耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟青藏高原地区气溶胶特性

基于新耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟分析了2002-2011年青藏高原地区气溶胶时空分布特征.结果表明:青藏高原地区,沙尘,硫酸盐,碳质气溶胶(包括黑碳,有机碳和混合碳)地表质量浓度分别占比为53.6％,32.2％,14.2％;在拉萨站点,模拟的气溶胶地表质量浓度被低估,尤其是黑碳和有机碳气溶胶;模拟的气溶胶光学厚度(AOD)时空分布与卫星观测结果较为一致,均方根误差和偏差分别为0.081和0.036;由于模式中沙尘排放参数化的不确定性,模式对AOD的模拟效果在夏季和秋季优于春季.     

东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫及其气候效应的数值模拟

利用耦合化学过程的区域气候模式RegCM3,模拟研究3种主要人为排放气溶胶(硫酸盐、黑碳、有机碳)对东亚区域气候的影响.计算分析近20 a来3种气溶胶的时空分布、综合辐射强迫作用及其对地面气温和降水的影响.模拟结果表明:3种气溶胶冬夏季分布有所不同,冬季气溶胶大值区主要分布在南方地区,而夏季大值区北移;气溶胶短波辐射强迫在大气层顶和地面均为负值;气溶胶的加入对东亚地区地表气温有明显影响,冬季降温中心位于四川盆地,夏季降温大值区位于华北地区.气溶胶直接气候效应使得冬季东亚大部分地区降水减少,夏季东亚地区降水与中国南方地区夏季气溶胶浓度有较好的相关关系,中国东部雨带有南移趋势.     

全球不同类型气溶胶光学厚度的时空分布特征

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。     

中国有机碳气溶胶时空分布与辐射强迫的模拟研究

利用区域气候模式RegCM3模拟研究2000年我国有机碳气溶胶的时空分布特征和辐射效应,得出以下结论:有机碳气溶胶主要分布在我国黄河以南、青藏高原以东的广大区域,且柱含量由南向北递减;柱含量最大值可达3 mg/m2以上,出现在华南、中南、云贵、四川和西藏东南部。另外,柱含量分布有着明显的季节性,冬季最大,春季次之,夏季最小。在此基础上,本文还对有机碳气溶胶的柱含量时空分布变化的原因进行了分析。有机碳气溶胶在大气顶和地表均产生负的辐射强迫,其分布特征与柱含量分布特征基本一致,而且大气顶和地表的辐射强迫都具有明显的季节变化。模拟的大气顶辐射强迫在-0.1～-0.5 W/m2之间,与IPCC估计的有机碳气溶胶的辐射强迫数值-0.41 W/m2相当,说明区域气候模式RegCM3中有关有机碳气溶胶的参数化方案是比较合理的。     

人为气溶胶的直接辐射效应及其对南亚冬季风的影响

运用区域气候模式RegCM4.0(Regional Climate Model Verson 4.0)耦合入一个化学过程,对硫酸盐、黑碳、有机碳这3种人为气溶胶的时空分布特征和直接辐射效应进行了数值模拟,进而研究了气溶胶对南亚冬季风的影响。结果表明:光学厚度和地表短波辐射强迫的时空变化可能主要受硫酸盐气溶胶的影响。在南亚夏季风向冬季风转换时期和南亚冬季风盛行时期,大气层顶和地表的负短波辐射强迫分布与气溶胶分布基本一致,地表辐射强迫强度绝对值比大气层顶辐射强迫强度绝对值大得多。相关分析和合成分析表明:在南亚夏季风向冬季风转换时期和南亚冬季风盛行时期,南亚人为气溶胶主要分布区中的气溶胶柱浓度含量与南亚冬季风的建立和强度有反相关关系。这与气溶胶吸收太阳辐射,从而引起气温和位势高度的变化有关。     

