利用多波段热光碳分析仪解析碳质气溶胶特征:以兰州市为例

利用多波段热光碳分析仪解析了2014年12月至2015年11月兰州市大气碳质气溶胶的特征.结果表明,兰州市大气气溶胶中黑碳和有机碳平均浓度分别为6.7和25.4μg m~(–3),并呈明显的冬高夏低季节变化特征,这与中国北方其他城市的研究结果较为一致.一次有机气溶胶(POC)和二次有机气溶胶(SOC)分别约占碳质气溶胶的60%和17%,且SOC的季节变化不明显,表明其来源在全年变化不大.气溶胶中黑碳的吸收截面(MAC632nm)归一化结果为7.1m2g–1,略高于新排放的黑碳的值.不同波段黑碳的MAC值相差较大,紫外和可见光波段(8.5~10.2m~2g~(–1))要大于近红外波段(4.9~5.7m~2g~(–1)).气溶胶吸收光学厚度随波长的变化整体上从近红外到近紫外呈降低趋势,且冬季高于夏季,说明不同季节黑碳组分的贡献存在差异.棕碳(BrC)的埃斯特朗吸收指数(AAE)值约为2.75,与柴油燃烧产生的BrC的AAE值(2.3)相当, BrC在635nm波段对光吸收的贡献可达34%.该研究表明多波段热光碳分析仪可定量给出大气气溶胶中BrC的吸光性,丰富了我们对碳质气溶胶的认识,为进一步的气候模式模拟提供了关键参数.     

MOM4_L40模式对全球海洋CFC-11分布的模拟及其通风能力评估

CFC-11是评估全球海洋环流模式的一个重要工具,海水中溶解的CFC-11被用来分析全球海洋模式的通风模拟.本文在中国气象局国家气候中心发展的40层全球海洋环流模式(MOM4_L40)增加了示踪物CFC-11模块,然后利用该模式研究了CFC-11在全球海洋中的分布,并评估了模式的通风能力.对CFC-11的海表浓度、柱总含量以及大洋剖面的垂直浓度分布和渗透深度进行了分析,结果表明,与观测相比,模式较好地再现了CFC-11在海洋表面的水平分布特征,CFC-11主要储存区位于西北大西洋、副热带北太平洋及南大洋,其浓度分布与温度分布梯度相反.沿三个大洋的5个剖面的CFC-11垂直分布模拟也与观测基本吻合.模式模拟的CFC-11分布情况与全球平均经向流函数吻合,在南大洋模拟效果更加接近观测值,深海模拟效果较好,渗透深度接近观测.同时,模拟与观测相比也存在偏差.比如在北大西洋主要的存储区域,模式低估了CFC-11的吸收,这与高纬的CFC-11向低纬过度输送有关,可能是受温盐环流和强迫资料的影响.总体来说,MOM_L40模式模拟大洋吸收的CFC-11总量是理想的,通过模拟被动示踪物CFC-11很好地再现了海洋的通风能力.     

东亚地区矿物尘气溶胶直接辐射强迫的初步模拟研究

为研究东亚地区矿物尘气溶胶的直接辐射效应,在区域气候模式RegCM3中加入起尘方案、建立矿物尘气溶胶输送模式,并将其辐射过程加入区域气候模式的辐射方案.通过对2001年3月～2002年3月的模拟发现：中国西北和蒙古国年平均地表起尘率在1μg/(m2·s)以上,最大达到90μg/(m2·s)是东亚地区最主要的矿物尘气溶胶源地;东亚地区矿物尘气溶胶柱含量最大值达5g/m2,出现在塔克拉玛干沙漠和秦岭地区;气溶胶大气顶直接辐射强迫基本呈现大陆上为正、海洋上正负均有的分布特征,区域平均辐射强迫在春夏秋冬分别为108, 088, 037,040W/m2,短波辐射强迫在陆上为正、海上正负均有,长波辐射强迫均为正值;四季的地表辐射强迫分别为-564, -225, -137, -187W/m2;辐射强迫数值对矿物尘气溶胶单次散射反照率的变化较敏感.     

