青藏高原作为“亚洲水塔”， 对东亚乃至全球气候有着重要影响。本文介绍了中国科学院Ａ类战略性先导科技专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”子课题3“气溶胶-云互馈对西风季风水汽输送的影响”研究的主要结果。针对青藏高原为核心的泛第三极地区， 项目研究结果主要包括： （1）沙尘、 污染沙尘、 抬升烟尘和污染性大陆气溶胶/烟尘是泛第三极地区最主要的气溶胶类型， 其中沙尘的排放和输送对青藏高原西部和柴达木盆地大气热力结构的影响非常显著； （2）高原过冷水云的发生频率及其在高原能量收支中的作用比暖水云高， 降水主要是由冰云和混合相云产生的， 尤其是在暖季。虽然高原大气呈现暖湿化趋势， 但水汽收入增多并不能弥补地表水资源由于增温的流失， 高原东部水循环呈减弱趋势， 而西部水循环则相反。（3）黑碳气溶胶使南亚夏季风减弱、 东亚夏季风增强， 高原西部西风增强， 东部西风减弱； 净效应是使高原变得更暖更湿。使高原东侧输出水汽减少， 南侧输入减少， 西侧输入增加， 北侧输入减少。另外， 高原上空受沙尘污染影响的对流云东移， 与局地对流云团合并， 可导致长江流域和华北地区降水增加。总体来说， 气溶胶可直接影响辐射， 或间接通过作为云的凝结核， 或者影响云生成所需的热力结构来改变高原云的宏、 微观特性， 以此进一步影响到高原地区的地表能量收支和大气加热率廓线， 并最终影响环流系统和高原的水汽收支。上述结果作为中国科学院Ａ类战略性先导科技专项的部分研究内容， 可揭示影响青藏高原及周边地区水分循环的物理机制， 加深理解气溶胶-云相互作用对高原水循环过程的影响机理， 为提高空中水资源开发利用效率提供重要的科学依据和理论指导。

利用EA-12型黑碳仪对邢台市2019年1 -12月的黑碳（BC）浓度监测数据和同期气象观测数据， 分析了邢台市BC污染特征、 来源及与气象因子的变化关系。结果表明： 邢台市BC日平均浓度为0.85 μg·m^-3， 全年占比79.80%的浓度频数集中分布在0.30~1.20 μg·m^-3； 而1月份占比达到90.62%的浓度频数分布在1.05~5.05 μg·m^-3， 1月份的严重BC污染对全年环境空气质量恶化起到了重要贡献； 当风速>8 m·s^-1和<8 m·s^-1时， 分别存在偏北方向和偏西与偏南方向的输送影响； 湿沉降可以对BC起到了清除作用， 而降水量和降水时长对BC的湿清除具有同等的重要作用； 燃煤和机动车尾气排放的本地、 局地源对邢台市的BC污染影响明显， 当大气逆温底高<200 m时， 由于扩散能力减弱和堆积效应的共同影响， BC浓度将出现明显增加。

选取塔里木盆地（矿物沙尘源）、 伊朗高原（矿物沙尘传输区）和咸海地区（盐尘源）三个典型代表区, 结合近10年（2007 -2016年）的主动（CALIOP/CALIPSO）和被动（OMI/Arua）卫星遥感气溶胶产品, 对比分析了沙尘与盐尘气溶胶光学特性的异同。结果表明: （1）柱气溶胶光学厚度具有相似的逐月变化规律, 塔里木盆地和咸海地区最大值出现在4月, 而伊朗高原出现在夏季; （2）塔里木盆地和咸海地区的气溶胶最大出现频率均接近近地面, 而伊朗高原主要集中在海平面以上2~3 km; （3）伊朗高原传输型沙尘与咸海地区盐尘的不规则程度均小于塔里木盆地源区沙尘, 且盐尘的粒径大小明显小于矿物沙尘, CALIOP将其主要识别为污染沙尘; （4）咸海地区盐尘的光学吸收性与塔里木盆地源区沙尘相当, 略大于伊朗高原的传输型沙尘。

