黑碳气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究

利用一个改进的辐射传输模式,结合全球气溶胶数据集（GADS）,计算晴空条件下冬夏两季黑碳气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的全球分布。计算结果表明,与温室气体引起的整层大气都是正的辐射强迫不同,黑碳气溶胶的辐射强迫在对流层顶为正值,而在地面的辐射强迫却是负值。作者从理论上解释了造成这种结果的原因。对北半球冬季和夏季而言,在对流层顶黑碳气溶胶的全球辐射强迫的平均值分别为0.085W/m2和0.155 W/m2,在地面则分别为-0.37 W/m2和-0.63 W/m2。虽然气溶胶的辐射强迫主要依赖于其本身的光学性质和在大气中的浓度,太阳高度角和地表反照率对黑碳气溶胶的辐射强迫会产生很大的影响。研究指出:黑碳气溶胶在对流层顶正的辐射强迫和在地面负的辐射强迫的绝对值都随太阳天顶角的余弦和地表反照率的增加线性增大;地表反照率对黑碳气溶胶辐射强迫的强度和分布都有重要影响。黑碳气溶胶的辐射强迫分布具有明显的纬度变化特征,冬夏两季的大值区都位于30°N~90°N之间,表明人类活动是造成黑碳气溶胶辐射强迫的主要原因。     

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。     

不同污染条件下气溶胶对短波辐射通量影响的模拟研究

将高光谱分辨率的气溶胶光学参数化方案应用于高精度的辐射传输模式BCC_RAD（974带）中,研究不同污染状况下气溶胶在地表与近地层大气中造成的直接辐射强迫与辐射强迫效率。发现气溶胶在地表产生的直接辐射强迫为负,在近地层大气中产生的直接辐射强迫为正,且随气溶胶浓度的升高变大,说明大气气溶胶的含量越高,单位气溶胶光学厚度产生的直接辐射强迫越大。将短波划分为3个波段:紫外、可见光和近红外,发现在紫外、可见光和近红外波段中,不同污染状况下气溶胶在地表造成的直接辐射强迫范围分别为:-1.36—-13.66、-3.03—-32.41和-2.74—-28.62 W/m2,在近地层大气中产生的直接辐射强迫范围分别为0.44—4.26、0.99—9.80和0.93—8.87 W/m2。通过进一步对比自然和人为气溶胶的影响,发现人为气溶胶在地表和大气层顶产生的负直接辐射强迫以及对整层和近地面大气造成的正直接辐射强迫均大于自然气溶胶的影响,且上述两种排放源的气溶胶对整层大气辐射收支的影响主要集中在800 hPa高度以下的大气中。按照地表直接辐射强迫大小来分析不同种类气溶胶的影响,结果为硫酸盐>有机碳>黑碳>海盐>沙尘;按照近地层大气直接辐射强迫大小排序则为黑碳>有机碳>沙尘>海盐>硫酸盐。最后,通过分析散射型气溶胶与吸收型气溶胶对辐射通量的影响,还探究了大气中散射与吸收过程的异同。      

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.     

中国地区黑碳气溶胶的第一间接辐射强迫与气候效应

将区域气候模式（RegCM3）与对流层大气化学模式（TACM）耦合, 建立区域气候化学模拟系统（RegCCMS）, 用以模拟研究中国地区黑碳气溶胶的空间分布、 第一间接辐射强迫及其气候效应。利用RegCCMS模式对2003年1月和7月进行模拟, 结果表明, 我国黑碳气溶胶主要集中在四川、 河北、 山东等地, 1月份浓度最高值中心在四川, 达到4 μg·m-3; 而在7月则出现在华中地区, 高值中心值为3.5 μg·m-3。地面浓度的季节差异不是很明显。1月和7月由黑碳气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-0.389 W·m-2和-1.18 W·m-2, 局部地区达到-4～-4.5 W·m-2。敏感性试验结果表明, 考虑黑碳气溶胶的第一间接气候效应后, 使得近地面气温下降, 降水减少, 1月变化的平均值分别为-0.025K和-0.0027 mm·d-1, 7月变化的平均值分别为-0.16K和-0.095 mm·d-1, 在不同季节和地区, 气温和降水的变化存在明显差异。     

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。     

近十年北京气溶胶光学特性及直接辐射强迫研究

利用SBDART（Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer）辐射传输模式,结合AERONET（Aerosol Robotic Network）北京站观测的气溶胶光学特性数据,评估北京地区近十年气溶胶以及黑碳气溶胶的辐射强迫,主要研究结果如下:北京近十年气溶胶平均光学厚度（aerosol optical depth, AOD_440nm）为0.61±0.56,?ngstr?m波长指数均值为1.09,单次散射反照率（single scattering albedo, SSA_440nm）的均值为0.888±0.045;AOD呈现下降趋势,SSA呈上升趋势,表明该区域气溶胶污染有所改善。晴空条件下,大气层顶、地面和大气的气溶胶直接辐射强迫多年均值分别为?24.91±19.80 W m?2、?65.52±43.78 W m?2、40.61±28.62 W m?2,即气溶胶对大气层顶和地表为冷却效应,对大气产生加热作用。气溶胶和黑碳气溶胶的直接辐射强迫绝对值的年际变化表现为微弱的下降趋势,季节变化特征为春夏季高,冬季低,这与AOD的变化规律一致。并且黑碳气溶胶的直接辐射强迫下降趋势与SSA的上升趋势呈现较好的反位相关系。     

