CAM3.0模式中东亚气溶胶浓度变化的直接效应及全球海面温度年代际变化对东亚夏季降水的影响研究

利用CAM3.0气候模式模拟研究东亚地区气溶胶浓度增长以及1976/1977年前后发生的海温年代际变化对东亚夏季降水场的影响及其机制。采用四组试验:即对东亚区域(100~150 °E,20~50 °N)分别进行的单独加倍黑碳气溶胶浓度、单独加倍硫酸盐气溶胶浓度、同时加倍这两种气溶胶浓度的三组关于气溶胶直接气候效应的试验及全球海温在1976/1977前后发生变化的海温年代际变化试验,来比较、探讨海温年代际变化和东亚地区气溶胶浓度增加对东亚夏季降水的影响机制。结果表明,无论是海温年代际变化还是各种气溶胶的浓度加倍,都能导致我国出现长江以北地区降水减少-东南沿海地区降水增加的“南涝北旱”的降水异常分布型。但两者在洋面上空降水的迥异表现及东亚低层风场的不同变化,显示其具有不同的异常降水机制。比较三类气溶胶浓度增加的试验结果发现:在单独硫酸盐气溶胶浓度增加试验中,东亚中部出现最显著的中下层大气降温、异常下沉气流以及降水减少;而在黑碳气溶胶试验中,出现在东亚中部的异常下沉气流强度减弱且位置偏南;在同时增加两类气溶胶浓度时,降水异常分布与单独黑碳气溶胶浓度增加所导致的降水异常相近,但强度减小。      

利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响

在GRAPES中尺度模式的双参数微物理方案中加入了气溶胶活化参数化过程,实现了对云滴数浓度的预报。选取不同季节两个降水过程进行模拟,并分别开展了不同气溶胶背景下的两个试验进行对比分析,研究气溶胶对云和降水可能的影响。结果表明:气溶胶浓度增加后,因为活化产生了更多尺度较小的云滴,抑制了云雨的自动转化,使大气中滞留了更多的云水,暖云降水减小;另一方面,云水的增加会使冰相粒子,尤其是雪和霰通过碰并云水等过程而增大,最后融化成雨增加冷云降水,同时冰相粒子增加会释放更多的潜热,促进上升气流的发展,进一步增加冷云降水。气溶胶对降水的影响存在空间不一致性,暖云较厚的地方暖雨过程受到的抑制明显,使地面降水减小,冷云厚度相对较厚时,冷云降水的增加会大于暖云降水的抑制,使地面降水增加。同时由于在云降水发展的不同阶段冷暖云的变化,气溶胶对降水的影响也存在着时间不一致性。     

临安大气气溶胶理化特性季节变化

分别利用碳成分分析仪、离子色谱仪和原子吸收光谱仪等获取浙江省临安地区大气气溶胶在春、夏、秋、冬四季的质量浓度、离子与碳成分特性，并对不同粒径气溶胶成分分布特点作了较详细分析。结果表明:气溶胶质量浓度、可溶性离子浓度以及碳成分浓度具有明显的季节变化趋势。整个尺度范围内，气溶胶质量浓度季节变化特点为春季浓度最高，达到534 μg/m3；冬季次之，质量浓度为117.21 μg/m3；夏季浓度最低，平均为65.7 μg/m3；秋季质量浓度98.6 μg/m3。可溶性离子成分在气溶胶中所占比例具有明显的季节性，其中夏季最高为49.4%，春季最低为11.3%。硫酸根离子SO₄2-和氨根离子NH₄+和硝酸根离子NO₃- 3种离子浓度之和约占离子总量的75%~83%。受温度影响，硝酸根离子NO₃-浓度随季节变化幅度较大，夏季平均浓度为1.7 μg/m3, 冬季平均浓度为11.5 μg/m3，是夏季浓度的6.8倍。碳浓度分布特点显示，气溶胶中元素碳浓度春季最高，夏季最低。有机碳浓度春季最高，冬季最低。气溶胶粒度分布特点也非常明显。四季中粒径小于11 μm（PM₁₁）的气溶胶均占气溶胶总量的90%以上，粒径小于2.1 μm（PM_2.1）的气溶胶占到气溶胶总量的53%以上。可溶性离子在粒径小于2.1 μm气溶胶颗粒中，以硫酸根离子、氨根离子和硝酸根离子为主。碳成分尺度分布特征为颗粒越小，有机碳及元素碳浓度越高。     