基于PPDF方法的气溶胶散射效应参数化模型精度评估

本文讨论分析了O2-A带气溶胶散射效应的估算．利用基于等效理论的光子路径分布概率函数（PPDF）方法,将散射效应对大气有效透过率的影响参数化,通过模拟反演实验分析研究PPDF方法的有效性．首先利用正向模型模拟四种不同气溶胶模式分布情况下02-A带的卫星观测;然后利用非线性最优化迭代方法反演PPDF因子,利用反演得到的PPDF因子重构观测值,最后比对分析了重构观测值和模拟观测真值之间的差异．通过反演实验,验证了PPDF方法对于气溶胶散射效应估算的有效性;同时也表明02-A带可以作为痕量气体卫星遥感的一个有效辅助观测通道．     

中国不同排放情景下人为气溶胶的气候效应

本文利用区域气候模式RIEMS2.0(Regional Integrated Environmental Model System)和2006年以及2020年三种排放情景下的排放资料,研究了2006年气候背景下的人为气溶胶的浓度分布特征及辐射效应,估算了未来不同排放情景下人为气溶胶的主要成分硫酸盐、硝酸盐、黑碳、有机碳(含二次有机碳)的综合气候效应.结果表明:(1)2006年中国地区人为气溶胶浓度硫酸盐>有机碳>硝酸盐>黑碳,其区域柱浓度平均值分别为6.0、4.0、1.3和0.3 mg/m².(2)2006年硫酸盐、硝酸盐、有机碳和黑碳的平均辐射强迫分别为-1.32、-0.60、-0.40和0.28 W/m².硫酸盐、硝酸盐和有机碳的负辐射强迫超过黑碳的正辐射强迫,人为气溶胶总辐射强迫为-1.96 W/m².(3)人为气溶胶的辐射效应及引起的地面气温变化对排放源非常敏感,未来采取不同排放政策导致的人为气溶胶的含量及辐射效应有较大差异.在未来排放增加的情景下,各区域的气溶胶浓度、辐射强迫、气温下降幅度和降水减少幅度也相应加大.     

大气模式估算的东亚区域人为硫酸盐和黑碳气溶胶辐射强迫及其时间变化特征

本文利用大气环流模式及大气化学模式所得气溶胶资料,估算了相对1850s时期硫酸盐和黑碳气溶胶引起的全球及东亚区域人为辐射强迫,重点分析其在东亚区域的季节和长期变化特征.结果表明,就当前全球年平均全天空而言,人为硫酸盐气溶胶对大气顶的直接和云反照率强迫分别为-0.37和-0.98 W·m-2,黑碳气溶胶对大气顶和整层大气的辐射强迫值为0.16和0.47 W·m-2;中国东部区域是目前上述气溶胶辐射强迫最强的区域,硫酸盐的直接和间接辐射强迫分别超过-2.0和-4.0 W·m-2,黑碳对大气顶和整层大气的直接辐射强迫分别可达2.0和5.0W·m-2;估算的东亚区域上述气溶胶辐射强迫仍在不断增强,峰值预计出现在2010s时段,而且中国东部较强的辐射强迫还可能维持至2030s左右;在未来中、高排放情景下,东亚区域以上两种气溶胶预计对全球气溶胶辐射强迫有更大的贡献.分析还表明,夏季东亚区域较强的水汽会增强吸湿性硫酸盐气溶胶的光学厚度和晴空直接辐射强迫;云的作用一方面会强化东亚区域全天空条件下大气顶黑碳的辐射强迫,另一方面会影响硫酸盐气溶胶间接云反照率强迫的季节变化;上述气候特征的差异使得东亚区域的气溶胶辐射强迫表现出与欧美区域有所不同的特征.本文所用的气溶胶资料与模式气象场的偏差会给气溶胶辐射强迫计算带来一些不确定性,进一步改进气候模式中气溶胶过程、水汽和云等气象场的模拟将有助于获得更为合理的区域气溶胶辐射强迫估算结果.     

