文摘
这项研究涵盖了各个方面的气溶胶分布和特点,即光学深度气候学、吸收特征,及其微观物理学的属性在四个区域在沙特阿拉伯使用卫星和地面观测包括MODIS /泰拉和阿卡,OMI MISR / Terra, AERONET,卡利普索2003年4月- 2013年1月。研究包括在西北城市,西部、东部省份的沙特阿拉伯和摩擦着沙漠或空白之地。卫星和地面观测表明,粉尘赛季延伸从四月到八月还与著名的山峰高人为贡献夏末和初秋。分析显示2009年3月期间气溶胶浓度的增加可以归因于一个主要的沙尘暴。比较了该时间序列在区域1 - 3和地区4(沙漠)我们观察月度和年度变化没有循环模式。Aqua深蓝大气气溶胶550年数据显示单个模式发生在峰值区域4在春天季节频繁尘埃事件而闻名。尾身茂数据揭示的存在的空气污染水平较高地区3,代表沙特阿拉伯的石油丰富的东部省份。
1。介绍
气溶胶对区域气候的影响及其最终连接到地球的全球气候系统,因此迫使已经观察到通过光学和微观物理学的属性(1- - - - - -5]。因此,提高我们对气溶胶属性和特征的理解是必要的尤其是在大型和高度密集的城市气溶胶对人体健康有着重要的影响(6- - - - - -9]。沙特阿拉伯王国是世界上气溶胶的主要来源,包括自然和人为组件(10,11]。然而,它仍然缺乏更好的描述的大气气溶胶特性与原位观测的重要不足。在中东,尘埃来源扩展Tigris-Euphrates盆地北部的阿曼海岸,然而尘埃活动相当复杂和广泛受季节变化的影响12]。沙特阿拉伯的沙尘暴的时空特点,关注相关的空气包裹轨迹,研究了使用粉尘气溶胶的浓度和地球化学,车站,和网格天气观测和遥感气溶胶观测13- - - - - -15]。
使用点10浓度,记录由国王阿卜杜勒•阿齐兹城市科技(KACST) 2000 - 2003年期间监测网络,九个本地和四个外部尘埃来源已确定,与七个类型的沙尘暴,引发季节性分布的气象条件,然而由哈布沙暴(~ 42%)和夏马风(~ 37%)。彻底调查的一个最强烈的沙尘暴在沙特阿拉伯经历在过去二十年中,利雅得和持续几个小时在3月10日,2009进行16]。显著变化的气溶胶和气象参数观察4 hPa气压迅速增加,温度降低到6°C,相对湿地从10%增加到30%,气溶胶光学厚度(AOD)在550 nm增加从0.396到1.71,而埃指数(AE)速降从0.192−0.078。另一方面,季节性和气溶胶的浓度变化影响云的属性和作为凝结核研究利用卫星和地面观测在阿拉伯海(17,18周围),在其他地点在非洲北部和海湾地区19- - - - - -29日]。根据(18)季节性变化明显的形状和大小的体积大小分布粗大小模式由于粉尘排放。
点的模型10粉尘排放是由(30.),使用一个阈值的概念摩擦速度依赖于表面粗糙度,反过来与地貌、土壤属性。这是申请科威特、伊拉克、叙利亚、沙特阿拉伯、阿拉伯联合酋长国、阿曼。模型结果同意定量测量在四个地点在沙特阿拉伯和科威特一个主要沙尘事件(> 1000μg / m3)。另一方面(31日)合并二束散射方案基于delta-Eddington近似到佛罗里达州立大学有限区域短波辐射通量计算模型由于对沙特阿拉伯地区沙尘气溶胶和研究它们对天气尺度系统的影响,对该地区昼夜循环。期间收集的粉尘粒子的平均直径的沙尘暴在利雅得附近的各种高度被[测试32]。发现大部分的粒度分布可以由对数正态或正态分布描述根据风暴条件和高度。/沙尘粒子的平均直径随高度的增加根据幂律。
