硫酸盐气溶胶辐射强迫的数值模拟研究

利用IAP/LASG GOALS 4.0海气耦合模式,"显式"考虑了硫酸盐气溶胶的直接作用,并且引入德国马普气象研究所的三维浓度分布资料,模拟计算了硫酸盐气溶胶的辐射强迫.主要结果为:全球气溶胶年平均的辐射强迫为-0.29 W m-2,在IPCC TAR给定的范围内,空间分布上具有明显的地域性,几个大值地区分别为东亚、西欧和北美,它们的中心值均超过-1.5 W m-2,南美、澳大利亚以及非洲南部的辐射强迫介于-0.2～-0.4 W m-2之间,而海洋和偏远的大陆地区,则基本上不受人为硫酸盐气溶胶的影响;计算的东亚地区硫酸盐气溶胶的平均辐射强迫为-0.75 W m-2,约为全球平均的2.5倍,为北半球平均的1.6倍.文中还讨论了全球硫酸盐气溶胶对温室气体辐射强迫的减缓作用.     

秋季珠峰复杂地形下地表能量通量卫星遥感研究

依据目前较为成熟的地表能量通量遥感参数化方案,利用2006年9～10月珠峰地区秋季近地面大气梯度实测资料,结合中分辨率成像光谱仪MODIS卫星资料,遥感估算了包括珠峰地区在内的青藏高原南部地区地表能量通量的空间分布情况.结果表明:地表净辐射峰值约为420.0 W·m-2,介于200.0～620.0 W·m-2之间;地热通量峰值约为110.0 W·m-2,介于50.0～180.0 W·m-2之间;感热通量峰值约为270.0 W·m-2,介于120.0～280.0 W·m-2之间;潜热通量峰值约为90.0 W·m-2,介于0.0～250.0 W·m-2之间.由此可见,在高原季风期后的秋季,该地区白天地面加热场主要通过感热传输加热大气,地气之间水汽传输耗热是地表净辐射平衡中的小量.     

人为气溶胶对中国东部冬季风影响的模拟研究

采用美国国家大气研究中心(NCAR)的公共大气模式CAM5.1研究了人为气溶胶排放增加对中国东部冬季风的影响,同时通过对比中国东部地区不同人为气溶胶排放源的敏感性试验结果,探讨了人为硫酸盐、黑碳及总人为气溶胶(硫酸盐+黑碳)增加对东亚冬季风的影响。结果表明:冬季硫酸盐气溶胶排放增加的直接和第一间接效应减少了到达地表的短波辐射通量,引起了陆地地表和对流层低层降温,海平面气压升高,增加了海陆间气压梯度,使得东亚冬季风增强。其第二间接效应导致中国南部大尺度降水率减少;黑碳气溶胶排放增加导致到达地表的短波辐射通量减少和大气中短波辐射通量增加,其半直接效应部分抵消了直接效应,故地表温度变化微小且不显著。加热的对流层低层导致中国南部对流活动和对流降水率增加;总人为气溶胶排放增加导致的大气温度变化表现为弱的降温作用,引起中国北部对流和大尺度降水率减少,而南部对流降水率增加。总人为气溶胶和黑碳气溶胶排放增加是导致中国北(南)部的东亚冬季风增强(减弱)的重要因素。     

浑善达克沙地沙尘气溶胶的辐射强迫

利用2001年春季浑善达克沙地外场观测的辐射资料及大气辐射模式,对沙尘气溶胶的局地辐射强迫进行了分析和模拟估算。计算结果表明,浑善达克沙地大气透过率日变化显著,晴天可达0.80以上,沙尘天气最低在0.01以下;白天沙尘的辐射强迫对地表有冷却作用,夜间起保温作用。观测期间,平均大气透过率为0.6,白天沙尘对地面向下长波辐射的平均强迫增加量为16.76 W.m-2,对地面净辐射能收支的平均强迫减少量为62.76 W.m-2;夜间地表长波辐射净损失量因沙尘作用减少,平均为67.84 W.m-2。     

