亚洲对流层顶气溶胶层的CALIPSO检测外文翻译资料

 2022-11-10 14:49:06

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亚洲对流层顶气溶胶层的CALIPSO检测

J.‐P. Vernier,1 L. W. Thomason,1 and J. Kar

2010年12月27日收到;2011年2月22日修订;2011年2月28日接受;2011年4月15日发布。

[1] CALIPSO激光雷达测量的前四年显示，在6月，7月 和8月的亚洲夏季风期间，对流层顶水平存在气溶胶层。 这个亚洲对流层顶气溶胶层（ATAL）从地中海东部 （下至北非）延伸至中国西部（下至泰国），垂直延伸至13至18公里。从CALIPSO推断的散射比显示在 1.10-1.15之间的值平均相关的去极化率小于5％。点的高斯分布表明平均值在统计上由背景气溶胶水平的增强驱动，而不是由诸如火山爆发或云污染的偶发事件驱动。迫切需要对气溶胶和气体以及区域活动进行进一步的卫星观测，以确定该层的特征。该特征这可能是全球对流层高层非火山气溶胶的重要来源，并对其辐射和化学平衡产生影响。引用：Vernier, J.‐P.,L.W.Thomason, andJ.Kar(2011),CALIPSO detectionofan Asian tropopause aerosol layer, Geophys. Res. Lett. , 38, L07804, doi:10.1029/2010GL046614.

  1. 介绍

[2] 热带对流层顶层（TTL）通常被认为可以控制对流层空气进入平流层[Holton et al., 1995; Fueglistaler et al., 2009]。然而，亚洲季风环流提供了一个可以绕过TTL区域的替代途径。[Gettelman et al., 2004; Randel et al., 2010]。由于亚洲目前是世界上最高大气硫化物生产区之一，因此季风将这种物质运输到更高海拔可能会影响到平流层和气候的化学平衡。亚洲夏季风系统的特点是边界层空气快速深对流输送到东南亚上空的对流层上部，在非常大的区域内通过反气旋水平和垂直平流进入平流层下部 [Randel and Park，2006]。此外，在青藏高原上观察到在快速对流过度上升气流期间对流层空气直接侵入下平流层[Fu et al。，2006]。模型模拟表明，深对流可以有效地从亚洲的强源区提升人类来源的物种 [Lawrence et al.，2003]，它们可以从反气旋环流的南边缘被捕获并运输到地中海（参见Lawrence和 Lelieveld [2010]的评论.Park等.[2004] 报告了使用HALOE观测和模型模拟在亚洲季风区域对流层顶附近的CH4，H2O和NOx 的增强。关于一氧化碳（CO）的卫星数据也证实了对流层上部强烈的CO羽流[Kar et al。，2004]。随后，在其他卫星观测中，CO，HCN， C2H6，C2H2，CH4，H2O在该区域也观察到类似的羽状物 [Li et al., 2005; Randel and Park, 2006; Park et al., 2007, 2008; Xiong et al., 2009; Randel et al., 2010]。

[3] 在这方面一个有趣的问题是气溶胶或它们的气体前体是否也通过亚洲季风区域的深对流运输到对流层上层。Li et al. [2005] 在他们的模型模拟中发现了青藏高原上的气溶胶羽流 在~150hPa时被限制在反气旋中。与气体物种不同，卫星或其他平台对流层上层的气溶胶观测非常稀少。 最近，星载激光雷达CALIPSO提出在季风季节期间南亚可能存在气溶胶层[Vernier et al., 2009]。这项工作将提供更全面的分析，其中用于检测层的CALIPSO数据和检索算法将在第2节中讨论。第3将专门用于准确定位（空间和时间）该层，而光学特性从CALIPSO推导出来将用于在第4节中证明这些颗粒是气溶胶而不是冰晶的错误分类。该层的性质和来源将在第5节中讨论，简要结论将在第6节中给出。