中国黑碳气溶胶分布特征与辐射强迫的模拟研究

利用区域气候模式RegCM3模拟2000年我国黑碳气溶胶的分布特征和辐射强迫。结果表明,黑碳气溶胶主要分布在我国黄河以南、青藏高原以东的广大区域,柱含量由南向北递减;柱含量最大值在0.6mg／m^2以上,出现在中南、四川盆地、湖南、贵州、广西、广东西部和云南南部等地区;青藏高原南侧黑碳气溶胶次高值区的存在,反映了气溶胶的跨国界输送并影响区域气候的特点。黑碳气溶胶的大气顶辐射强迫介于0.1—0.8w／m^2之间,地表辐射强迫介于-0.1— -2.0W／m^2之间,两者分布特征与柱含量分布特征基本一致。同柱含量相似,黑碳气溶胶大气顸辐射强迫和地表辐射强迫也有明显的季节性变化,春季最大,秋、冬季次之,夏季最小。     

2006年中国地区大气气溶胶浓度分布特征的模拟研究

结合2006年最新的气溶胶排放源资料,以NCEP/NCAR再分析资料为气象场,驱动大气化学传输模式MATCH（Model of Atmospheric Transport and Chemistry）,模拟了2006年中国地区硫酸盐、黑碳和沙尘气溶胶的质量浓度分布及其季节变化。模拟的气溶胶光学厚度（AOD）结果与CSHNET观测网数据比较分析后发现,基于21个观测站的61组月平均数据与相应模拟结果的相关系数为0.63。模拟结果表明：2006年中国地区硫酸盐气溶胶高值区主要分布在中国的四川盆地、华北及长江流域等工业较发达地区,而且具有明显的季节变化,四川盆地及长江以南地区,硫酸盐气溶胶1月份浓度高于7月份,长江以北的大部分地区,7月份浓度高于1月份;黑碳气溶胶主要分布在黄河、长江中下游地区及华南等地区,1月份浓度高于7月份;沙尘气溶胶主要分布在内蒙古中部沙漠地区,4月份浓度最高,7月份次之,其他月份较少。     

亚洲地区气溶胶及其对中国区域气候影响的数值模拟

使用一个耦合入化学过程的区域气候模式 (RegCM3), 在NCAR/NCEP再分析资料驱动下, 通过多年时间尺度的连续积分, 进行了亚洲区域气溶胶硫酸盐、 黑碳和有机碳的时空分布及其直接气候效应的数值模拟。首先对模式的模拟能力进行了检验, 结果表明, 模式能够较好地模拟中国地区气温和降水的分布, 对该区域气溶胶的时空分布有一定的模拟能力。模式模拟得到的气溶胶浓度分布在冬季南北差异较大而夏季较小。气溶胶浓度与其形成的大气层顶和地面负短波辐射强迫有较好的对应关系。四川盆地是气溶胶浓度及其产生的辐射强迫的高值区。气溶胶对地面气温和降水都产生影响。其中所引起的冬季气温降低, 与气溶胶的分布和浓度有一定的对应关系, 但夏季引起的降温中心位于河套及黄河下游地区。气溶胶使得冬季和夏季中国东部大部分地区的降水减少。同时, 对气温和降水上述变化的原因进行了讨论。     

CAM5模式中两气溶胶模块的评估

公共大气模式 (CAM) 被广泛用于气候变化研究中,其5.0版中包含两个气溶胶模块MAM3和MOZART。利用AeroCom (2000年) 多模式中值、IMPROVE (1988—2005年) 和EMEP (2002—2008年) 站点资料对两模块进行了评估。结果表明:MAM3和MOZART模块都能很好地模拟硫酸盐气溶胶的季节变化, 与观测资料相比,模拟结果均在夏季偏高, 相关系数均在0.89左右,2倍误差内。两模块能较好地模拟黑碳气溶胶的时空分布特征, 与观测资料相比,模拟结果偏低,相关系数均在0.62左右, 排放源偏小而清除率偏大是造成黑碳气溶胶偏低的主要原因。两模块对有机碳气溶胶的模拟结果差别较大,大部分站点在3倍误差内,MAM3的结果偏高92.1%,MOZART则偏低58.1%;两模块一次有机碳的结果接近,差异主要源自对二次有机碳的模拟。两模块模拟的海盐气溶胶偏大,这主要是清除率偏小造成的。两模块采用相同的起沙机制,但起沙系数有差异, MAM3的沙尘源强偏大近两倍,模拟总量较大;MOZART的沙尘源强则偏低40%左右,模拟沙尘总量较低。即模式中气溶胶的输送和扩散过程偏弱,说明清除机制还有待改进。     