人为气溶胶对地形云降水的影响:以黄山地区为例

选取黄山站为高山站,周围黄山区、绩溪、黄山市三个低海拔高度站为对比站,比较高山站与对比站1960—2009年降水量差值,即地形影响因子R0的变化趋势,以及同期能见度的变化,分析了人为气溶胶对黄山地形云降水的可能影响。结果表明,1960—1979年能见度下降,气溶胶含量增大,R0升高;1980—1989年,能见度升高,气溶胶含量有下降趋势,不同对比站R0变化趋势不同;1990—2009年,能见度下降,气溶胶含量升高,R0显著下降。气溶胶对降水的影响作用与背景气溶胶浓度有关,背景气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度可促进降水;背景气溶胶浓度较高时,增加气溶胶含量对降水抑制作用显著,对应的能见度阈值为10km。当气溶胶对降水起抑制作用时,抑制作用与风速成反比,与风频和各风向平均降水量呈显著正相关。     

沙尘气溶胶对大气冰相过程发展的敏感性试验

利用分档云动力学模式,研究了沙尘气溶胶输送过程中在不同大气背景环境条件下对云内冰相粒子形成、发展和降水过程的影响.通过敏感性试验发现:在背景气溶胶浓度不断增加的情况下,冰相降水率以及冰相降水在总降水量中的比例逐渐减小;只有在大陆性云和污染严重的地区,含有一定比例可溶性物质的沙尘粒子提高了大气中的巨核浓度,使云中冰相降水质粒提前出现,有利于降水的形成.另一方面,当把不可溶矿物气溶胶粒子作为有效的大气冰核参与云降水形成的物理过程时,由矿物气溶胶引起的大气冰核浓度增加在一定程度上抑制云中冰相降水质粒的发展,部分抵消巨核对降水的促进作用.     

河北秋季气溶胶粒子垂直分布的飞机探测分析

根据2013年10月13、14日共4个架次机载气溶胶探测资料及宏观天气资料,分析了飞机爬升阶段河北地区气溶胶数浓度、平均直径在降水前后的垂直变化特征,研究了不同高度的粒子谱特征,并且尝试对一次典型层状云过程中云内、云底的气溶胶粒子谱进行了拟合。结果表明:1)降水前和降水过程中粒子平均浓度变化不大,降水结束后,粒子浓度显著减小。2)气溶胶粒子浓度、平均直径受云和逆温的影响十分明显。存在逆温时,逆温层附近气溶胶粒子浓度显著增大,粒子浓度曲线与逆温层温度曲线一致;无逆温层时,粒子数浓度随高度呈负指数递减。低空的气溶胶粒子大小受逆温层影响较小,高空的粒子大小变化幅度较大,且多呈单峰或多峰分布。3)对爬升阶段每500 m进行平均,得到不同高度的粒子谱基本呈单峰或双峰分布,单峰分布峰值在细粒子端,双峰分布则在粗、细粒子端各有一峰值。4)此次观测得到的层状云内气溶胶粒子数浓度曲线用负指数函数拟合效果更好,层状云云底和云中拟合谱中参数λ变化可以忽略,参数A值变化较大。     

北京地区的非酸性降水和气溶胶

本文计算了降水与大气CO_2和SO_2处于平衡态时,干净地区和污染地区的降水酸度。结果是,中纬度干净地区降水的pH值在5以下。在气溶胶浓度较高的北京地区,由于气溶胶中的氯化物和CaO与降水中的酸性物质反应,降水的pH值增加。降水pH值与云中液态水含量、降水量以及气溶胶中Cl和Ca的浓度有关。用这种机制可以解释在SO_2和气溶胶浓度都很高的北京地区所观测到的非酸性降水。     