利用2015年9 -11月兰州市CE318太阳光度计地基观测数据, 反演了这期间气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)、 Angstrom波长指数(α)、 大气浑浊度系数(β)等气溶胶光学特性参数, 研究了兰州市秋季气溶胶光学特性的时间变化特征, 并根据Angstrom阈值范围和图解分析法对兰州市气溶胶主要类型及其分布特征进行分析。结果表明: 兰州市秋季AOD_{500 nm}均值为0.47±0.22。10月α _{440~870 nm}最小, 为0.95±0.26; 9月α _{440~870 nm}最大, 为1.21±0.14。9月大气浑浊度系数最低, 为0.15±0.05; 11月最高, 为0.28±0.12。AOD秋季日变化较小, AOD_{500 nm}变化范围在0.27~0.52之间。2015年9 -10月AOD_{500 nm}集中在0.2~0.6之间, 11月AOD_{500 nm}集中在0.4~0.8之间, 说明兰州市2015年秋季AOD_{500 nm}分布较为集中, 大气气溶胶含量逐月增加。9月波长指数集中在1.0~1.4之间, 峰值中心在1.2~1.4区间; 10月波长指数主要集中在0.6~0.8和1.0~1.2两个区间; 11月波长指数集中在1.0~1.4区间。总体来看, 兰州市秋季气溶胶以细粒子为主。AOD_{500 nm}与β显著相关, 大气光学厚度与大气浑浊度系数均能表征大气污染程度。兰州市秋季气溶胶主要类型为细颗粒模态下的人为源和混合型气溶胶, 分布特征表现为高AOD时受细颗粒气溶胶的吸湿增长影响, 其中细颗粒吸湿增长是兰州市秋季气溶胶光学厚度偏高的主要原因。

利用MERRA-2（第2版现代研究与应用再分析）资料分析了1980-2017年全球硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐、沙尘及总气溶胶光学厚度的时空分布特征；选取了北美、北非、南非、印度、中国和印度洋6个典型区域研究了硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶对总气溶胶光学厚度的贡献率。结果表明，硫酸盐、黑碳、有机碳、海盐和沙尘气溶胶在全球非均匀分布，并且具有季节变化；全球总气溶胶的光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）在夏季最大（0.137），春季次之（0.130），冬季最小（0.118）；在6个典型区域里，北非地区总气溶胶的光学厚度最大，为0.43；其次是中国的东部地区，为0.41；每个区域其主要气溶胶的类型并不相同，在北美、中国东部及印度中部地区，硫酸盐是主导的气溶胶类型，贡献率分别为66%，63%和42%，在印度洋、南非及北非地区，海盐、有机碳和沙尘分别是最主要的气溶胶类型，贡献率分别为65%，51%和82%；对于黑碳、硫酸盐和总气溶胶，中国东部地区和印度中部地区有较为明显的增长趋势，其中总气溶胶光学厚度的线性增长率分别为0.007 a^-1和0.0056 a^-1，但在2010年以后，中国东部地区出现明显的下降。

利用2006-2012年兰州大学半干旱气候与环境观测站太阳光度计资料，采用严格判断方法确定出沙尘气溶胶数据，分析沙尘气溶胶的光学和微物理特性。结果表明，沙尘气溶胶光学厚度最大值（2.80）出现在春季，主要分布在0.3~0.8，日均值0.63。Ångström波长指数与光学厚度位相相反，春季最小（0.002），秋季最大（0.525），主要分布在0.2~0.4，日均值0.27。沙尘多为大粒径气溶胶，粒子谱粗模态占主导。总粒子和粗模态粒子体积浓度变化很大，与光学厚度年变化一致，在4月达到最大。有效半径与复折射指数实部变化一致，春、冬季较大，夏、秋季较小。单次散射反照率冬、春小，夏、秋较大，最小值出现在2月，与复折射指数虚部反位相。