近22a人为气溶胶对东亚地区夏季风环流影响的数值模拟研究

运用区域气候模式RegCM3耦合入一个化学过程,对东亚地区三类人为排放气溶胶（硫酸盐、黑碳和有机碳）的时空分布特征及其对夏季风环流的影响进行了数值模拟研究.模拟结果显示,气溶胶的引入会引起东亚地区夏季850 hPa风场发生改变,我国江淮以东洋面上空出现了一个气旋式距平环流中心,中心以西的偏北风气流将削弱东亚地区夏季西南季风.通过讨论春季中国地区气溶胶浓度与夏季东亚地区850 hPa经向风的时滞关系,以及夏季中国地区气溶胶浓度与同期东亚地区850 hPa经向风的关系,可以发现,春、夏季中国地区气溶胶浓度均与夏季东亚地区850hPa经向风有很好的负相关关系,当春季中国北方和夏季中国南方地区气溶胶浓度增加时,中国东部地区夏季偏南季风减弱.这可能与气溶胶改变了大气层顶和地表的辐射强迫,进而引起了海陆气压差异和位势高度场的变化有关.     

南京北郊黑碳气溶胶的浓度观测及辐射强迫研究

利用2008年南京大学浦口校区气溶胶采样数据对碳气溶胶的浓度变化特征进行了分析,建立了由气溶胶光学参量计算模块(OPAC)和辐射传输模型(TUV)组成的箱模式,并结合实际观测资料,利用该模式对南京北郊黑碳气溶胶的光学厚度及辐射强迫进行了评估。结果表明:南京北郊黑碳气溶胶(BC)的年平均浓度为6.7±4.6μg/m3,有机碳气溶胶(OC)的年平均浓度为21.3±13.3μg/m3,有机碳与黑碳气溶胶浓度的平均比值为3.4。黒碳气溶胶浓度具有夏季低、冬春季高的特点。由箱模式计算得到的黒碳气溶胶的年均光学厚度为0.07,年均吸收系数为44 Mm–1。白天正午晴空条件下黑碳所造成的最大瞬时地面辐射强迫可达-22.9±14.3 W/m2,在大气层顶造成的最大瞬时辐射强迫为12.5±7.3 W/m2。     

近22 a人为气溶胶对东亚地区夏季风环流影响的数值模拟研究

运用区域气候模式RegCM3耦合入一个化学过程,对东亚地区三类人为排放气溶胶（硫酸盐、黑碳和有机碳）的时空分布特征及其对夏季风环流的影响进行了数值模拟研究。模拟结果显示,气溶胶的引入会引起东亚地区夏季850 hPa风场发生改变,我国江淮以东洋面上空出现了一个气旋式距平环流中心,中心以西的偏北风气流将削弱东亚地区夏季西南季风。通过讨论春季中国地区气溶胶浓度与夏季东亚地区850 hPa经向风的时滞关系,以及夏季中国地区气溶胶浓度与同期东亚地区850 hPa经向风的关系,可以发现,春、夏季中国地区气溶胶浓度均与夏季东亚地区850 hPa经向风有很好的负相关关系,当春季中国北方和夏季中国南方地区气溶胶浓度增加时,中国东部地区夏季偏南季风减弱。这可能与气溶胶改变了大气层顶和地表的辐射强迫,进而引起了海陆气压差异和位势高度场的变化有关。     