在本文中,我们提出一个详细的气候分析使用卫星观测的气溶胶光学和微物理特性在四个主要选择在沙特阿拉伯地区;选择的标准,突出显示在图1。此外,我们讨论的气溶胶传输模式和特点在重要的3月10日,2009年沙尘暴气溶胶光学和物理特性为一个扩展的工作由(16]。数据来自两个气溶胶机器人网络(AERONET)地面,即太阳能村(长:46.397纬度。24.907)和马斯达尔(长。54.617纬度。24.442)(5和6所示,分别地。,在图1),也用于验证目的。两站还没有包含在我们的四个选择感兴趣的区域,但被认为比较重视的沙漠和城市地区。气溶胶总体区域行为和远程传输可能是一个因素;因此,利用地面数据被视为一个需要添加。
1代表了西北地区(西北)沙特阿拉伯的城市,那里的温度范围从~ 46°C在夏季在冬天,在冬季降水从11月到3月。西北地区小人口不到600000,包含武装力量的工业城市在一个面积140万平方米,以石化、塑料、铝、钢铁行业。地区2代表(WP)的沙特阿拉伯西部省份,包括三个主要城市,也就是说,吉达,麦加,Madinah闻名高人口特别是在穆斯林朝圣的季节(麦加朝圣),说最大的人们聚集在世界每年有超过200万的访问量。微粒污染是一个严重的问题在麦加城和周边地区由于交通在麦加朝圣季节发出的粒子(33,34]。此外,麦加城坐落在一个山谷大约Sarawat山脉中间的生产大型机载砂和人为气溶胶的浓度。WP保留它的冬天很温暖的温度~ 18°C增加~ 40°C在夏季,稀疏的雨落在11月和1月。区域3代表沙特东部省份(EP),包含一个中东地区最大的工业园区包括钢厂,炼油厂,世界上最大的海水淡化厂,电力,石油化工产品,如塑料和化肥。EP是关于热带方面的气候炎热和相对潮湿的温度从~ 46°C在夏天~ 13°C在冬季(35]。最后,南部地区4位于沙特阿拉伯和代表搓着沙漠或空白之地(EQ)。情商是一个巨大的气溶胶来源,因为它占地面积~ 560000公里2每日最高温度达到高达56°C和接收的年降雨量少于30毫米。
2。数据集和方法
在这个工作我们利用气溶胶测量的传感器,利用各种各样的气溶胶参数可以从这些传感器,包括中分辨率成像光谱仪(MODIS)在泰拉和阿卡卫星和臭氧监测仪器(OMI)光环卫星调查气溶胶光学特性;多角度成像光谱仪(MISR)仪器在Terra气溶胶的研究微观物理学的属性包括大小和形状;“激光雷达和红外探路者(CALIOP)传感器在卡利普索卫星识别不同的气溶胶类型和垂直分布。地面测量用于分析包括多年气溶胶(AERONET测量36在上面提到的两个网站。HYSPLIT(单粒子拉格朗日混合集成轨迹)模型版本4用于生成气团前进轨迹。HYSPLIT模型是最新版本的一个集成的系统计算空运轨迹,分散,和沉积模拟37]。上述数据将用于描述明显复杂动力学的气溶胶在王国由粗模式来自沙漠的沙尘气溶胶,修改和人为气溶胶混合好。
2.1。MODIS / Terra和MODIS /水
MODIS / Terra和MODIS / Aqua仪器提供的验证气溶胶产品,包括大气气溶胶在10公里分辨率水和土地38,39]。大气气溶胶的不确定性是±0.05 (±0.15大气气溶胶)对土地和±0.03 (±0.05在海洋大气气溶胶)。月平均细分数的不确定性气溶胶光学深度[±20%38]。在沙漠地区我们使用深蓝色产品而不是标准的大气气溶胶产品,因为后者检索使用dark-target方法(40在近红外波段(2.1和3.8μ米)(41]。这两个蓝色通道(0.412和0.470毫米)允许深蓝算法对气溶胶在明亮的表面更敏感的表面反射率相对较小来推断气溶胶特性(42]。MODIS深蓝算法主要使用UV通道提供气溶胶检索在沙漠和其他领域的操作不能。深蓝色的不确定性产品据报道大约25 - 30% (43]。最近发布的一个新的3公里分辨率的MODIS气溶胶产品的收集6数据集(44)是非常有利的研究小区域如在本研究中强调显示。
