中国沙漠沙尘气溶胶对沙漠源区及北太平洋地区大气辐射加热的影响

针对2001年春季中国沙漠和北太平洋上空沙尘气溶胶的空间分布情况，利用辐射传输模式，分别计算了沙尘气溶胶对沙漠和海洋大气的辐射加热（冷却）率，并讨论了低云、中云、高云对辐射加热率的影响。结果表明:春季，位于中国沙漠和太平洋上空的沙尘层对大气具有明显的加热作用。当沙漠上空光学厚度为1.0，海洋上空光学厚度为0.3时，取春季平均太阳高度角，沙尘层对应的净辐射加热率分别为2.8 K/d和0.4 K/d。由于WMO推荐的沙尘模型比东亚沙尘模型对太阳辐射吸收强，采用该模型计算得到的中国沙漠和海洋上空的加热率比采用东亚沙尘模型分别高1.5 K/d和0.2 K/d。沙尘对大气的加热率很大程度上依赖于沙尘的大气载荷。这种依赖性首先受太阳高度角的影响， 其次也受地表反照率的影响。云对沙尘层辐射加热（冷却）率的影响与云的高度和厚度有关。低云能够加热沙漠和海洋上空的沙尘大气，冷却地面和洋面。中、高云冷却沙漠上空的沙尘层。在海洋上空，中云对云层以上的沙尘层有加热作用，对云层以下的沙尘层有冷却作用。高云对海洋上空沙尘层的辐射加热（冷却）率的影响比较小，加热还是冷却，取决于云的厚度，当云层较薄时，加热沙尘层，而当云层较厚的时候，有可能冷却沙尘层。     

云微物理特性对云光学和云辐射性质的影响

根据辐射传输理论，计算了不同云滴谱分布时的云光学参数βe，ωo和g，考察了这些光学参数的变化对云的反射率、透过率和吸收率的影响，以及云滴谱分布和云水含量在垂直方向的不均匀对云整体辐射性质、云中辐射通量密度和加热率的影响。     

北京一次污染过程气溶胶光学特性及辐射效应

利用地面激光雷达、太阳光度计观测反演气溶胶光学特性参数,结合PM_2.5观测数据,分析了2018年1月25—28日北京一次完整污染过程中气溶胶光学特性变化。基于观测数据,利用短波辐射传输模式计算了不同程度污染日,晴空背景下气溶胶对辐射加热率的改变程度。结果表明:清洁日（25日）,PM_2.5日平均质量浓度为19.00 μg·m-3,440 nm气溶胶光学厚度为0.13,单次散射反照率为0.87,整层气溶胶消光系数低于0.10 km-1,短波辐射均为增温效应;污染期间（26—27日）,PM_2.5日平均质量浓度为83.21 μg·m-3,气溶胶光学厚度为2.48,气溶胶散射能力增强,单次散射反照率达到0.94,气溶胶主要消光层厚度提升至3.00 km高度,消光系数平均值为0.43 km-1,气溶胶在垂直方向的变化导致气溶胶中上层（1.50~3.00 km高度）加热作用强烈,短波辐射加热率平均值达到13.89 K·d-1,而低层（1.50 km高度以内）加热作用较弱,加热率平均值仅为0.99 K·d-1。气溶胶散射能力增强导致加热作用减弱,污染日加热率对于气溶胶散射能力变化更敏感。     

气溶胶辐射特性的观测研究

利用一个简化的辐射平衡模式,讨论了气溶胶直接辐射强迫和气溶胶辐射特性以及与地面反射率之间的关系。模式分析表明,增加气溶胶层以后,地气系统对太阳辐射的反射率可能增大,也可能减少,取决于气溶胶的单散射反射率~ω0、不对称度因子g与地面反射率αg之间的配置,但与气溶胶光学厚度δ没有直接的关系。气溶胶光学厚度值仅和反射率变化的幅度成正比。从辐射平衡模式的结果可知,为了定量地研究气溶胶直接辐射强迫作用,需要有系统的有关气溶胶辐射特性的观测资料。从地面和空间对中国地区气溶胶的辐射特性开展了观测研究,包括从地面用太阳光度计测量气溶胶的光学厚度、用浊度计测量气溶胶的散射系数、黑碳仪测量气溶胶的吸收系数,并且利用MODIS资料反演气溶胶的光学厚度。地面太阳光度计观测的气溶胶光学厚度用于检验卫星遥感的气溶胶光学厚度值,对中国东部地区,遥感的结果是可以接受的,主要是由于这一地区存在较低的地表反射率;但对中国北方植被条件不很好的地区,在遥感反演时对地面反射率的估计可能偏低,如做适当的修改还有可能提高遥感反演的精度。从地面直接测量气溶胶的散射系数和吸收系数算出的气溶胶单散射反射率在0.8左右,需要有更多的观测,以便进一步查清这一问题。     