青藏高原地区气溶胶直接辐射强迫的数值模拟研究

通过比较EMAC模式模拟结果和卫星观测结果证实了模式的可信性,进而利用模拟结果分析研究了2010～2012年青藏高原上空气溶胶光学厚度及其直接辐射强迫的时空分布规律。结果表明:所有气溶胶组分中,沙尘、水溶性气溶胶和气溶胶中液态水是高原的主要消光物质,三者年平均消光占比分别为0.27、0.20和0.49。2011年夏季纳布罗火山爆发,高空气溶胶消光在海拔14 km以上显著增强。青藏高原气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布总体上由北向南递减,沙尘气溶胶在高原北部边缘大气顶产生正辐射强迫,气溶胶大气层直接辐射强迫对大气有增温效应,主要出现在沙尘含量高的地区。此外,受纳布罗火山爆发的影响,平流层气溶胶在2011年秋、冬季产生了明显较强的负辐射强迫,相比于无火山爆发的2010年和 2012年,青藏高原上空平流层气溶胶负辐射强迫在2011年秋季和冬季分别增加了55.50%和52.38%。     

区域海气耦合模式RIEMS2.0-POM2K模拟的黑碳气溶胶对东亚春夏气候的影响

黑碳气溶胶的辐射强迫及其对东亚的气候效应仍有较大不确定性,同时在黑碳气溶胶气候效应的研究中对海洋的关注较少。为了量化分析黑碳气溶胶直接辐射效应和分析其通过海气相互作用对东亚夏季风的影响,用区域海气耦合模式进行黑碳气溶胶离线模拟的敏感试验。试验结果表明:东亚晴空大气顶和地面的净辐射强迫在春季分别为1. 58 W·m~(-2)和~(-2). 75 W·m~(-2),在夏季分别为1. 68 W·m~(-2)和~(-2). 62 W·m~(-2)。受黑碳气溶胶辐射效应影响,大气变暖,大气热力稳定度增加,云量减少。春季黑碳气溶胶的"热泵效应"引起华南降水增加和夏季风提前爆发。夏季孟加拉湾海表降温,南支槽加深,引起华南降水增加;另外中纬度附近经向温度梯度增大,进而增强冷空气势力和水汽辐散,引起华北降水减少。华南降水正异常和华北降水负异常有利于"南涝北旱"。黑碳气溶胶辐射效应能通过海气相互作用增加热带海表温度,减小经向温度梯度和海陆热力差异,进而减弱夏季风。此外,黑碳气溶胶辐射效应也能增强局域哈德莱环流及北风,进而减弱夏季风。     

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.     

Radiative Forcing and Climate Response Due to Black Carbon in Snow and Ice

The radiative forcing and climate response due to black carbon(BC) in snow and/or ice were investigated by integrating observed effects of BC on snow/ice albedo into an atmospheric general circulation model(BCC AGCM2.0.1) developed by the National Climate Center(NCC) of the China Meteorological Administration(CMA).The results show that the global annual mean surface radiative forcing due to BC in snow/ice is +0.042 W m 2,with maximum forcing found over the Tibetan Plateau and regional mean forcing exceeding +2.8 W m 2.The global annual mean surface temperature increased 0.071 C due to BC in snow/ice.Positive surface radiative forcing was clearly shown in winter and spring and increased the surface temperature of snow/ice in the Northern Hemisphere.The surface temperatures of snow-covered areas of Eurasia and North America in winter(spring) increased by 0.83 C(0.6 C) and 0.83 C(0.46 C),respectively.Snowmelt rates also increased greatly,leading to earlier snowmelt and peak runoff times.With the rise of surface temperatures in the Arctic,more water vapor could be released into the atmosphere,allowing easier cloud formation,which could lead to higher thermal emittance in the Arctic.However,the total cloud forcing could decrease due to increasing cloud cover,which will offset some of the positive feedback mechanism of the clouds.     