2.2。MISR /地球
MISR / Terra操作气溶胶检索在17.6公里水平分辨率信息包括一些粒子大小,形状,和单散射反照率,除了AOD将用于这个研究[45- - - - - -48]。全球同步多角度的比较和AERONET sunphotometer数据显示,总体而言,约70%至75%的MISR AOD检索属于0.05或20%大气气溶胶,约50%至55%在0.03或10%大气气溶胶,除了在网站灰尘或混合(常见的灰尘和烟雾48,49]。在这里,我们分析了3月气溶胶产品平均水平选择1级和2级参数在每天,每月,每年季节性,时间从2003年1月至2009年8月研究气溶胶的形状和大小。
2.3。卡利普索
卡利普索法美任务,提供了一个独特的大气垂直配置文件数据集来衡量CALIOP车载卫星和一个30米的垂直分辨率。卡利普索于2006年6月中旬开始发布的数据,包括一级光芒,面具,二级垂直特性和云与气溶胶层产品(50]。
2.4。尾身茂/光环
尾身茂/光环提供(紫外线气溶胶指数)UVAI数据(51- - - - - -53]。UVAI是产品标准的尾身茂气溶胶检索,这表明紫外线吸收气溶胶(53]。吸收气溶胶等碳质气溶胶、沙尘和火山灰在边界层产生积极UVAI值(> 1),而nonabsorbing小粒子气溶胶产生小负值(53]。吸收在边界层气溶胶可能产生小UVAI值(< 0.5),很难单独的信号从背景噪音。考虑到大尺寸(13×24公里在最低点)OMI的像素,亚像素云污染是一个持续的问题导致大气气溶胶的高估和低估的单散射coalbedo [53]。
2.5。AERONET
AERONET联合会Cimel sunphotometers提供白天大气气溶胶测量平均每下半场覆盖340 - 1600 nm波长范围与典型大气气溶胶的不确定性±0.015 [36,54,55]。AERONET大气气溶胶来自太阳直射光束测量,和一些信息粒度和折射指数来源于sky-scans从车站将用于本研究中提到的部分1。
3所示。结果与讨论
3.1。分析气溶胶光学深度(AOD)
在这项研究中,MODIS气溶胶泰拉和阿卡数据是研究气溶胶负载、特点、程度上,和颞可变性三沙特阿拉伯亚区包括武装力量(34.70°E 36.21°E和27.60°N 28.99°N);麦加(38.42°E 40.82°E和20.50°N 22.28°N),和达兰(49.98°E 50.19°E和26.21°N 26.56°N)(图1)。这些区域被选中代表西北,W和E沙特阿拉伯地区,分别对气溶胶的空间表示行为。数据2(一个),2 (b),2 (c)显示了该月度平均在550 nm武装力量,麦加,达兰从2003年4月到2013年1月。图2 (d)显示了每月深蓝在550纳米摩擦着沙漠(空季度)(52°E 52.4°E和19.6°N - 20°N)在同一时期。由于相对较小的反射在摩擦着沙漠,我们使用了深蓝算法因其更大的敏感性在明亮的气溶胶表面部分中讨论2。1。比较四个区域的大气气溶胶月度数据显示月度和年度变化没有循环模式。气溶胶浓度突然增加2009年观察到的地区3 (EP) 2009年3月,可以归因于主要沙尘事件在沙特阿拉伯以及一些工业活动在该地区14]。这重要的观察增加在大气气溶胶浓度平均值达兰(图2 (c))在2008 - 2009年对麦加(图有轻微影响2 (b))相比,摩擦着(图2 (d))这意味着当地的这个事件的性质。另一方面,Aqua深蓝大气气溶胶550年数据擦着沙漠(4)地区(图2 (d))显示一个模式每年发生在春季旺季期间灰尘事件是占主导地位的。