2. CALIPSO对流层上层/平流层下层气溶胶的测量（UT / LS）

[4] CALIPSO任务致力于研究从对流层到平流层的云和气溶胶[Winker et al., 2009]。CALIPSO在极地轨道上飞行 705公里，其他几颗卫星形成一个称为A‐train的行星，并在凌晨01时30分和13点30分提供测量，重复周期为16 天。CALIPSO自2006年6月开始运行，通过其激光雷达 CALIOP（具有正交偏振的云气溶胶激光雷达）测量，在532nm和1064nm处的总衰减反向散射，以及在532nm 处的去极化。在对流层高层（lt;20.3 km）和平流层180 m处的垂直分辨率为60 m [Hostetler et al., 2006]，CALIPSO以前所未有的分辨率对全球尺度的大气进行采样。然而，由于在非火山时期UT / LS区域的气溶胶水平较低[Vernier等，2009]，即使在最大平均分辨率下，二级产品也无法清晰地检测到特征（80 km）CALIPSO 2级算法。此处使用的程序基于532 nm 1级 V3.01的平均值一度纬度带的夜间剖面（~111 km，〜300个配置文件）并进一步重新排列成常规网格1°纬度times;2°经度times;200 m。然后，使用来自CALIPSO的总反向散射（气溶胶 分子）和仅来自欧洲中心中天气预报（ECMWF）模型密度的分子计算散射比（SR）（气溶胶分子反向散射与单分子的比率）[Vernier et al., 2009]。然而，初步结果表明，由于校准区内气溶胶的存在30-34 km之间，因此需要在热带地区调整 CALIPSO校准。为了纠正它，使用Vernier等.[2009]人开发的重新校准方法校正所有CALIOP数据。在20km 以下，去除平均体积去极化率（d）大于5％的混浊像素。

3. 亚洲对流层顶气溶胶层（ATAL）

[5] 图1表示2006年7月至8月（图1a），2007年（图 1b），2008年（图1c）和2009年（图1d）的平均散射比（SR）在15-17 km之间的平均值来自ECMWF的字段已叠加。从2006年到2008年，连续三个夏季地图描绘了亚洲对流层顶气溶胶层（ATAL）的存在，从东地中海 （下至北非）延伸至中国西部（下至泰国），SR在 1.12-1.18之间。这些气溶胶被限制在反气旋循环中，如风场所示，其西部最大值更为明显。由于该特征每年出现在同一地区，因此至少在前三年可以排除火山原因假设。然而，2009年7月至8月的情况并非如此， 几个月前，1T的大羽流在2009年6月7日Sarychev 火山（俄罗斯堪察加）爆发后，SO2 被注入到对流层顶之上[Haywood et al., 2010]。 它诱导了一个大规模的火山羽流环绕北半球6个月，因此在2009年7月至8月由CALIPSO观测到SR大于1.2（图 1d）。在此期间，反气旋模式，随后沿其东部分支向赤道运输。由于 2009年7月至8月反气旋内的气溶胶密度与背景相比仍然相对较低，这也表明反气旋内的空气与“世界”的其他部分隔离良好，结果与行为一致。如CO，O3 和H2O [Park et al., 2008]。然而，与模型推断出的相反，反气旋的北部似乎为对流层-平流层交换提供了有效的动力屏障[Dunkerton, 1995; Chen, 1995]。我们还注意到与北美季风有关的美国西部也有类似的气溶胶特征，尽管不太明显。

图1. 2006年7月 - 8月（a）15-17公里之间CALIPSO在532 nm处的平均散射比（SR）图 （b）2007年，（c）2008年和（d）2009年。叠加了ECMWF在同一时期内100 hPa的风向量。由大白锭代表的南大 西洋异常中的数据被丢弃。当像素内的体积消偏振比大于5％时，除去冰晶。

[6] 为了研究亚洲层的季节变化，我们在图2中绘制了大致限制反气旋[15-45°N的框内3级（15,16,17 km）的平均SR时间序列;5-105°E]。在不受火山输入干扰的情况下，散射率的最大值在7月至8平达到峰值。2008年的情况并非如此，由于Okmok的火山气溶胶于2008年8月7日爆发，随后被运往亚洲，因此在17公里处可以观察到1个月的时间变化。第二年，17公里处的峰值是由于Sarychev火山喷发的火山碎屑导致SR值大于1.2并相对于2006年或2007年移动了两个月。总之，亚洲以上非火山气溶胶的季节变化可以区分通过分析不同层次上最大值的时移，以时间序列为基础，通过偶发性火山输入。

图2.平均CALIPSO SR在15,16和17 km范围内的时间序列[15-45N;5-105E]平均值的地理边界由图1a中的红色矩形分隔。

[7] 为了更好地表征这些气溶胶，我们在图3中绘制了在图15中显示的相同时期内15-45oN之间的SR的纵向截面。在2006年7月至8月，可以看到13-之间的气溶胶层。 距离20W-100E 18公里（380-420 K），位于19-21公里处的苏弗里耶尔火山火山下方[Vernier et al., 2009]。在接下来的两年中，同一层的位置和强度没有显着变化，而平流层气溶胶层位于与Brewer-Dobson循环的垂直运输一致的更高水平。最后一个时期（2009 年7月至8月）受到位于14至20公里之间的Sarychev火山岩羽流的高度扰动，其上部绕过亚洲反气旋区域，这与18公里处平流层的反气旋垂直隔离相一致。