Simulation of the radiative effect of black carbon aerosols and the regional climate responses over China

As part of the development work of the Chinese new regional climate model (RIEMS), the radiative process of black carbon (BC) aerosols has been introduced into the original radiative procedures of RIEMS,and the transport model of BC aerosols has also been established and combined with the RIEMS model.Using the new model system, the distribution of black carbon aerosols and their radiative effect over the China region are investigated. The influences of BC aerosole on the atmospheric radiative transfer and on the air temperature, land surface temperature, and total rainfall are analyzed. It is found that BC aerosols induce a positive radiative forcing at the top of the atmosphere (TOA), which is dominated by shortwave radiative forcing. The maximum radiative forcing occurs in North China in July and in South China in April. At the same time, negative radiative forcing is observed on the surface. Based on the radiative forcing comparison between clear sky and cloudy sky, it is found that cloud can enforce the TOA positive radiative forcing and decrease the negative surface radiative forcing. The responses of the climate system in July to the radiative forcing due to BC aerosols are the decrease in the air temperature in the middle and lower reaches of the Changjiang River and Huaihe area and most areas of South China, and the weak increase or decrease in air temperature over North China. The total rainfall in the middle and lower reaches of the Changjiang River area is increased, but it decreased in North China in July.     

黑碳气溶胶气候效应的研究进展

 黑碳气溶胶能吸收从可见光到红外波段的太阳辐射,已经被部分研究认为是造成全球变暖的一个潜在因子。黑碳气溶胶既可以通过直接气候效应改变地-气系统的辐射平衡,又可以作为云凝结核或冰核改变云的微物理特性,间接影响区域或全球气候。对黑碳气溶胶的辐射强迫及其气候效应的研究现状进行总结和分析后,指出了目前黑碳气溶胶气候效应研究中存在的不确定性,并对未来的相关研究提出了一些建议。     

Direct Radiative Forcing of Anthropogenic Aerosols over Oceans from Satellite Observations

Anthropogenic aerosols play an important role in the atmospheric energy balance. Anthropogenic aerosol optical depth (AOD) and its accompanying shortwave radiative forcing (RF) are usually simulated by nu- merical models. Recently, with the development of space-borne instruments and sophisticated retrieval algorithms, it has become possible to estimate aerosol radiative forcing based on satellite observations. In this study, we have estimated shortwave direct radiative forcing due to anthropogenic aerosols over oceans in all-sky conditions by combining clouds and the Single Scanner Footprint data of the Clouds and Earth’s Radiant Energy System (CERES/SSF) experiment, which provide measurements of upward shortwave fluxes at the top of atmosphere, with Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aerosol and cloud products. We found that globally averaged aerosol radiative forcing over oceans in the clear-sky conditions and all-sky conditions were -1.03±0.48 W m-2 and -0.34 ±0.16 W m-2, respectively. Direct radiative forcing by anthropogenic aerosols shows large regional and seasonal variations. In some regions and in particular seasons, the magnitude of direct forcing by anthropogenic aerosols can be comparable to the forcing of greenhouse gases. However, it shows that aerosols caused the cooling effect, rather than warming effect from global scale, which is different from greenhouse gases.     

THE IMPACT OF RELATIVE HUMIDITY ON THE RADIATIVE PROPERTY AND RADIATIVE FORCING OF SULFATE AEROSOL*

With the data of complex refractive index of sulfate aerosol,the radiative properties of the aerosol under 8 relative humidity conditions are calculated in this paper.By using the concentration distribution from two CTM models and LASG GOALS/AGCM,the radiative forcing due to hygroscopic sulfate aerosol is simulated.The results show that:(1)With the increase of relative humidity,the mass extinction coefficiency factor decreases in the shortwave spectrum;single scattering albedo keeps unchanged except for a little increase in longwave spectrum,and asymmetry factor increases in whole spectrum.(2)Larger differences occur in radiative forcingsimulated by using two CTM data,and the global mean forcing is -0.268 and -0.816 W/m²,respectively.(3)When the impact of relative humidity on radiative property is taken into account,the distribution pattern of radiative forcing due to the wet particles is very similar to that of dry sulfate,but the forcing value decreases by 60%.     

相对湿度对气溶胶辐射特性和辐射强迫的影响

采用已有的气溶胶折射指数等资料 ,计算了在不同的相对湿度条件下硫酸盐气溶胶的辐射特性。结合两种不同化学输送模式 (CTM )的模拟结果及LASGGOALS/AGCM模式 ,模拟估算了考虑相对湿度影响后全球硫酸盐气溶胶的辐射强迫。结果表明 :(1)随着相对湿度的增加 ,硫酸盐气溶胶的质量消光效率因子在短波波段有所减小 ,单次散射反照率仅在长波波段有所增加 ,不对称因子在整个波段均有所增加 ;(2 )用两个CTM资料模拟辐射强迫的结果相差较大 ,其全球平均辐射强迫分别为 - 0 .2 6 8和 - 0 .816W/m2 ;(3)在考虑相对湿度的影响后 ,硫酸盐气溶胶辐射强迫的分布类型与相应干粒子的强迫分布类型基本相同 ,但全球平均的强迫值减少了 6 %左右。