氚输入函数的构造与北太平洋氚分布的模拟

使用一个开边界的北太平洋环流模式研究氚在北太平洋中的分布和输送. 首先, 选用全球同位素降水资料GNIP/ISOHIS, 用插值的方法构造模式区域1951~1997年的氚强迫函数. 之后将构造的氚强迫函数加为海表通量边界条件, 从零初始的氚分布积分环流模式47年. 将模拟结果与GEOSECS和WOCE的观测资料进行对比分析, 结果表明: 模式得到了与观测资料相符的经向梯度和次表层高值信号; 模拟出了北太平洋区域氚的总通量在1963年出现了明显的峰值, 氚的总储量在1975年后变化缓慢; 模式模拟的氚由高纬度海表进入, 经次表层输送向赤道方向转移, 与分析观测资料得出的结论是一致的. 但模拟结果在30°~40°N区域存在一定误差, 这种误差在模拟CFCs分布时也曾出现. 误差可能源于模式对这一区域物理过程描述的不足, 但在氚强迫函数构造过程中存在的不确定性因素也会影响模拟结果.     

MODIS卫星遥感气溶胶产品在北京市大气污染研究中的应用

利用NASA MODIS气溶胶光学厚度产品与北京市空气污染指数做了长期比较分析, 发现二者的直接对比相关较低; 在引入季节变化的气溶胶标高、考虑了气溶胶的垂直分布后, 二者的相关系数有所提高; 在考虑了湿度影响因子订正后, 二者的相关系数显著提高. 证实卫星遥感气溶胶光学厚度在经过垂直和湿度影响两方面的订正后, 可以作为监测颗粒物污染物地面分布的一个有效手段. 利用 MODIS资料对2004年10月一次污染个例的分析, 表明卫星遥感气溶胶可以细致描绘地面污染事件的形成过程, 发现区域尺度输送和地形因素对北京市空气质量具有显著影响. 高分辨率的反演结果给出北京城区及周边地区气溶胶光学厚度的年平均分布, 表明高分辨率卫星遥感可能在监测颗粒物排放源分布上具有潜在的应用价值.     

华北典型污染地区多轴差分吸收光谱技术的气溶胶反演研究

基于华北典型污染地区的地基多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）近4年的观测数据,利用最优估计算法和LIDORT辐射传输模式反演了该区域气溶胶的消光系数垂直廓线和光学厚度（AOD）.MAX-DOAS观测反演的AOD与全球气溶胶观测网络同波段在华北地区的AOD间具有很好的一致性,相关系数都在0.9以上,证明MAX-DOAS具备对华北污染区域气溶胶光学厚度和消光系数垂直廓线的反演能力.AOD的反演误差表现为冬季最大,春夏最小,早晚大于正午,这是因为冬季以及早晚太阳天顶角较大导致信噪比偏小,所以AOD反演误差偏大.反演廓线表明该区域气溶胶主要集中在1 km以下的边界层,浓度随高度呈指数递减,部分情况下峰值出现在300 m处;气溶胶光学厚度夏季最大,冬季最小,正午较大,早晚较小.在东风条件下浓度最高,表明东边（即重工业城市唐山方向）的输送对香河和周边区域的气溶胶积聚有重要贡献.     

东亚地区云的垂直重叠特性及其对云辐射强迫的影响

本文通过对云观测卫星-CloudSat的2007～2009年3年的观测资料的分析,研究了东亚地区的云的垂直结构.首次计算了在气候模式的云辐射过程中表征云的垂直结构特征的一个重要参数：抗相关厚度L＊cf.本文结果表明：6个研究域的抗相关厚度基本处于0～3km的范围之中,根据研究子域的云量不同来划分,抗相关厚度极值出现在云量为0.6～0.8的子域附近,平均约为2.5km.6个研究域的L＊cf纬向差异明显,处于较高纬度的北方地区和西北地区的L＊cf整体大于较低纬的青藏高原地区和南方地区,而东部海域和东亚地区介于两者之间.不同季节之间的差异表明东亚地区研究域和位于东亚地区西部的西北地区,青藏高原地区和南方地区三个研究域的L＊cf具有夏季最大,春、秋次之,冬季最小的特点;位于东亚地区较东部的东部海域和北方地区研究域的L＊cf则呈现出冬季最大,春秋次之,夏季最小的特点.其次,利用全球气候模式研究了不同的L＊cf值对模拟的云辐射强迫的影响,研究结果表明,不同L＊cf取值对模拟的云辐射强迫有很大影响,特别是对全球几个主要的季风区和中东太平洋地区的影响非常大,最高达40～50Wm2左右.因此,在气候模式中精确描述云的垂直重叠结构对提高云辐射强迫模拟精度及其反馈有重要的意义.     