降水过程中气象条件对郑州市区气溶胶浓度的影响

利用郑州大气成分站的气溶胶浓度资料和气象资料,对郑州市区PM10、PM2.5、PM1浓度的日变化和月变化特征进行了分析,并对气温、降水、风速、气压等气象要素在降水过程中与气溶胶浓度的关系进行相关分析,结果表明,气溶胶浓度与气压呈正相关,与气温、降水量、风速等气象要素呈明显负相关,且随季节变化有所差异。     

降水过程中气象条件对郑州市区气溶胶浓度的影响

利用郑州大气成分站的气溶胶浓度资料和气象资料,对郑州市区PM10、PM2.5、PM1浓度的日变化和月变化特征进行了分析,并对气温、降水、风速、气压等气象要素在降水过程中与气溶胶浓度的关系进行相关分析,结果表明,气溶胶浓度与气压呈正相关,与气温、降水量、风速等气象要素呈明显负相关,且随季节变化有所差异。     

气溶胶影响混合相对流云降水的数值模拟研究

利用一种新的异质冰相核化参数化方案,研究了当气溶胶同时作为云凝结核和冰核时,在不同高度输送对混合相对流云和降水的影响。结果发现,对于本文研究的理想混合相对流云,气溶胶在边界层的输送导致液滴数浓度明显增加,有效半径减小,霰粒的生长受到抑制,引起霰粒质量浓度降低;而气溶胶在对流层中层4～6km输送时,导致冰晶和霰粒数浓度明显增加。由于较多的冰晶引起更加快速的贝吉隆过程,使霰粒的质量浓度增加;气溶胶在对流层中层2～4km高度输送时冰相形成作用相对较弱,并引起霰粒的数浓度略微增加,由于霰粒的有效半径减小导致其质量浓度下降。气溶胶在不同高度的输送都导致液态和固态降水率降低,随着背景气溶胶数浓度的增加,气溶胶在0～2km、2～4km以及4～6km的输送分别导致累积降水量减少28％～64％、4％～44％和3％～46％,并且对降水的抑制效应及所在高度不同引起的降水差异随着背景气溶胶数浓度的增加而减小。     

广东省北江流域坡向与海拔对汛期降水量的影响

利用1956—2000年广东省北江流域40个水文站逐月降水量资料,统计北江流域汛期降水量与山地坡向及海拔高度的关系特征。利用地理加权回归 (GWR) 方法消除站点空间位置不同带来的宏观地理因子影响后,进行多年平均汛期降水量随海拔高度变化的相关分析,根据其点聚程度分区,研究降水量随海拔高度的变化规律。结果表明:广东省北江流域汛期降水量总体上呈纬向空间分布,由南至北逐渐减少,其中多雨区位于北江流域的东南部;在流域中部的英德至流域南部的清远之间的干流附近存在稳定的多雨中心。4个子区域最大降水量高度不同,由南至北分别为77.3 m,408.4 m,353.6 m和376.9 m,相对应的最大降水量分别为1566.2 mm,1467.4 mm,1295.9 mm和1151.5 mm。广东省北江流域汛期降水量变差系数由西南至东北依次增大,说明降水量的年际变化呈北大南小的空间分布规律。     

潮州沿海大气气溶胶无机离子浓度分布与气象要素的相关分析

根据2004年广东潮州沿海地区的气溶胶浓度观测资料,分析潮州沿海大气气溶胶无机离子浓度分布特征及气象要素对其的影响。结果表明:离子浓度季节性差异明显,总离子浓度呈现春夏季低、秋冬季高的特征,系由当地不同季节降雨量和风向分布不同造成的;气溶胶无机成分与海水近似,表明海盐是当地气溶胶的重要来源之一,但Cl-与Na+不一致,表明可能存在除海盐颗粒以外的异地气溶胶长距离输送;总离子浓度随采样点高度增加而降低,随采样时海陆风变化而变化;阳离子浓度日际变化不明显,阴离子浓度易受天气条件影响。     