表1显示了平均AOD与标准错误区域1 - 4。研究大气气溶胶背景水平王国,每月意味着气候学在区域3和4使用标准MODIS大气气溶胶和深蓝,分别计算在550 nm和代表(数字3(一个)和3 (b))与标准垂直误差的月平均值。每月MODIS气候意味着显示了一个周期,在秋季和冬季最低AOD然后山峰在春季和夏季。最高年平均大气气溶胶550年Aqua和Terra ~ 0.82±0.06 ~ 0.72±0.05,分别在每年最低的意思是~ 0.28±0.06 ~ 0.28±0.05,分别。很明显,仍有相对较高的大气气溶胶背景在选定区域可以观察到与工业污染和石油化工行业活跃的地区,这是典型的工业城市在发展中国家(7,56,57]。
(一)武装力量
(b)麦加
(c)达兰
(d)摩擦着沙漠
(一)地区3所示
4 (b)区域
如此高的背景大气气溶胶含量会间接影响当地气候和降水的水平。因此,平均降水率和大气气溶胶水平之间的关系研究结果,每月气候学的降水率/地区3是另外策划(图3(一个)在2003 - 2013年期间)。夏季降水率最小和最大的冬季。在3和9我们发现降水对气溶胶浓度的影响不清楚由于间接影响与其他研究相比在地中海盆地降水率显示为一个最强的冬季大气气溶胶清除过程(58]。提出了图3(一个)降水率很低,从0.02到0.04毫米/月;因此,降水可能降低气溶胶的贡献湿沉积。AOD值较低的可能原因可以在源地区降水或降水观测的气溶胶旅行从源站点。如果不是这种情况,最可能的原因是风的季节性变化流模式,用平流输送来自源地区的气溶胶的观测站点以及更高的夏季大气气溶胶由于积累好气溶胶粒子在夏天58]。值得注意的是一年一度的灰尘和人为污染是主要的排放源在3和9期。尽管可用的降水数据遭受错误,他们仍然可以用于长时间平均(59]。
Terra的意思是该结果高于水在五月到八月;然而区别不是明显高,符合(38],他们表明,泰拉和阿卡之间没有显著性差异的结果。每月的气候学意味着在摩擦着沙漠地区(4)显示一个最大的大气气溶胶550年价值至少0.5035±0.03,0.1469±0.03代表低每月AOD相比,在区域3。这是由于工业活动和当地空气污染地区3所示。
3.2。吸收气溶胶特征、垂直结构和亚型
吸收气溶胶,来自干旱地区,远程传输能力,在此期间他们通常与城市互动/工业污染物和其他各种气象条件下气溶胶。这样运输的结果在一个复杂的混合场景在不同气溶胶,影响气候系统的辐射平衡直接或间接(2,60]。这些气溶胶检测和量化,如碳质矿物粉尘,近紫外线气溶胶遥感是足够的,因为他们吸收紫外线(UV)辐射。
UVAI数据用于本研究对尘埃垂直分布敏感,wind-transport,和尘埃大小分布,这是一个合理的方法对干旱环境(61年]。数据4(一)和4 (b)现在每日OMI UVAI变化为每月2012 - 2013和气候学的两年时间在区域3 (EP)。我们观察常年正值表明吸收气溶胶一年四季的存在(62年]。每日UVAI观察突出2年期间每月组件和一个清晰的阻止在春末和夏季的季节,这是明显的UVAI每月气候学的最大值(图5月2.1±0.134 (b))。期间高UVAI值可能符合大AOD值观察从MODIS数据(图3(一个)相比),观察/区域4。这让我们相信在空气污染水平较高的地区,代表了沙特阿拉伯的石油丰富的东部省份。很明显,MODIS大气气溶胶和UVAI用气溶胶变化(数字显示了类似的模式3和4)然而尖锐AOD山峰在夏季。这是欠UVAI敏感性气溶胶层高度(62年],沙尘气溶胶存在于更大范围的海拔比可能的人为气溶胶,是局限于行星边界层(PBL) [26,28],UVAI往往是对这些边界层气溶胶63年]。