Effect of synoptic meteorological conditions on aerosol properties over urban environment: A study over tropical urban region of Hyderabad,India

Aerosol particle size distribution and chemical properties are important in studies related to human health and climate. The present study describes an analysis of aerosol mass loading, Aerosol Optical Depth (AOD), black carbon aerosol mass concentration and carbon monoxide over tropical urban region of Hyderabad, India, during March 2006, coinciding with active forest fires season over India. Aerosol optical depth, particulate matter mass loading and carbon monoxide were observed to be high on days with air mass coming from north of the study area. Spatial occurrence of forest fires was analysed using MODIS daytime data and DMSP-OLS nighttime data sets. Aerosol optical depth measured using Microtops-II sunphotometer correlated well with MODIS derived AOD values. Results of the study suggested that synoptic meteorological conditions play an important role in the observed aerosol properties over the study area during the forest fire season.     

索马里急流的年际变化及其对半球间水汽输送和东亚夏季降水的影响

利用美国国家环境预报中心和美国国家大气科学研究中 心（NCEP/NCAR）再分析月平均气候资料以及Xie和Arkin分析的月平均降水资料（1968～199 8年），针对索马里低空急流（SMJ）的年际变化及其对东亚夏季降水的影响问题展开了分析 研究. 结果揭示，SMJ作为最主要的越赤道气流，对两个半球间水汽输送起最关键的作用， 它把水汽从冬半球输送到夏半球. 夏季SMJ的年际变化有全球范围内的环流异常与之相联系 ，特别是东亚沿岸的波列状异常分布、南亚高压以及澳大利亚以南的偶极型异常分布；它 也同春季的北印度洋等海区的海温异常有密切关系. 研究还表明，春季SMJ的年际变化对东 亚夏季降水和大气环流有显著影响，由于SMJ影响的超前性，因此它在东亚夏季气候预测上 有重要意义.     

Polycyclic aromatic hydrocarbons in surface sediments of the East China Sea and their relationship with carbonaceous materials

This study measured concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in surface sediments in the East China Sea (ECS) to investigate possible sources and fate of PAHs. Total concentration of PAHs in the sediments of the ECS ranged from 22 to 244 ng g(-1), with the highest levels in the coastal area and outer shelf. The observed PAH results showed elevated levels in both inner and outer shelf areas, a finding that is different from predictions by an ocean circulation model, suggesting that terrestrial sources are important for PAH contaminations in the ECS, while sediment resuspension, tidal changes and lateral transport may be important in affecting the distribution of PAHs in the outer shelf. The distribution of PAHs in the surface sediments of the ECS is similar to the distribution of carbonaceous materials (e.g., particulate organic carbon and black carbon), suggesting that carbonaceous materials may strongly affect the distribution of PAHs.     

Comparison of dust emissions,transport, and deposition between the Taklimakan Desert and Gobi Desert from 2007 to 2011