以北京为研究区域, 利用MODIS气溶胶光学厚度产品AOT(Aerosol Optical Thickness)定量反演北京近地面PM_2.5质量浓度。首先对MODIS AOT与对应地面实测PM_2.5质量浓度为数据源, 两者的线性相关系数为0.323, 经过AOT标高订正和PM_2.5湿度订正后, 两者相关系数升高为0.467; 进一步分析AOT与PM_2.5的季节变化特征发现, 秋季相关性最高(0.802), 春季最低(0.252), 其他季节介于之间, 并深入分析了AOT与PM_2.5自身物理化学特性及气象因子对两者相关性的影响机制; 最后在耦合标高和湿度订正基础上, 建立了一个近地面PM_2.5质量浓度对数反演模型, 并与地面实测PM_2.5样本进行对比分析, 结果显示均方根误差为2.84%, 平均误差为9.53%, 验证了该对数反演模型能较好的依据AOT反演近地面PM_2.5质量浓度的可行性, 为卫星遥感高精度定量反演PM_2.5提供了科学依据。

由于现有MODIS火点检测算法对不同区域和不同季节的适应能力有限, 因此需要关注复杂地表条件下对森林火灾伴生烟羽的识别问题, 以提高明火点和低温焖烧火点的检测精度.本文基于烟羽扩散对大气气溶胶分布产生的影响, 通过提取火灾区域的大气气溶胶光学厚度信息来描述区域内潜在火点的烟羽扩散特征, 作为判识火点的辅助手段.利用MODIS资料, 借助暗像元法通过6S模式反演了多个火点及周围区域的气溶胶光学厚度(AOD), 并对明火点和低温火点在不同扩散范围和不同方位角条件下AOD的累积效应对烟羽的敏感性进行实验.结果表明, 利用暗像元法反演出的AOD能明显地表征火灾伴生烟羽的分布特征, 指示烟羽扩散方向及大致扩散范围.当以火点为中心, 取32位方位角, 扩散半径为10 km时, 下风向与上风向的AOD累积效应差异最为显著, 其累积值之比均 >10, 对烟羽检测最为敏感.由此建立烟羽识别条件, 为判识火点提供辅助依据, 有效规避了MODIS火点检测算法对离散火点, 特别是低温火点的漏判.

利用AERONET和SKYNET两个国际气溶胶网站提供的2.0等级气溶胶数据产品， 分析了中国北方地区榆中、 北京、 香河、 榆林、 敦煌和蒙古国达兰扎达嘎德6站气溶胶光学特征的日变化规律和季节变化特征， 并对其影响机制进行了研究。结果表明， 由于受沙尘天气的影响， 中国北方地区和蒙古国各测站春季气溶胶光学厚度均出现了较高值， 而波长指数则出现了最低季节平均值， 气溶胶粗\, 细粒子的体积谱分布也表现出明显的特征差异。此外， 由于受局地人类活动的影响， 各测站气溶胶光学参数也表现出不同的变化特征， 即在夏季相对湿润的环境下， 北京和香河站受当地城市污染气溶胶吸湿增长的影响， 其气溶胶光学厚度比其他季节都大， 同时该地区夏季单次散射反照率也出现了明显增大。

沙尘气溶胶作为气溶胶的重要类型之一，  对全球和区域水分循环以及亚洲季风系统有着重要影响。利用气溶胶自动观测网(AERONET)印度Kanpur和蒙古国Dalanzadgad两个站点数据，  采用阈值法提取了沙尘和人为气溶胶信息并进行了对比分析\.结果表明，  Kanpur站受印度夏季风影响较大，  沙尘气溶胶和人为源气溶胶的排放具有叠加效应，  远源输送可能是Kanpur站沙尘气溶胶的主要来源。Dalanzadgad站受东亚夏季风影响较小，  春季大风带来了大量的沙尘，  这可能与大风天气和植被覆盖度低等因素有关，  是春季气溶胶光学厚度显著升高的主要影响因素之一，  沙尘具有局地起源特征； 在其他时段，  人为源气溶胶是当地大气气溶胶的主要来源，  但总排放量相对较低。此外，  Kanpur站所在的恒河流域大气颗粒物绝对含量远远高于Dalanzadgad所在的蒙古国南部地区。在沙尘天气中，  两站颗粒物的光学物理特性相似。