这个混合场景之间的自然和人为气溶胶观测的气溶胶垂直后向散射和亚型来自卡利普索这是非常有用的在这里观察弱气溶胶层和薄的云通过检测光学深度0.01或更少(64年]。在图5,大气的垂直配置文件到20公里,由总减毒后向散射在532 nm,显示为卡利普索立交桥的东部内陆沙特阿拉伯3月11日(图5(一个)在夜间,而图5 (b)显示最丰富的气溶胶类型选择区域如图5(一个)。这个概要文件清楚地显示了一个主要的垂直结构SDS在研究区域。3月11日,气溶胶的浓度达到> 5公里高的东部地区北部和2 - 3公里东部内陆中部和南部地区的沙特阿拉伯,包括周围的海湾国家。在非洲东部地区主要是由云,这表现出极高的后向散射(超过白人)和块从大气中后向散射(深蓝色)。混合云层观察到感兴趣的地区主要是由灰尘和污染的尘埃开始在非常高的高度反映了好的模式部分粒子分布在北部主要是丰富的。还确定了主要的SDS来自卡利普索的其他参数,如垂直减毒后向散射(532海里)、总减毒后向散射在1064 nm,减毒的颜色比,和去极化率(没有显示)。
(一)
(b)
(一)
(b)
3.3。微观物理学的属性
AERONET地面测量大气气溶胶数据分析了440 nm和1020 nm的可用时间2012年4月- 2012年12月对太阳能村,从2012年6月到2103年5月为马斯达尔来验证卫星数据中讨论部分1和2。5。正如以前讨论我们认为太阳能村的位置作为一个大气气溶胶代表在沙漠,而马斯达尔,代表了该EP的沙特阿拉伯。此外,HYSPLIT逆向轨迹如图6(一)和6 (b)强调这样一个事实,即区域3和4是一个可能的气溶胶的来源获得太阳能村和马斯达尔,分别。两个站440海里的观测结果显示最大值为0.71 7月和3月最低0.27马斯达尔和11月最大值为0.08,最小的在太阳能村(图8月份的0.057)。高7月AOD值(0.71)在MASADR显示关闭协议7月AOD值(0.76)从Aqua检索EP,这证实了卫星和马斯达尔大气气溶胶观测之间的通用协议。然而,这样的协议之间没有建立8月AOD值(0.39)从水/地区4相比,该记录的低价值(0.05)太阳能村站。这个预计由于气溶胶沉积发生从摩擦着太阳能村(图很长一段距离6(一))。很明显,在440 nm AOD值都高于自长波长1020 nm大大影响水蒸气吸收,因此用于推导出总水汽列(24]。
(一)
(b)
我们使用AERONET AE(440/870)来识别气溶胶来源自然,人为,或混合在沙特阿拉伯地区3和4,小AE值与大尘埃颗粒(自然起源)相比大AE值代表体积小气溶胶(人为/混合)(图8)。结果显示小AE值在春季(主要是沙尘)和更大的AE值观察期间July-December主要与更小的微粒在马斯达尔和太阳能村反映出更为复杂的场景在位置。这是归因于这样一个事实:污染物以及混合气溶胶与灰尘很常见在阿拉伯。这是进一步观察OMI UVAI数据沙特阿拉伯在3月9日,2009年沙尘暴事件的高UVAI值附近地区3表明吸收与可能沙尘气溶胶混合,小颗粒从工业排放的贡献归功于陆风这个地区发行量(65年)(图9)。此外,粒子的分散在不同的海拔在UTC时间16:00时观察到3月09年,2009年通过检查三天回轨迹来自地区3所示。HYSPLIT轨迹计算的模型开始在离地面50米水平表明,尘埃来自西北的沙特阿拉伯和埃及的东部气溶胶显示高优势~ 3000(图10)。然而,沙漠太阳能村所在的中间展品混合粒子在3000(黑色)和6000(蓝色)显示更高的沉积气溶胶方法EP和同意小AERONET AE值在春天喜欢尘埃的存在(图10)。