图3. 2006年7月至8月（a），（b）2007年，（c）2008年和（d）2009年15-45° N之间的平均SR纵向横截面.380和 420 K的平均潜在温度水平为以白色绘制。

[8] 总而言之，从2006年到2008年，每年7月至8月观测到一个气溶胶层（ATAL），垂直延伸在13-18公里 （380-420 K）之间，地理位置从东地中海到中国西部受亚洲反气旋的限制。ATAL很可能是全球对流层高层非火山气溶胶的主要来源。

4. ATAL的光学性质

[9] ATAL的光学特性基于SR的概率密度函数（PDF）讨论，图4中d lt;5％，用方框内的所有非阴影像素计算 [5-105°E，15-45°N，15-17 km]，每年七月至八月2006年至2009年以及2008年12月至1月的年份。2006年7月至8月，2007年和2008年的PDF非常相似，其中高斯函数的最大值接近SR的1.1。2009年7月至8月，具有较高密度的正SR值的长尾是由于来自Sarychev的火山气溶胶，与2008年12月至1月期间最低密度位于1.05以下的低气溶胶水平形成对比。2006年，2007年和2008年期间非常相似，与参考期间2008年1月至2008年相比，显示SR的增强值接近1.1，表明图1-3中计算的平均值不是由于可能的几个点而导致的。一些混浊的像素在筛选过程中滑动，而是通过增加气溶胶背景。

图4. 2006年7月至8月，2007年，2008年，箱内所有像素[5-105° E，15-45° N，15-17 km]的散射率值d lt;5％的概率 密度函数2009年和2008年12月至2月。

5. 讨论

[10] CALIPSO对ATAL的观察与两次独立的光学测量一致。一个是在拉萨（中国西藏）用地面激光雷达进行的，表明气溶胶层在14-19公里之间，SR = 1.1- 1.2和d lt;5％[Kim et al., 2003]，类似于从CALIPSO 激光雷达推导出的光学特性。此外，1999年8月在同一地点使用光学粒子计数器获得的原位球囊测量显示有效半径的小颗粒增强 对流层顶水平lt;0.6mm [Tobo et al., 2007]。

[11] ATAL的性质和起源是了解其对气候的辐射和化学影响的基本问题。首先，这些气溶胶肯定是非火山的，至少从2006年到2008年，因为这些气溶胶似乎在同一 地区季节性地发生，在7月至8月达到高峰。此外，这些很可能不是冰晶的错误分类，i）与东南亚季风有关的卷云覆盖，其地理延伸向西和向北[Sassen et al., 2009]，ii）它们的光学特性与冰晶的典 型高去极化率值（gt; 30％）非常不同，iii）在NH冬季期间西太平洋没有观察到类似的特征，已知是卷云发生频率非常高的区域[Sassen et al., 2009]。 ATAL的光学特性表明这些粒子是球形的，但我们不能完全排除根据米氏理论和T矩阵计算它们可能是非常小 的气溶胶（有效半径） lt;0.1mm），形状不规则。在这种情况下，它们可能是非常小的尘埃粒子，因为该区域是对流层中部塔克拉 玛干和戈壁沙漠的重要矿物粉尘源[Liu et al.， 2008]，随后可以在印度次大陆上运输和青藏高原通过与亚洲季风相关的深对流[Li et al.， 2005;Randel and Park, 2006年;Fu et al.，2006]。 这个想法得到了近期观察的支持在瓦加杜古的ATAL边缘进行的对流层顶水平的非挥发性颗粒（r~10 nm） （ 布 基 纳 法 索 ） 2006 年 8 月 SCOUT-AMMA 活 动 期 间 [Borrmann et al., 2010].

[12] 通过对流向上输送主要气溶胶（灰尘，烟灰，盐）可导致形成更高水平的气溶胶层，这取决于它们与水的溶解度。然后，东南亚季风提供了一条可能的垂直通道，用于将粒子从边界层输送到对流层上层。但是，图3中较低级别之间没有明确的联系 （~12公里）和ATAL，表明通过对流输送粒子被云遮蔽，因为当与冰粒混合时我们无法区分气溶胶或者 ATAL是次生气溶胶形成和生长受到对流层顶水平低温影响的结果。

[13] CALIPSO

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