春季中国东部气溶胶化学组成及其分布的模拟研究

本文利用区域空气质量模式RAQMS（Regional Air Quality Model System）,对2009年春季中国东部气溶胶主要化学成分及其分布进行了模拟研究。与泰山站观测资料的对比结果显示,模式能比较合理地反映气溶胶浓度的逐日变化特征。整体上,模式对无机盐气溶胶的模拟好,分别高估和低估黑碳和有机碳气溶胶浓度,其原因与排放源、二次有机气溶胶化学机制和模式分辨率的不确定性有关。模拟结果显示,春季气溶胶浓度高值主要集中于华北、四川东部、长江中下游等地区。受东南亚生物质燃烧和大气输送的影响,中国的云南和广西等地区有机碳浓度高于中国其他地区。中国西北部沙尘浓度较高,而且向东输送并影响到中国东部和南方部分地区。中国东部的华北、四川东部、长江中下游等地PM_2.5（空气动力学直径在2.5微米以下的颗粒物）污染严重,4月平均PM_2.5浓度超过了我国日平均PM_2.5浓度限值。中国东部泰山站的观测和模拟结果都显示近地面硝酸盐浓度超过硫酸盐,中国北部对流层中硝酸盐的柱含量也大于硫酸盐,而在中国南部则相反,这一方面与春季中国云量 南多北少的分布特征以及云内液相化学反应有关,另一方面也与南北温差对气溶胶形成的影响有关。就整个中国东部而言,虽然硫酸盐的柱含量（46 Gg）仍大于硝酸盐（42 Gg）,但比较接近,反映出我国氮氧化物排放迅速增加的趋势。春季中国地区对流层中PM₁₀（空气动力学直径在10微米以下的颗粒物）及其化学成分柱含量分别为:990.8 Gg（PM₁₀）,52.6 Gg（硫酸盐）,48.2 Gg（硝酸盐）,32.1 Gg（铵盐）,22.9 Gg（黑碳）和74.1 Gg（有机碳）,有机碳（OC）中一次有机碳（POC）和二次有机碳（SOC）分别占60%和40%,中国东部PM₁₀中人为气溶胶和沙尘分别占30%和70%,反映了春季沙尘对我国大气气溶胶的重要贡献。     

青藏高原黑碳气溶胶传输及沉降的季节特征模拟分析

根据全球气溶胶气候模式GEM-AQ/EC的1995~2004年模拟,分析了青藏高原大气黑碳气溶胶的来源、传输及沉降季节特征。研究表明:青藏高原黑碳气溶胶主要来自自由对流层和大气边界层的输送。相对于自由对流层的黑碳输送,紧邻青藏高原的南亚、东亚以及东南亚大气边界层的输送更有效,它形成了青藏高原由北向南、自西往东黑碳气溶胶浓度和沉降明显递增的基本分布形态。横跨欧亚大陆自由对流层的黑碳气溶胶由西向东向青藏高原的输送全年不变,夏季输送路径最北但强度最弱,冬季路径最南而强度最强。大气边界层黑碳气溶胶的输送受控于亚洲季风环流变化,来自南亚的黑碳气溶胶在春季越过孟加拉湾传输进入高原东南部,夏季则可翻越喜马拉雅山抵达青藏高原南部腹地;同时我国中部排放的黑碳气溶胶也在东亚夏季风向北扩展中驱动它从东向西往青藏高原东北部传输。从秋季到冬季,随着夏季风撤退,南亚黑碳源区向青藏高原传输衰退,东亚冬季风的反气旋性环流的南侧及西南侧的偏东风携带秋季我国东南部源区和冬季东南亚源区黑碳气溶胶向青藏高原东南部传输。受青藏高原明显的暖湿季和干冷季气候影响,干湿沉降分别主导了青藏高原冬季和夏季黑碳沉降,夏季青藏高原黑碳气溶胶沉降总量大多超过8~10 kg·km-2,在高原东北部的最高值超过40 kg·km-2。冬季青藏高原黑碳气溶胶沉降量最低,大部地区黑碳沉降低于5 kg·km-2。青藏高原黑碳沉降的冬夏季节相差约为2~8倍。     