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2006年8月-2008年10月太阳光度计(CE-318) 观测资料和同期卫星MODIS(Terra和Aqua)产品资料， 分析了该站气溶胶光学厚度(AOD)日变化、 月变化和Angstrom波长指数(α指数)月变化特征， 发现春季AOD日变幅最大， 存在双峰现象， 秋、 冬季较小； 9月AOD最小， 4月和12月AOD较大； α指数在4月最小， 7月最大。采用太阳光度计反演的550 nm AOD与Terra-MODIS和Aqua-MODIS AOD产品相比较， Terra-MODIS与太阳光度计AOD相关系数为0.69， 大于Aqua-MODIS的0.62。并从地表反照率假设、 气溶胶模型选择和云影响等方面分析了产生对比偏差的原因， 进一步分析了黄土高原干旱半干旱地区AOD的分布和季节变化特征\.结果表明： 气溶胶光学厚度呈西低东高的分布特征； AOD高值中心与大城市有较好对应； 黄土高原干旱半干旱地区AOD在春季最大， 夏季有所减小， 秋季最小， 但冬季升高; Aqua-MODIS中深蓝算法对西北荒漠地区亮地表AOD的反演效果较好。

利用2008年5月—2009年4月和2010年4月—2011年3月两年的太阳光度计CE318数据， 分析了西安地区气溶胶光学厚度(AOD)和波长指数（α）的时间变化特征。结果表明， 受局地污染和地形影响， 泾河站的AOD全年较高， 两个时段的年平均值分别为0.69±0.40和0.67±0.39， AOD和α的最大值都发生在夏季； 受沙尘天气影响， 气溶胶波长指数春季最小， AOD秋季最小。CE318和MODIS AOD的对比结果表明， 两者有较好的相关性， 符合MODIS设计精度的数据占55.0%~73\^3%。 2008—2010年MODIS AOD平均值的空间分布表明， 陕西境内存在3个AOD高值区， 分别位于关中盆地、 汉中市区和安康市区， 局地污染和地形影响是造成AOD高值区的主要原因。

通过自定义气溶胶模式, 选取类大陆型气溶胶， 结合兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)气溶胶实测资料建立的气溶胶数谱模式， 反演兰州市及周边地区100 km×100 km范围内的气溶胶光学厚度（AOD）。结果表明， 在不同气溶胶模式下, AOD分布表现出一些共同特征： 在兰州市西固区（工业区域）存在一个AOD高值区， 兴隆山、 刘家峡水库地区AOD值较低， 而在榆中县城、 临夏市等城镇区也表现出AOD值高于周边地区。对比反演结果与地面实测资料, 发现采用自定义气溶胶模型反演的精度有很大提高。

利用2005年9月-2008年6月AERONET太湖站的Level 2.0数据， 分析了该地区光学厚度随波长的变化趋势\.结果表明, 在双对数坐标中太湖光学厚度随波长变化的曲线并非直线， 可用二次多项式拟合， 气溶胶粒子符合对数正态谱分布。单次散射反照率SSA的变化表明, 冬季SSA值较小； 春季SSA随波长增大而增大， 8、 9月SSA随波长增大而减小。2005年9月—2006年11月太湖站粒子谱和粒子体积浓度变化表明, 春季粗粒子体积浓度约是细粒子的2倍～2.5倍； 总粒子体积浓度受粗粒子影响出现峰值； 夏末及初秋细粒子的体积浓度要明显大于粗粒子的。春季粒径<3 μm的粗粒子增加量比粒径>3 μm的粗粒子增加量要大， 因而粗粒子有效半径减小。最后分析了2006年4月16～18日北方沙尘天气对太湖地区气溶胶微物理参数的影响。