秦岭地区气溶胶对地形云降水的抑制作用

以华山站为影响站, 周围的西安、渭南和华阴作为对比站, 通过影响站与对比站降水之比——地形强化因子(Ro)的变化趋势以及Ro与能见度关系的分析, 定量研究了秦岭地区气溶胶对地形云降水的抑制作用。Ro的演变分析表明: 有观测以来Ro逐年递减, 减幅为14%～20%, 即影响站与对比站相比降水量减少了14%～20%; Ro的减少趋势与能见度递减、气溶胶递增相吻合, 说明气溶胶的增加抑制了地形云降水。Ro的递减主要是减少了中小雨 (日雨量小于30 mm) 的天数, 这种影响对浅薄的生命期较短的地形云降水作用更明显, 对于华山站, 30 mm以下的降水都会受到入云气溶胶的抑制作用, 而西安站为5 mm以下, 入云气溶胶浓度越高, 就有越厚的降水云受气溶胶影响而抑制降水; 在以动力强迫抬升为主的春秋季, 气溶胶抑制华山地形云降水20%左右, 最大可达25%; 在热对流条件下, 气溶胶对地形云和对平原地区云的抑制作用基本相当。不同风速风向下Ro的变化趋势表明, Ro递减随风速增大而加快, 迎风向 (240°～30°) 大风 (≥5 m/s) 时减少降水超过30%。由Ro与能见度关系的定量分析发现, 当能见度在14 km时Ro为1.8左右, 随着能见度的降低Ro逐渐减小, 当能见度小于8 km时,R0约为1.2, 减小了30%左右; 华山对于华阴的Ro与能见度呈线性关系, 相关系数达0.81。最后, 根据研究结果归纳出气溶胶抑制秦岭地区地形云降水的初步物理模型。     

福建省空气负氧离子分布特征及气象预测模型北大核心CSCD

负氧离子是评价空气新鲜和清洁程度的重要指标。利用2018—2021年福建省负氧离子观测站数据分析负氧离子浓度的时空变化特征,并采用多元线性回归方法、多元逻辑回归方法和LightGBM机器学习方法建立负氧离子浓度预测模型。结果表明:福建省负氧离子资源十分丰富,中海拔区(350~550 m)年平均负氧离子浓度最高,低海拔区次之,高海拔区最小。负氧离子浓度日变化特征呈一峰一谷型,04:00—06:00(北京时,下同)达到峰值,12:00—13:00达到谷值;中海拔区负氧离子浓度季节变化较大,季节平均浓度从大到小依次为春季、夏季、冬季、秋季,而高、低海拔区季节变化相对较小。福建省不同海拔地区负氧离子浓度与湿度、降水和能见度均呈显著正相关,负氧离子浓度与气温、风速和气压显著相关,但不同海拔地区的相关性有所不同。机器学习方法对不同海拔地区负氧离子浓度数值的拟合效果比多元线性回归方法有明显提升,对负氧离子浓度等级拟合的准确率比多元逻辑回归方法提高7%~12%,且在绝大部分等级上的准确率均高于多元逻辑回归方法。     

太行山地区典型森林类型空气细菌含量变化研究

为了解太行山森林景区空气细菌含量及其分布变化特点,选择该地区的4种典型森林群落,通过自然沉降法对空气细菌含量进行测定,研究了不同森林类型及不同海拔高度下各个森林类型中空气细菌含量及与影响其含量的因素之间(空气负离子、PM_(2.5)及PM_(10)等指标)的相互关系。试验结果表明:1)太行山4种森林空气细菌含量属清洁级,不同森林之间空气细菌含量差异显著:栓皮栎林空气细菌含量混交林的侧柏林的刺槐林的,乔木林的灌木林的草本群落的,植被地的裸露地的。2)空气细菌含量与海拔高度呈负相关关系,随海拔高度的增加而减少,细菌含量总体分布表现为山顶的山腰的山脚的。3)同一采样点上,空气细菌含量近地面处含量最大,与采样垂直高度呈负相关关系,具体表现为150 cm的60 cm的20 cm的,采样位置离地面越高,细菌含量越少。4)空气细菌含量与空气负离子数负相关,与PM_(2.5)、PM_(10)含量正相关。空气细菌含量随着PM_(2.5)、PM_(10)含量增大而升高,随负离子浓度的增加而减少。     