MISR大气气溶胶、大小和形状分数数据是用来描述的气溶胶类型根据他们的物理和光学性质研究气溶胶粒子物理学。misa大气气溶胶在558 nm数据分类成小颗粒,中型和大型的大小,以及球形和nonspherical。数据(11日)和11 (b)目前每月的平均大小和形状,从2003年到2013年在地区三大优势和小尺寸粒子的分数高于中等的(图(11日))在春季更大尺寸颗粒丰富。这样的粒径发生同意AE值有明显灰尘和人为事件相比,混合的。也注意到,球形颗粒高于nonspherical一年四季并展示一个更稳定的值指示高污染水平。然而,在March-July nonspherical粒子显著高于其余(图11 (b)),这是符合沙尘暴季节延长从3月到夏末(14]。nonspherical的大气气溶胶粒子达到最大的价值~ 6月0.3517±0.01,最大的球形部分大气气溶胶发生在7月的价值~ 0.4867±0.01。大该分数更高在高于沙尘的重大贡献,同时在雨季,November-February,大气气溶胶的小型,中型和大型粒子显著下降。
(一)
(b)
在春季和夏季季节misa AOD一般显示更高的值大或小尺寸粒子与介质的表所示2。这些高价值在这些季节透露,大多数大大小的粒子半径大于1μ特别是4月和5月。然而,10月分布显示这两个小型和大型粒子存在统治大粒子可以揭示从两座山峰~ 0.1 ~ 4μm(图12)。上述结果与大气气溶胶、AE和大小分布在春季和其他季节同意弹簧最大当地沙尘活动以及混合场景在其他季节66年]。
4所示。结论
辽宁省风暴(SDSs)海湾地区影响人类生活的各个方面包括卫生和经济。他们可以与气候变化有关,导致不同的反馈机制以及空气污染。因此,早期检测和监测SDSs是一个至关重要的问题可能造成的风险减少这些危险的现象。一般来说,卫星遥感为不同的目的,使用各种传感器装备提供监控SDSs最有效的合成方法。在这项研究中,多传感器的方法是应用于严重SDS病例,它起源于阿拉伯和从环境,调查案件的特点风暴和探索的能力方法的检测和监控。为此,我们采用几个卫星传感器,即MODIS,尾身茂,激光雷达仪器和可见红外成像系统车载AERONET地面站的卡利普索和数据。气溶胶信息加载提供了从Terra / Aqua MODIS大气气溶胶检索。获取大气气溶胶在明亮的陆地表面,采用DB算法。有关尘埃云的沙尘暴事件,信息是通过标准的大气气溶胶除了明亮的表面摩擦着周边地区(空季度)沙漠,DB AOD所覆盖。这表明气溶胶加载信息可以从其它算法相结合(传感器)提供更多的严重SDSs的连续和完整的检测。
整体多传感器的方法使用卫星遥感提供了有用的信息在各种属性的沙尘暴事件,包括气溶胶加载位置和大小,大小的气溶胶模式,长期吸收气溶胶的行为,和垂直结构。这使我们能够更严重SDSs的连续和完整的检测。此外,我们的方法提供了信息人为气溶胶和污染物,不只是尘埃。早期检测的气溶胶和污染物尤其非常有用和重要的卫生防护区域位于下游的来源地区。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者要感谢提供的支持阿卜杜勒阿齐兹国王科技城(KACST)资助这项工作在批准号mt - 32 - 76。提供的支持院长以来石油和矿物法赫德国王大学的研究(KFUPM)。本研究分析和可视化用于乔凡尼生产在线数据系统,开发和维护由NASA GES盘。他们也承认MODIS任务相关科学家和美国国家航空航天局人员生产使用的数据的研究工作。此外,作者也承认使用萨姆厄实验室的施密德科技学院的计算机科学,查普曼大学,为图像处理和数据分析。