El Chichon火山喷发与平流层气溶胶的研究

1.序言从1981年到1984年的中层大气研究计划(MAP)期间,平流层气溶胶的研究以观测为中心,取得了很大进展。特别是在MAP 期间发生了El Chichon火山大喷发,造成平流层气溶胶的增加现象,这一现象是本世纪最大规模在平流层产生气溶胶,在这之后的几年里这些气溶胶的相当数量仍停留在平流层中。因为是在完备观测体制时发生的事     

用多波长激光雷达同时测量平流层气溶胶层

自从六十年代以来,激光雷达就用于遥感研究大气中的各种现象,尤其是对于平流层气溶胶的监测,激光雷达是很有用的,而且根据激光雷达的测量,已经报道了许多有意义的结果,例如:1) 由于强烈的火山爆发,平流层气溶胶层的增强,2) 增强的气溶胶层的衰变过程,3) 平流层气溶胶含量的季节性变化,4) 平流层气溶胶粒子大小的垂直     

气溶胶对现代气候的影响

本文提供了估计近百年大型火山喷发后出现的平流层气溶胶层的新方法.借助不稳定的能量平衡气候模式,完成了近地面温度对火山产生的平流层气溶胶敏感性的计算.     

一次南疆强沙尘暴沙尘向平流层上传的事实及模拟

利用NCEP客观分析资料、卫星观测资料和中尺度化学模式(WRF-Chem),对2007年4月17日发生在青藏高原(下称高原)北侧塔克拉玛干沙漠地区的一次沙尘过程进行分析,研究了高原及附近地区沙尘气溶胶从地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制,以及不同粒径沙尘粒子在传输中的差异。结果表明,沙尘粒子的垂直传输高度与背景水平风场的垂直分布特征密切相关,在没有云微物理过程参与的情况下,当高原上空出现深厚南北风交汇,形成穿透对流层顶的上升运动时,源于塔克拉玛干沙漠地区的沙尘气溶胶粒子,能到达高原上空,在辐合上升运动的作用下传输至下平流层,且具有明显的倾斜向上传输的特征。进一步分析表明,到达平流层下层的沙尘在空间上并不与地面沙尘源的位置相匹配。不同粒径的沙尘粒子的传输表现出不同的特征,粒径小的沙尘气溶胶粒子更容易在上升气流的作用下传至下平流层,而粒径8.0μm的沙尘粒子则在重力沉降作用影响下无法传至下平流层。敏感性数值试验结果表明,降低高原地形会使得高原上空沙尘气溶胶粒子向南和向上的传输变弱。     

平流层重力占优气溶胶粒子的耦合碰并

研究大气平流层中的重力作用占优的气溶胶粒子之间的耦合碰并问题.平流层由于空气稀薄,必须引入高Knudsen数下分子体系介质近似,对于重力占优的气溶胶粒子,采用高Qij下的处理方法,在新的对分布方程的基础上,求得重力作用占优的气溶胶粒子的对分布函数的解析解.结果表明,对于重力占优的气溶胶粒子,平流层中碰并率要大于对流层中的碰并率.     

平流层气溶胶的辐射强迫及其气候响应的水平二维分析

利用比较先进的辐射模式计算了平流层气溶胶的辐射强迫,并对之进行了参数化。结果发现平流层气溶胶的辐射强迫的水平分布不仅与其本身的水平变化有关,而且与下垫面的反照率有很大的关系。利用近期开发的二维能量平衡模式模拟了皮纳图博火山气溶胶对地面平衡温度的影响,结果表明:皮纳图博火山至喷发后1年半左右降温达最大,至喷发后第5年降温已很小。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟北大核心CSCD

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

青藏高原沙尘示踪物从对流层向平流层传输的数值模拟

利用NCEP再分析资料和卫星观测资料,结合耦合了沙尘模块的中尺度模式WRF,通过个例分析研究了青藏高原及附近地区沙尘气溶胶从近地面向对流层上部和平流层下部传输的特征和机制以及青藏高原大地形对平流层与对流层之间物质交换的影响。结果表明,深对流活动可将近地面沙尘气溶胶传输到上对流层—下平流层区域,但是下平流层区域的沙尘气溶胶浓度分布依赖于地面沙尘源的位置和对流的强度,且与对流系统内是否有降水有关。在没有穿透性对流情况下,垂直上升运动不能直接将沙尘输送到下平流层,但上对流层的沙尘可通过扩散作用和小尺度的混合过程经过数小时缓慢地进入下平流层。在没有明显系统性降水的情况下,夏季青藏高原上空旺盛的对流活动和高地形使得高原上空成为气溶胶进入下平流层的主要区域。上对流层区域的沙尘气溶胶浓度还受到平流层空气入侵的影响,在没有强的地面沙尘排放源的情况下,平流层空气的入侵对上对流层区域气溶胶浓度的分布和演变有较大的影响。     