层状云微物理参数反演及其辐射效应的个例研究

利用毫米波云雷达、微波辐射计联合反演方法,对2015年11月11日安徽寿县的一次层状云过程的云参数进行了反演,将所得云参数加入到SBDART辐射传输模式中,进行辐射通量计算,并将计算的地面辐射通量与观测的地面辐射通量进行了对比分析。研究表明:1)利用毫米波雷达和微波辐射计数据联合反演的云参数比较可靠;2)利用SBDART模式并结合反演的云参数,可以准确实时地计算地面及其他高度层的长短波辐射通量;3)在反演的云参数中,光学厚度对地面各种辐射通量的影响是最大的,云层的光学厚度越大,到达地面的太阳短波辐射越小,地面反射短波辐射也越小。另外云底温度越高,云体向下发射的红外长波辐射越大。地面向上的长波辐射是地面温度的普朗克函数,随地面温度而变;4)云对地面的短波辐射强迫为负值,对地面有降温的作用。云对地面的长波辐射强迫是一个正值,对地面有一个增温的作用;5)云对地面的净辐射强迫随时间变化很大,它的正负与太阳高度角和云参数有关。     

干旱地区地表辐射的计算——个例研究

我们利用在中国西部黑河流域所进行的陆气相互作用实验的预试验期间地面和卫星观测资料，研究了在于旱地区地表辐射收支演算中所遇到的困难。通过理论辐射传输计算和用卫星资料对云的反演可以得到地表辐射。计算结果与地表测量的太阳辐射和红外辐射比较表明在有些情况下会发生较大的误差。误差主要是由于缺乏气溶胶资料．云反演时的不确定性以及地面观测与卫星测量之间的时间差异所引起。在无云情况下，模式计算的太阳辐射通量系统大于测量值，当地面温度大于50℃和由于不稳定边界层造成尘埃古量大时计算误差特别大，误差的原因是计算中没有考虑气溶胶．我们发现在下午当气溶胶单次散射反射率取为9．5．光学厚度近似地取为0．2时计算误差可以减小，计算的地面太阳辐射通量和实测值比较一致，然而在大气中太阳辐射如此强的吸收原因仍不清楚．对地面测量和卫星测量资料都可以用的个例研究结果表明，地表净太阳辐射通量和红外向下辐射通量的平均误差分别为4．3和-4.7W／m^2．相应的均方根误差分别为17．4和22．1W／m^2．较大的误差出现在云量较少时，这可能是反演中误把气溶胶当成了云所造成的．研究结果强调了气溶胶在地表辐射计算中的重要性。同时，由于该地区地表温度的日变化非常大，而地面红外辐射的计算，要求温度测量有较高的时间分辨率，因此在干旱地区地面辐射计算中，从卫星资料反演气溶胶和地面温度应予以最优先考虑．     

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。      

大气与地表的特性对太阳辐射收支影响的研究

本文应用Hense等的垂直不均匀大气的二流近似辐射模式,讨论了晴天条件下水汽、气溶胶和地表反射率与海拔高度等因子对地气系统的太阳辐射能量收支与加热率的影响。文中还利用高原地区高空温、压、湿的气候资料,计算了高原实际大气的太阳辐射收支和加热率,并与中纬度模式大气的计算结果进行了比较。本文模式计算得到的一些结果在利用卫星观测确定高原地区地气系统的辐射平衡的研究中将得到应用。     

宽带太阳漫射辐射法反演辐射加权平均的气溶胶一次散射反照率研究

引入了一个辐射加权平均的宽带气溶胶一次散射反照率(SSA)的定义,提出了一个从宽带的漫射信息反演该SSA的方法.数值模拟结果表明,在Junge气溶胶谱分布情形下,对气溶胶光学厚度、(A)ngstr(o)m 指数与气溶胶虚部的通常变化范围,应用该SSA所计算的2160组宽带太阳辐射反射率、漫射透过率、总透过率和吸收率的相对标准误差都在1.107%以内; 绝对标准差在0.00287以内.对非Junge的大陆性和都市工业污染气溶胶模式(由水溶性、沙尘和碳粒子组成),在72组反射率、漫射透过率、总透过率和吸收率计算中,相对标准差都在2.047%以内,绝对标准差在0.0075以内.在Junge气溶胶假设下,作者提出了一个综合应用宽带太阳直射和漫射信息同时反演气溶胶光学厚度与辐射加权平均SSA的方法,并通过模拟反演分析了SSA反演的3个主要误差因子.从反演结果可以看出:(1)如果(A)ngstr(o)m指数误差在±0.2以内,对0.55 μm气溶胶光学厚度大于0.312大陆性气溶胶,SSA误差在±0.0418以内;(2)波长无关的宽带地表反照率适用于SSA反演;(3)气溶胶光学厚度越大,辐射资料误差所引起的SSA解误差越小.当辐射误差在±2%以内以及0.55 μm气溶胶光学厚度大于0.312时,SSA解的误差在±0.0149以内; 辐射误差在±4%以内时,SSA解的误差在±0.0317以内.     