亚洲地区碳气溶胶的时空特征及其直接气候效应

利用耦合了陆面和化学过程的区域气候模式Reg CM4.0,对2000—2008年亚洲地区碳气溶胶的时空分布特征及其直接气候效应进行了模拟研究。结果表明:碳气溶胶在冬夏两季主要分布于印度半岛和我国中东部地区,其中印度半岛东北部和四川盆地地区为主要的大值区。夏季随着亚洲季风的爆发和雨季的到来,碳气溶胶的含量和分布范围较冬季有明显的减弱和北移。冬季碳气溶胶对整个亚洲地区的地表主要起冷却作用,而夏季在我国的四川盆地、华北和华南等地则出现了升温现象,这种局部升温现象与黑碳的"半直接效应"密切相关。碳气溶胶对降水影响的空间分布呈现出明显的地域不一致性,对南亚夏季风有一定的增强作用。东亚和南亚地区对碳气溶胶的气候响应存在较大差异,主要表现在夏季南亚地区低层降温、中高层增温,而东亚地区的增温却主要集中在低层。     

黑碳气溶胶光学厚度的全球分布及分析

利用全球气溶胶数据集GADS(Global Aerosol Data Set)计算了冬夏两季黑碳气溶胶质量浓度分布以及在波长0.55μm处的光学厚度、吸收系数和散射系数在全球的分布,并分析了原因。通过分析黑碳气溶胶复折射指数虚部、单次散射反照率、非对称因子、吸收系数、散射系数和消光系数随波长的变化,得出黑碳气溶胶的吸收系数和散射系数在小于0.5μm的短波范围内具有相同的数量级,随着波长的增大,吸收系数比散射系数大几个数量级;黑碳气溶胶对小于1μm的短波有强烈的吸收作用。另外还给出了冬夏两季南北半球及全球黑碳气溶胶平均光学厚度值、7个地区黑碳气溶胶光学厚度及质量浓度最大值,其中冬季黑碳气溶胶光学厚度的最大值为0.027 5,位于东亚地区;而质量浓度最大值为1.555μg/m3,位于西欧地区。     

夏季硫酸盐和黑碳气溶胶对中国云特性的影响

利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）模式研究2006年8月1日—9月1日中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶对云特性的影响。模式验证利用了卫星和地面观测的气象要素、化学物质浓度、气溶胶光学特性和云微物理特性。模式性能评估表明该模式能较好地抓住气象要素（温度、降水、相对湿度和风速）的量级和空间分布特征。通过与地面观测和MODIS卫星数据对比发现,尽管模式模拟还存在偏差,但还是能较好模拟出气溶胶物种的地表浓度、气溶胶光学厚度（AOD）、云光学厚度（COD）、云量（CLDF）、云顶云滴有效半径（CER）和云水路径（LWP）。通过两个敏感性试验（分别增加二氧化硫和黑碳排放量至控制试验排放的3倍）与控制试验的对比发现硫酸盐比黑碳更易成为云凝结核,在中国东部云顶云滴数浓度和其它云特性参数对二氧化硫排放增加的响应均从北向南呈递增,这与地面湿度分布有关。云滴有效半径对硫酸盐气溶胶的响应符合气溶胶第一间接效应的定义,即硫酸盐气溶胶增多,云滴数浓度增加,云滴有效半径减少,但是对黑碳气溶胶的响应在各区域不尽相同。还发现黑碳对云量的影响远大于硫酸盐,主要原因是由于黑碳气溶胶直接辐射效应（对太阳光的吸收）导致的云的“燃烧”作用。      