中国大气气溶胶研究综述

文中综合论述了近 2 0年来中国大气气溶胶研究状况 ,包括对大气气溶胶的直接采样分析 ,地面和卫星的遥感 ,大气气溶胶辐射特性及其气候效应的研究以及沙尘暴的形成、输送及气候效应的研究等。直接采样分析不仅研究了气溶胶的浓度和粒子谱分布等特性 ,而且也对其化学组分做了分析 ,高空气球采样得到了对流层和低平流层的气溶胶样品 ,并用X能谱电子显微镜进行了分析。地面遥感和多种卫星资料 ,包括AVHRR ,SVISSR ,TOMS ,POLDER等 ,被用来研究大气气溶胶的辐射特性 ,并提出了用消光和前向散射相结合和利用天空散射光分布反演粒子谱分布相函数等方法。开展了有关气溶胶气候效应的数值模拟研究 ,并对非球形粒子以及吸湿性粒子的作用做了专门的计算。对沙尘粒子的直接观测为研究其生成条件和输送特性提供了基础数据。文中对不同的研究方法进行了初步评述 ,并对气溶胶的研究提出几点建议。     

用曙暮光时的天光光强反演平流层气溶胶散射系数廓线

本文基于对曙暮光问题的系列研究,提出一个用曙暮光时的光强观测资料反演平流层气溶胶垂直分布的方案.然后在用Monte-Carlo计算程序模拟分析Koomen等人1951年曙暮光观测资料的基础上,对此资料实施了反演试验,并给出了反演基本结果和误差分析.结果表明此法是有效的,能为平流层气溶胶过去几十年的长期变化提供反演方法.     

对流层平流层气溶胶粒子的形态和化学组成

分析研究了１９９３年和１９９４年的８月、９月在香河地区上空采集的单个气溶胶粒子的形态及化学元素和化合物的组成。结果表明：１９９３年,在对流层大气中的气溶胶颗粒经常出现不规则形的粒子,可能是土壤粒子;而在平流层大气中的颗粒以具有“卫星”结构的硫酸粒子为主;硫酸铵粒子则经常出现在对流层的中、下部。香河地区上空颗粒物的化学元素组成比较复杂,单一化学元素组成的粒子较少,粒子主要含有Ｓｉ,Ｆｅ,Ａｌ和Ｓ等元素。气溶胶的化合物有硫酸盐、硅酸盐、硝酸盐和磷酸盐等     

适用于大中尺度污染物输送模式的粒子干沉降参数化方案

用“二层”模式给出一个适用于污染物输送模式的粒子干沉降参数化方案,它比较详细地考虑了近地面层的气象条件,地表特性和气溶胶粒子的物理、化学特性等。从计算值与观测值的比较来看,计算值的离散范围能涵盖所有的观测结果,因而从总体上看此参数化方案是合理的,能够描述粒子总污染物干沉降的主要物理过程及机制。       

激光遥测的近年开发

1 前言激光自六十年代初问世以来,很快应用于大气探测的诸多科研当中,伴随这项技术的发展,高水平的探测方法被逐渐开发出来。虽然早就有人用激光雷达对平流层中的气溶胶层进行观测研究,但总的来看,以激光雷达为代表的遥测技术在气象及大气环境上的     

青藏高原平流层臭氧和气溶胶的变化趋势研究

通过分析SAGEⅡ资料,发现青藏高原平流层臭氧存在递减趋势,15—50 km臭氧的变化对臭氧总量变化贡献最大,其中25—50 km和15—25 km两层的贡献大致相当。通过青藏高原和中国东部地区平流层臭氧变化的对比,清楚地看出:两地臭氧总量变化的差异主要是由于在15—25 km臭氧变化不同所致。5—7月臭氧变化趋势的情况与年平均的变化类似,两地臭氧变化的差异主要在平流层低层,即15—25 km。青藏高原平流层气溶胶面密度的时间变化序列显示:大的火山喷发对青藏高原平流层气溶胶具有重要影响,其影响可持续6年左右。从1997年至今,青藏高原18—25 km气溶胶面密度增加,最大的增长出现在23 km,每年大约增长4%—5%。而在16—17 km气溶胶的面密度出现减少趋势。与此同时,在37 km以下,青藏高原的温度出现递减的趋势,而且其递减速度比中国东部地区快;在37—50 km,温度出现增加的趋势,青藏高原的增温也比中国东部地区快。青藏高原平流层低层气溶胶的增加和温度的降低都将增强该区域非均相反应的作用。     

大气气溶胶的粒度谱分布函数及其随高度的变化

本文对用光学粒子计数器在飞机上测量的大气气溶胶数密度-粒度谱分布进行了分析研究.根据对气溶胶谱形成过程的分析,指出大气气溶胶是四种气溶胶体系的混合物,需要用四个正态分布函数的和来描述大气气溶胶的体积-粒度谱分布.用非线性最小二乘法计算了谱分布函数的经验参数;研究了粒子浓度、体积、及粒度谱分布函数随高度的变化.观测资料表明,在大气温度和湿度水平均匀、层结稳定的情况下,气溶胶粒子浓度水平分布不均匀,而且垂直方向上也并不随高度单调递减.     