The Taklimakan Desert(TD) and Gobi Desert(GD) are two of the most important dust sources in East Asia, and have important impact on energy budgets, ecosystems and water cycles at regional and even global scales. To investigate the contribution of the TD and the GD to dust concentrations in East Asia as a whole, dust emissions, transport, and deposition over the TD and the GD in different seasons from 2007 to 2011 were systematically compared, based on the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry(WRF-Chem). Dust emissions, uplift, and long-range transport related to these two dust source regions were markedly different due to differences in topography, elevation, thermal conditions, and atmospheric circulation. Specifically,the topography of the GD is relatively flat, and at a high elevation, and the area is under the influence of two jet streams at high altitudes, resulting in high wind speeds in the upper atmosphere. Deep convective mixing enables the descending branch of jet streams to continuously transport momentum downward to the mid-troposphere, leading to enhanced wind speeds in the lower troposphere over the GD which favors the vertical uplift of the GD dust particles. Therefore, the GD dust was very likely to be transported under the effect of strong westerly jets, and thus played the most important role in contributing to dust concentrations in East Asia. Approximately 35% and 31% of dust emitted from the GD transported to remote areas in East Asia in spring and summer, respectively. The TD has the highest dust emission capabilities in East Asia, with emissions of about 70.54 Tg yr.1 in spring, accounting for 42% of the total dust emissions in East Asia. However, the TD is located in the Tarim Basin and surrounded by mountains on three sides. Furthermore, the dominant surface wind direction is eastward and the average wind speed at high altitudes is relatively small over the TD. As a result, the TD dust particles are not easily transported outside the Tarim Basin, such that most of the dust particles are re-deposited after uplift, at a total deposition rate of about 40 g m.2. It is only when the TD dust particles are uplifted above 4 km, and entrained in westerlies that they begin to undergo a long-range transport. Therefore,the contribution of the TD dust to East Asian dust concentrations was relatively small. Only 25% and 23% of the TD dust was transported to remote areas over East Asia in spring and summer, respectively.     

Interbasin freshwater,heat and salt transport through the boundaries of the East and South China Seas from a variable-grid global ocean circulation model

It has long been recognized that the circulation in the East China Sea (ECS) and Japan/East Sea (JES) is closely related with that in Pacific, especially with the Kuroshio (e.g., Nitani[1], Hi-daka[2]). Based on current measurements in the Taiwan Strait a…     

变网格大气模式对1998年东亚夏季风异常的模拟研究

本文利用法国国家科研中心(CNRS)动力气象实验室(LMD)发展的可变网格的格点大气环流模式LMDZ4,对1998年东亚夏季降水进行了模拟,考查了变网格模式对东亚夏季降水的模拟性能.结果表明,模式在一定程度上能模拟出东亚夏季降水的极大值中心、夏季风雨带以及降水由东南向西北递减的空间分布特征.模式基本再现了1998年夏季两次雨带的进退特征,包括降水强度、雨带范围等,从而合理再现了1998年夏季江淮地区的"二度梅"现象.与观测相比,模拟的不足在于:在陡峭地形区附近存在虚假降水;江淮和华北地区以及四川盆地存在水汽输送的气旋式辐合偏差,同时高层环流辐散偏强,使得下层暖湿空气辐合上升、降水偏多;在东南地区存在反气旋式的水汽输送偏差,30°N以南地区降水偏少.对于1998年的"二度梅"现象,模拟偏差主要表现为长江中下游地区两次(特别是第二次)较强降水持续时间偏短,强降水范围偏小,而黄淮和华南地区却降水偏多.分析表明,模式对两次梅雨期降水的模拟偏差直接受环流形势模拟偏差的影响.LMDZ4区域模式版本的特点一是区域加密,二是加密区内预报场每10天向再分析资料恢复一次.敏感试验结果表明,LMDZ4加密区向强迫场的10天尺度恢复总体上有利于提高模式对华北降水的模拟能力,而对长江流域和华南降水的模拟具有不利影响.较之均匀网格模拟试验,加密试验由于在东亚的分辨率大大提高,对东亚夏季降水模拟效果更好.     

Polycyclic aromatic hydrocarbons in surface sediments of the East China Sea and their relationship with carbonaceous materials

This study measured concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in surface sediments in the East China Sea (ECS) to investigate possible sources and fate of PAHs. Total concentration of PAHs in the sediments of the ECS ranged from 22 to 244 ng g⁻¹, with the highest levels in the coastal area and outer shelf. The observed PAH results showed elevated levels in both inner and outer shelf areas, a finding that is different from predictions by an ocean circulation model, suggesting that terrestrial sources are important for PAH contaminations in the ECS, while sediment resuspension, tidal changes and lateral transport may be important in affecting the distribution of PAHs in the outer shelf. The distribution of PAHs in the surface sediments of the ECS is similar to the distribution of carbonaceous materials (e.g., particulate organic carbon and black carbon), suggesting that carbonaceous materials may strongly affect the distribution of PAHs.