Dependence of climate forcing and response on the altitude of black carbon aerosols

Black carbon aerosols absorb solar radiation and decrease planetary albedo, and thus can contribute to climate warming. In this paper, the dependence of equilibrium climate response on the altitude of black carbon is explored using an atmospheric general circulation model coupled to a mixed layer ocean model. The simulations model aerosol direct and semi-direct effects, but not indirect effects. Aerosol concentrations are prescribed and not interactive. It is shown that climate response of black carbon is highly dependent on the altitude of the aerosol. As the altitude of black carbon increases, surface temperatures decrease; black carbon near the surface causes surface warming, whereas black carbon near the tropopause and in the stratosphere causes surface cooling. This cooling occurs despite increasing planetary absorption of sunlight (i.e. decreasing planetary albedo). We find that the trend in surface air temperature response versus the altitude of black carbon is consistent with our calculations of radiative forcing after the troposphere, stratosphere, and land surface have undergone rapid adjustment, calculated as “regressed” radiative forcing. The variation in climate response from black carbon at different altitudes occurs largely from different fast climate responses; temperature dependent feedbacks are not statistically distinguishable. Impacts of black carbon at various altitudes on the hydrological cycle are also discussed; black carbon in the lowest atmospheric layer increases precipitation despite reductions in solar radiation reaching the surface, whereas black carbon at higher altitudes decreases precipitation.     

华东高海拔地区夏季气溶胶数浓度及谱分布特征

利用2014年7月黄山光明顶观测获得的气溶胶数浓度、气溶胶数谱数据,对黄山夏季气溶胶数浓度及谱分布特征进行分析,并在此基础上对气溶胶数谱进行了对数正态分布拟合。研究结果表明:黄山夏季气溶胶平均数浓度约为3 518.27 cm~(-3),主要集中在爱根核模态;气溶胶平均数浓度日变化呈双峰分布,峰值浓度的出现伴随着小粒子的增多。气溶胶数浓度与相对湿度和风速成负相关,高浓度的气溶胶多出现在较弱的东南风时;积聚模态气溶胶数浓度受风向影响显著。不同气团背景下气溶胶数谱差异集中在小于100 nm和500~1 000 nm粒径范围。爱根核模态气溶胶在高湿的西南气团影响下数浓度最低、谱较窄,而高温、低湿的东南气团对应的气溶胶数浓度最高、谱最宽,北方气团对应的气溶胶数浓度和谱宽居中;500~1 000 nm粒径范围气溶胶数谱分布特征与之相反。不同背景的气溶胶数谱和体积谱均可采用爱根模态、积聚模态1和积聚模态2三个模态进行对数正态分布拟合,但不同气团背景下的各模态谱型参数差异较大。     

New evidence of orographic precipitation suppression by aerosols in central China

The correlation between light precipitation events and visibility at Mt. Hua, (Shannxi Province, China) and at the surrounding plains stations was analyzed. Trends and changes in visibility, precipitation, the precipitation difference between Mt. Hua and the plains stations (De) and wind speed over the study area during the years 1980–2009 were also investigated. The significant positive correlation between visibility and light precipitation throughout the study period indicates that light precipitation events, notably orographic precipitation, are suppressed by aerosol pollution in this region. The trend of increasing air pollution aerosols since 1980, represented by visibility at Mt. Hua, ended in 2002 with a decreasing trend observed in more recent years. These changes were mirrored by corresponding changes in De. However, the total precipitation trends at Mt. Hua and the plains stations are consistent in both frequency and amount during the two periods, suggesting that the suppressive effect of pollution aerosols on light and moderate precipitation is the most likely cause for the changes in orographic precipitation at Mt. Hua during this time. The analysis of wind strength suggests that the increase in winds at Mt. Hua is highly related to the aerosol radiative effects; this increase of mountain winds is therefore a potential cause for the reduction in precipitation at Mt. Hua. This research provides further support for the hypothesis that aerosol microphysical effects can reduce orographic precipitation and suggests that aerosol radiative effects might act to suppress orographic precipitation through changes in wind speed.