中国大气气溶胶辐射特性参数的观测与研究进展

长期系统的气溶胶辐射特性观测资料是定量研究气溶胶辐射和气候效应的重要基础.本文综合介绍中国大气气溶胶辐射特性观测与研究现状和成果,重点包括以下内容:地面太阳光度计联网观测气溶胶光学厚度、单次散射反照率、尺度谱;从全波段太阳辐射反演气溶胶光学厚度、单次散射反照率;浊度计和黑碳仪测量地面气溶胶散射系数和吸收系数;地基/星载激光雷达观测气溶胶(后向散射系数)垂直分布;极轨/静止卫星遥感反演气溶胶光学特性.     

东亚地区云和地表反照率对硫酸盐直接辐射强迫的影响

文中利用区域气候模式深入探讨了东亚地区云及地表反照率对硫酸盐直接辐射强迫的影响 ,同时定量估算了东亚地区云区气溶胶的直接辐射强迫 ,讨论了硫酸盐对地表和大气短波辐射平衡产生的不同影响。研究表明 :云对气溶胶的直接辐射强迫具有很强的减弱作用 ,这种减弱作用不仅取决于云覆盖份数 ,而且取决于云的光学厚度。就区域平均而言 ,文中模拟的东亚地区气溶胶直接辐射强迫为 - 0 .0 97W /m2 ,占总直接辐射强迫的 10 .4%左右。表明云对硫酸盐直接辐射具有很强的减弱作用 ,在估算其总的直接辐射强迫时 ,云区的贡献不可忽视。较高的地表反照率会减弱硫酸盐的直接辐射强迫 ,而较低地表反照率则会增加硫酸盐的辐射强迫。硫酸盐气溶胶对大气辐射平衡影响非常小 ,但对地表辐射平衡产生重要影响 ,影响程度与大气几乎一致。     

1960-2005年京津冀地区地表太阳辐射变化及成因分析

利用1960—2005年京津冀地区的地面太阳辐射资料,综合分析了该地区45年太阳辐射的分布状况和变化趋势,并结合云量、降水量、气溶胶光学厚度和大气含水量,分析了该地区太阳辐射的变化原因。结果表明:(1)京津冀地区的太阳辐射并没有出现20世纪80年代末到90年代中期的"变亮"现象;同期冬、春季总辐射下降,夏、秋季上升;(2)在1985—1997年间,依据总辐射变化情况,京津冀地区被分为截然相反的两个区域:东部地区总辐射增加,倾向率为1.016 MJ.m-2.mon-1.(10a)-1;西部地区总辐射减少,倾向率为10.092MJ.m-2.mon-1.(10a)-1;(3)总辐射增加的区域,主要是由于云量减少、降水量减少所伴随的日照时数增加以及气溶胶光学厚度降低所造成的;(4)总辐射减少的区域,云量、气溶胶光学厚度和降水量变化并不显著,总辐射持续减少。     

一次沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理量和辐射强迫的影响

利用MOD IS Aqua卫星反演和装载在Aqua上的CERES仪器观测资料,讨论了我国北方地区2004年3月26~28日沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理特性和辐射强迫的影响。初步结果表明,沙尘气溶胶明显改变了云的物理特性,使云滴变小,含水量及光学厚度减少,减弱了云的净辐射强迫,云的冷却效应受到了抑制,相当于大气层顶沙尘气溶胶的增温作用。     

云的辐射特性

1.引言云对地球的辐射收支起着支配的作用.即云可以使入射到地球的太阳辐射反射到宇宙空间,减少地球接收的太阳辐射量(反射率效应),还可以通过吸收和射出地球(红外)辐射,使地表及云层下的大气保温(温室效应).云的辐射效应由这两种效应的平衡来决定.     