黑碳气溶胶直接辐射强迫及其对中国夏季降水影响的模拟研究

利用NCAR的全球大气模式CAM3分析了黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布及其季节变化,重点讨论了云对黑碳气溶胶直接辐射强迫的影响,以及黑碳气溶胶对中国夏季降水的影响。结果表明：黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布范围和强度都具有明显的季节变化。有云条件下,黑碳气溶胶在大气顶产生正的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为＋0.33 W·m－2;在地表产生负的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为－0.56 W·m－2。晴空条件下,黑碳气溶胶在大气顶和地表的全球年平均辐射强迫值分别为＋0.21 和－0.71 W·m－2。云的存在对黑碳气溶胶的辐射强迫产生了很大的影响,使大气顶的正辐射强迫增加,地表的负辐射强迫减小。黑碳气溶胶导致夏季中国北方30°N～45°N之间区域降水明显增加;而中国长江以南地区除了海南和广西的部分城市外,降水明显减少。模拟结果表明,中国夏季近50年来经常发生的南涝北旱并非由黑碳气溶胶引起。     

黑碳气溶胶对我国区域气候影响的数值模拟

利用区域气候模式RegCM3模拟研究了黑碳气溶胶对我国区域气候的影响。以2000年1、4、7、10月为代表,计算分析了黑碳气溶胶的辐射强迫作用、对大气温度和降水的影响及其季节变化特征。模拟结果显示：黑碳气溶胶在大气层顶产生正的辐射强迫,在地表产生负的辐射强迫;黑碳气溶胶的加入使中国大陆地区地面温度发生明显变化,并呈现显著的季节特征,即1月大部分地区的地面温度均有升高;7月北方增温、南方降温;4月和10月地面温度的变化不明显。模拟结果也表明,黑碳气溶胶的排放使我国长江中下游等南方地区夏季降水增加,而北方部分地区降水减少。     

中国不同区域大气气溶胶化学成分浓度、组成与来源特征

为获得中国不同区域大气气溶胶化学组成的总体"图景",进一步探讨污染治理方向,需要分区域评估其化学成分浓度水平、组成与来源特征。通过对近地层中国内陆大气气溶胶中6种主要化学成分(硫酸盐、硝酸盐、铵、有机碳、黑碳和矿物气溶胶)至少有1 a观测研究的评估分析,获得不同区域气溶胶化学成分质量浓度水平与组成的评估结果,认识到在气溶胶污染最严重的4大区域(即北京以南的华北与关中平原区域、以长三角为主体的华东区域、以珠三角为主体的华南区域以及四川盆地)的PM_(10)中矿物气溶胶(所占比例在20%38%)、硫酸盐(14%-24%)、有机碳(11%-18%)是3个主要组分;其中华北与关中平原气溶胶污染在中国最重,硫酸盐浓度在35—47μg/m~3(远高于北京(13—18μg/m~3))、有机碳28—45μg/m~3(约是北京(19—22μg/n~3)的1.8倍)、硝酸盐19—22μg/m~3(约是北京(9.9—12μg/m~3)的2倍)、铵14—16μg/m~3(仍然比北京(6.2-8.4μg/m~3)高1倍),黑碳在北京和北京以南城市的浓度差别不大(9.1—12μg/m~3)。这其中燃煤对硝酸盐和有机碳气溶胶的贡献超过50%,农业活动是铵的最重要来源。华东、华南和东北城市区域气溶胶化学成分浓度水平与北京相近,但四川盆地城市站各组分浓度均高于北京,污染较重。西北兰州城市站,除了黑碳浓度低很多、硝酸盐浓度稍高外,其他气溶胶化学成分浓度水平与北京相当。西北偏远区域沙漠站点,各种气溶胶化学成分的浓度都要远低于北京。青藏高原和云贵高原城市站气溶胶化学成分浓度与北京相比也明显偏低。不同区域气溶胶化学组成分析显示,燃煤、机动车、城市逸散性粉尘和农业活动是4个最需要关注的污染源,加强除发电行业外的燃煤脱硫,进一步消减燃煤氮氧化物、一次有机碳和挥发性有机物排放,并有效减少农业活动排放到大气中的氨,更有效限制硫酸盐和硝酸盐的形成是已有大气污染治理对策基础上,未来应特别关注的控制方向。