利用2007年1～4月兰州大学半干旱气候与环境观测站激光雷达资料， 反演了晴空无云典型日和沙尘过程大气气溶胶消光系数和光学厚度。结果表明， 兰州远郊榆中地区， 1 km以下大气气溶胶消光系数较大， 为0.01～0.1 km-1； 平均气溶胶光学厚度<0.5， 光学厚度日变化呈双峰型， 峰值分别出现在12:00和20:00。采暖期与非采暖期气溶胶光学厚度有显著差异。而对沙尘天气， 6 km以下气溶胶消光系数较大， 为0.1～1 km-1； 气溶胶光学厚度>1， 最强时可达3.5； 沙尘强度较大时， 激光雷达对气溶胶有效观测<2 km， 消光系数反演出现截断现象； 沙尘气溶胶光学厚度与PM10地面浓度有良好的相关性; 激光雷达反演的光学厚度与太阳光度计光学厚度的相关系数为0.86。

利用激光雷达探测分析了兰州上空的高云与气溶胶的光学参数， 并用LOWTRAN7定量模拟出高云对气溶胶辐射特性的影响。结果表明， 消光系数廓线与相对湿度廓线随高度的变化一致性较好， 气溶胶层主要在2 km以下， 低层气溶胶和高云的消光系数和相对湿度较大。白天， 高云的存在使云下气溶胶短波加热率减小。有云和无云时气溶胶加热率的差别在地表处最为明显， 中午前后差别较大， 最大为11:00的0.096K·h^-1。夜间， 高云的存在使云下气溶胶长波冷却率减小， 在1000 m以下有云和无云时气溶胶冷却率的差别小， 在 1000 m以上差别大， 最大差别出现在1500 m处(02:00~04:00)， 为0.033K·h^-1。

利用"兰州大学半干旱气候与环境观测站"2006年8月至2007年4月的CE-318全自动跟踪太阳光度计观测资料, 分析了黄土高原半干旱地区气溶胶光学厚度(AOD)的变化特征。结果表明, 黄土高原半干旱地区气溶胶光学厚度谱基本满足Angstrom关系; 在可见光和近红外波段, 随着波长的增大, 气溶胶光学厚度是减小的; 黄土高原半干旱地区AOD日变化类型主要有单峰型、稳定型、上升型3种。逐日变化特征显示, 降水对气溶胶粒子具有明显的湿清除作用, 霾的出现导致AOD明显增大; AOD日均值主要集中在0.1~0.4之间, 日极大值在08~11时(北京时, 下同)出现的频率最多, 日极小值在12~13时、14~17时出现的频率最多。气象条件对AOD有明显的影响, 在南风情况下AOD大, 东风情况下AOD小, 霾与晴天相比, AOD明显增大; 对同一波段, 风向差别引起的AOD的差异较晴天与霾相比引起的AOD的差异要小。

利用乌鲁木齐2002年4月15日-2003年3月15日期间CE318太阳光度计的观测数据,计算了气溶胶光学厚度,对气溶胶光学厚度与地面污染物浓度之间的关系进行了探讨。乌鲁木齐的首要污染物为PM₁₀,其次是SO₂。结果表明,全年中乌鲁木齐气溶胶光学厚度与PM₁₀、SO₂浓度的逐月变化趋势基本一致。气溶胶光学厚度与PM₁₀浓度日均值、月均值的相关系数分别为0.4104和0.5922,与SO₂浓度日均值、月均值相关系数分别为0.3212和0.8168。每月SO₂浓度和硫酸盐化速率的相关性很高,为0.8430,所以导致SO₂对气溶胶光学厚度的贡献更显著。这在一定程度上说明SO₂浓度是估测气溶胶光学厚度的一个较好参量。

Kaufman的暗像元方法是目前利用MODIS卫星资料反演气溶胶光学厚度的方法之一,但在获取可见光通道地表反射率时存在局限性。我们用一种对比方法进行了反演试验,研究了反演粒径较大的气溶胶光学厚度的可行性。用6S辐射传输模式模拟了两天的表观反射率差异对气溶胶光学厚度的敏感性;利用两天("清洁日"和"污染日")MODIS的红、蓝和近红外通道表观反射率资料,通过查算表反演了水面上空的气溶胶光学厚度和几何平均质量粒径;在此基础上反演了兰州地区气溶胶光学厚度的分布情况。反演结果与地面光度计观测作了比较,两者比较接近,说明反演方法是可行的。