沙尘气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究

为了定景了解沙尘气溶胶对气候的影响,文中利用一个改进的辐射传输模式,结合伞球气溶胶数据集(G-ADS),计算了晴空条件下,冬夏两季沙尘气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的全球分布,并讨论了云对沙尘气溶胶辐射强迫的影响.计算结果表明,对北半球冬季和夏季而言,在对流层顶沙尘气溶胶的全球短波辐射强迫的平均值分别为-0.477和-0.501 W/m2;长波辐射强迫分别为0.11和0.085 W/m2;全球平均短波地面辐射强迫冬夏两季分别为-1.362和-1.559 W/m2;长波辐射强迫分别为0.274和0.23 W/m2.沙尘气溶胶在对流层顶和地面的负辐射强迫的绝对值郁随太阳天顶角的余弦和地表反照率的增加而增大;地表反照率对沙尘气溶胶辐射强迫的强度和分布都有重要影响.研究指出:云对沙尘气溶胶的直接辐射强迫的影响不仅取决于云量,而且取决于云的高度和云水路径,以及地面反照率和太阳高度角等综合因素.中云和低云对沙尘气溶胶在对流层顶的短波辐射强迫的影响比高云明显.云的存在都使对流层顶长波辐射强迫减少,其中低云的影响最为明显.因此,在估算沙尘气溶胶总的直接辐射强迫时,云的贡献不可忽视.     

典型站点气溶胶对云特性的影响

结合Cloud Sat对云的主动观测和MODIS(MODerate-Resolution Imaging Spectroradiometer)对气溶胶的被动反演,研究了典型站点气溶胶对云的宏观、微观和辐射特性的影响。结果表明,气溶胶对大陆性和海洋性站点的云均有显著影响。1)随气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)增加,水汽含量较弱站点的低层(高层)云量呈减小(增加)趋势,而水汽条件较强站点的各层云量均增大,且具有较高(较低)云顶的云层发生概率在各个站点都呈增加(减小)趋势。2)AOD的增大导致各站点云滴和冰晶粒子的有效半径均减小、大气层顶的短波和长波云辐射强迫均增强、短波云辐射强迫绝对值的加强更显著、长波云辐射强迫增加的幅度相对更大。3)气象要素在AOD大(小)值情况下的变化表明,大尺度动力条件并不能解释云的上述特性随AOD的显著改变。     

气溶胶与气候

气溶胶粒子对气候系统的辐射平衡有重要影响。气溶胶对气候的影响可分为两大方面,即直接影响和间接影响。直接影响指大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射和地面射出长波辐射从而影响地－气辐射收支。模式计算表明,人类活动引起大气气溶胶增加倾向于使地球表面降温,工业化以来,气溶胶增加引起的地面变冷趋势可部分抵销温室气体增加引起的地表温度上升。气溶胶对气候的间接影响是指气溶胶浓度变化会影响云的形成,而云的变化反过来对气候有巨大影响,这方面至今还没有定量结果。       

利用太阳辐射资料反演宽频上的气溶胶光学厚度

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τa(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。     

华北地区气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响

在UWyo单组分气溶胶的绝热气块分档云模式基础上,发展了多种化学组分气溶胶的绝热气块分档云模式。利用2006年春季华北地区地面气溶胶分级采样的离子成分分析数据和同时段高空气溶胶、云微物理飞机观测资料,研究了气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响。模拟结果表明,华北地区气溶胶内部混合比外部混合有利于增加云凝结核数浓度、降低气块水汽最大饱和比、增加云滴数浓度。气溶胶的混合状态不同,形成的云滴谱的特征差异较大,主要体现在云滴谱的平均尺度和峰值的突出程度;云滴谱相对离散度在0.3附近变化,且随着云滴数浓度的增加,云滴谱相对离散度呈现减小的趋势。气溶胶混合状态能够影响暖云微物理特征,从而影响大气辐射和降水过程,在天气和气候变化的研究中应予以关注。     

GMS5卫星遥感气溶胶光学厚度的试验研究

通过模拟 GMS5卫星可见光通道的表观反射率 R对不同大气气溶胶模型、不同下垫面反射率以及不同气溶胶光学厚度的敏感性 ,对利用 GMS5卫星资料反演湖面上空气溶胶的可行性进行了分析 ,并结合地面多波段太阳光度计观测数据 ,反演了巢湖上空大气气溶胶光学厚度。结果表明 ,反演所得 0 .5336μm气溶胶光学厚度强烈依赖于湖面反射率的选取 ,通过选取合适的湖面反射率 ,卫星反演的气溶胶光学厚度和地面光度计遥感的月均值相对误差不超过 30 %。