激光探测平流层气溶胶层后向散射系数分布

1983年2月以来,利用红宝石激光雷达对平流层气溶胶层进行了一系列探测.结果表明:因受El Chichon火山爆发的影响,平流层气溶胶层后向散射比峰值和14—23.5公里高度范围内积分后向散射系数均明显增大。本文对部分探测结果进行了分析和讨论.     

平流层火山气溶胶时空传播规律及其气候效应

根据平流层火山气溶胶传播规律研究,该文构建了反映火山喷发强度、平流层火山气溶胶相对浓度、火山气溶胶扩散速率和反映火山爆发地理位置并且按e指数规律衰减的火山活动指数(VEI)时空分布函数,进一步建立了北半球中高纬度、南北半球低纬度和南半球中高纬度3个1945-2008年逐月火山活动指数时间序列。根据3个逐月火山活动指数时间序列分别分析了北半球中高纬度、南北半球低纬度和南半球中高纬度火山活动对于相应纬度带地面气温的影响。研究表明:无论南北半球还是热带,火山活动强时地面气温下降,火山活动弱时地面气温上升,并且地面气温对于火山活动的响应明显滞后。     

对流层气溶胶的直接气候效应对平流层的影响

通过WACCM-3模式中气溶胶光学厚度与卫星资料的对比发现,模式可以很好地再现全球气溶胶的主要分布特征,但在一些区域还存在数值上的差异。利用数值试验研究对流层气溶胶的直接气候效应对平流层气候的影响,结果表明:对流层气溶胶对平流层气候有明显影响,平流层化学过程在这一影响中起重要作用,而对流层气溶胶对平流层辐射的影响不是其直接气候效应对平流层影响的主要原因。其机制可能是对流层气溶胶改变对流层的辐射平衡,影响对流层的温度和大气环流,进而影响行星波的上传,使得平流层气候发生变化;影响区域主要位于高纬度和极地地区,南半球的变化比北半球大,温度变化最大达10 K,纬向风变化最大可达12 m/s,臭氧体积分数最多减少0.8×10-6。     

气溶胶垂直分布及活化特性的飞机观测个例研究

为了解气溶胶以及云凝结核(cloud condensation nuclei,CCN)活化谱的垂直分布特征,利用2014年7月30日在山西开展的机载和地面观测获得的气溶胶和CCN数据,分析研究了CCN活化谱函数(N=C·S~k)参数C和k的垂直分布规律和气溶胶的活化特征。结果表明:本次过程气溶胶的垂直分层明显,不同区域气溶胶的垂直分布存在差异,按照位温变化特征自下而上可分为四层,气溶胶数浓度、有效直径和粒子谱等垂直分布特征和层结特性关系密切,CCN活化谱参数k受气溶胶的化学组分及粒子谱共同影响,四层的k值差异较大,其中第一层k值随着高度增大,最大值为1,第二层的k先减小后增大,在1700～2000 m处最低,为0.3,第三层的k变化不大,在0.8左右,第四层稳定到0.6。观测区域气团后向轨迹模拟结果显示:不同高度层气溶胶来源差异较大,1000和2000 m高度的气团分别来源于山西东南方向的华北平原和西侧的黄土高原,3 000 m以上的高空气团来源于西北方的蒙古国。各层C、k结果与相应来源地的地面CCN活化谱的观测结果有较好的对应关系,气溶胶的性质与相应来源地的地面气溶胶性质较为一致。不同高度气溶胶来源差异是导致气溶胶分布以及CCN活化谱存在明显分层的原因。     

近年平流层气溶胶模式研究综述

平流层气溶胶在全球大气的辐射与化学平衡中起着重要作用,对全球气候变化有着重要的影响。数值模拟研究是研究平流层气溶胶浓度、粒径分布及其化学组成的重要手段之一。回顾了平流层气溶胶模式的发展历程,并对现今研究中较有代表性的5种模式进行了比较,着重考察了模拟结果在OCS、SO2分布情况等方面与实测数据的相符程度。结果发现5种模式均可再现平流层气溶胶和它的主要前体气体分布的大部分特征,但同时也都存在各自的局限。最后展望了平流层气溶胶模式未来的发展方向以及需要改进的问题。