利用光度计资料,计算了兰州冬季大气气溶胶的光学厚度,并利用计算结果进一步得出了Angstrom浑浊度系数β和波长指数α,对计算结果的分析表明,兰州冬季气溶胶与历史同期相比,光学厚度较大,浑浊度较高,且多为大粒子。此外,本文还对气溶胶光学厚度与能见度进行了分析、拟合,二者的变化趋势正好相反,光学厚度与能见度之间近似呈指数递减的关系。

借助6S模式对MODIS的蓝光(0.46μ_m)、红光(0.66μ_m)和中红外(2.1μ_m)通道进行了行星反照率对地表反射率和气溶胶光学厚度的敏感性试验,并对蓝光和红光通道的路径辐射对行星反照率的贡献做了数值试验;计算了MODIS的蓝光、红光和中红外通道在兰州市及其周围地区的地表反射率,检验了Kaufman给出的三个通道地表反射率之间的关系。检验结果表明,在兰州周围地区蓝光通道与中红外通道地表反射率之间的关系与Kaufman给出的关系比较符合,对于兰州周围大范围区域都是适用的。利用此关系通过6S模式进一步反演了兰州城市及其附近地区1×10⁴ km²范围内的气溶胶光学厚度,反演结果较为合理。

根据2001年4~9月份在腾格里沙漠沙坡头站进行的为期6个月的地面多波段太阳直接辐射观测结果,讨论了仪器的定标、气溶胶的不同波段光学厚度及其变化规律。结果表明,仪器的定标合理;腾格里沙漠地区的气溶胶光学厚度在不同天气状况下的变化有很大差别,而总体光学厚度较大,时空变化较大;但在同等条件下,各波段变化规律基本一致;不同天气状况下存在不同的气溶胶分布特征。

利用敦煌、北京等5个观测站的大气光学厚度[AOT(λ)]资料,分析了2001年春季中国北方大气气溶胶光学厚度的时空分布特征。结果表明,在观测期内各站每月都有大气气溶胶光学厚度高值[AOT(λ=0.50μm)≥1.04]出现,与我国北方历年在春季发生的沙尘天气的一般时空分布特征基本一致。本文还探讨了大气气溶胶光学厚度与水平能见度以及沙尘天气之间的关系。

讨论了利用太阳直接辐射资料反演大气气溶胶光学厚度的一种方法,并且用1981-1983年敦煌地区太阳直接辐射资料计算了该地区大气气溶胶光学厚度的季节变化特征。结果表明,敦煌地区大气气溶胶光学厚度冬季稳定,变化小;春季不稳定,变化幅度大;夏季次之;秋季较小。

利用晴空无云条件下地面上实测的太阳直接辐射资料,用两种不同的方法反演了宽频上的气溶胶光学厚度,得到了比较一致的结果。从计算方法的比较分析来看,两种方法都是以全波段上的太阳辐射确定宽频上的气溶胶光学厚度为目的。方法I计算简单,但是其中所用的全波段太阳辐射衰减公式比较粗略;方法Ⅱ是确定一最优波长,并以此波长的气溶胶光学厚度作为宽频上的气溶胶光学厚度,在理论上较方法Ⅰ完善,得到的τ_a(λ₀)也可以得到更多的信息。总之,方法Ⅱ较方法Ⅰ更合理可行。

利用M-120型太阳光度表的观测资料并结合有关资料,分析了贺兰山地区大气气溶胶的光学特征,并对在各类天气条件下,大气气溶胶光学厚度以及Angstrom浑浊度系数和波长指数的变化规律进行了讨论。利用实测地面大气气溶胶粒子谱资料,探讨了大气气溶胶粒子数浓度与Angstrom浑浊度系数β之间的关系以及大气气溶胶粒子几何平均尺度与波长指数α之间的相关关系。