红外窗区辐亮度观测的AOD反演算法。夜间AOD反演结果与地基月光光度计AOD观测结果高度一致,验证了该方法的准确性与可靠性(图 1)。以上算法的理论基础也被辐射传输模拟结果进一步证实。

图1. AIRS和AERONET AOD的散点分布密度图 ,虚线表示1:1线和预期误差的包络线,黑色实线表示线性回归线

研究结果表明,夜间AOD与白天相比,在全球大范围均出现了较明显的增加,该结论也和地面光度计以及星载主动激光雷达(CALIPSO)的观测结果一致(图2)。这可能与夜间边界层较低、相对湿度较高等因素有关。

图2. 2022年白天和夜间AOD的比较。(a—c)(a)AIRS(填色)+ AERONET(散点)白天AOD的全球分布,(b)AIRS(填色)+ AERONET(散点)夜间AOD的全球分布,(c)AIRS(填色)+ AERONET(散点)夜间AOD减去白天AOD的全球分布;(d—f)类似于a-c,但针对CALIPSO Level 3 AOD

该研究首次实现了基于大气窗区长波辐射的气溶胶反演,不仅为夜间AOD反演提供了新思路,揭示了AOD的昼夜差异,同时也强调了长波辐射对气溶胶反演的重要性。考虑到长波辐射在白天和夜间均具有可用性,并且不受亮地表等因素的限制,该方法在环境和气候研究中具有巨大的应用潜力。

大气与海洋科学系2021级博士生刘冠宇为该研究的第一作者,大气与海洋科学系2024级博士生岳胜也参与了研究工作。该研究得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。

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