西北地区气溶胶光学特性及辐射影响

利用SACOL（兰州大学半干旱气候与环境观测站）2006~2012年AERONET（全球气溶胶自动监测网）level 2.0和太阳短波辐射计资料,分析了中国西北地区气溶胶的光学特性与辐射影响。利用辐射传输模式SBDART（平面平行大气辐射传输模式）检验TOA（大气层顶）处辐射强迫为正的原因。BOA（地表）、TOA、Atmosphere（大气）的辐射强迫年均值分别是-59.43 W m-2、-17.03 W m-2、42.40 W m-2,AOD（光学厚度,550 nm）年均值0.37,α（波段的波长指数,440~675 nm）年均值0.91,变化趋势与AOD位相相反,当AOD为0.3~2.2时,α很小（0.0~0.2）,表明粒子尺度很大。SSA（单次散射反照率,675 nm）年均值0.93,g（不对称因子,675 nm）年均值0.68,复折射指数（675 nm）实部年均值1.48,虚部0.007。复折射指数实部的年变化趋势与AOD一致,虚部与AOD反位相,所以西北地区多为粗模态散射性气溶胶。气溶胶对大气的加热率最大值出现在0~2 km,随高度递减。冬、夏半年在地表加热率分别是2.6 K d-1和0.6 K d-1;季节变化中,冬季、秋季、春季和夏季,在地表的加热率依次是2.5 K d-1、1.4 K d-1、1.2 K d-1和0.2 K d-1,主要因为秋季气溶胶的吸收性大于春季。地表反照率和SSA对TOA正辐射强迫贡献率分别是22.5%和77.5%。     

中国及邻近地区污染排放对对流层臭氧变化与辐射影响的研究

利用双向耦合的区域气候模式和大气化学模式系统, 研究了中国与邻近地区人为污染排放引起对流层臭氧变化和产生的辐射强迫.结果表明, 污染排放对对流层臭氧含量的影响有明显的季节变化, 对北方的影响不如南方显著, 西部的季节变化稳定且小于东部, 内陆污染地区各季节臭氧柱含量的变化量均较高.对整个模拟区域而言, 臭氧变化量的年平均值为30.928 DU, 春季最大为32.168 DU, 而空间分布变化在12～38 DU之间.臭氧变化量对北方地区辐射的影响较小, 而对低纬和华东地区影响较大, 臭氧变化量引起的晴空地气系统短波辐射强迫、长波辐射强迫的平均值分别是0.185 W·m-2和0.464 W·m-2, 标准化短波辐射强迫与净辐射强迫值为0.006 W·m-2·DU-1和0.021 W·m-2·DU-1.气候反馈过程对对流层臭氧含量的影响范围在-0.470～0.752 DU之间, 包含气候反馈过程的区域年平均臭氧变化量是30.942 DU.在气候反馈条件下, 臭氧变化量的短波和长波辐射强迫分别是0.249 W·m-2及 0.482 W·m-2, 标准化的短波与净辐射强迫值为0.008 W·m-2·DU-1和0.024 W·m-2·DU-1.臭氧变化量导致地表温度的变化范围在±0.80 K之间.     

民勤地区紫外辐射的观测与模拟研究

利用2010年春季民勤加强观测实验的地面辐射资料,分析了民勤沙漠干旱区总紫外辐射的变化特征,并对该地区的紫外辐射进行了估算和模拟。结果表明,紫外辐射和太阳总辐射表现出一致的变化特征,层云对两者的反射能力比卷云强。2010年6月紫外辐射的瞬时最大值为55.92 W·m-2,平均日总量为1.07 MJ·m-2,紫外辐射与太阳辐射比例的平均值为4.7%,其变化范围在3%~9%之间。根据晴空指数(Kt)与最大紫外辐射(UV0)及太阳总辐射(G)建立了民勤地区紫外辐射(UV)的估算方程:UV=2.94+1.22×(Kt×UV0)和UV=0.047G,均能较好地估计该地区的地表紫外辐射。由于受输入参数精度的限制,辐射传输模式SBDART低估了晴空条件下的紫外辐射,低估的总平均值为1.12 W·m-2(约5.6%),变化范围在-2.8~0.2 W·m-2之间。     

黑河中游间作农田的辐射收支特征分析

利用布设在黑河流域中游的张掖绿洲区的一套自动气象观测系统在2003-2004年的资料,分析了一个完整年度内春小麦和夏玉米间作农田生态系统的辐射收支及其变化特征。结果表明:太阳辐射Rs年平均为192.9 W.m-2.d-1,冬、春季较小,夏、秋季较大。反射辐射Rr平均为37.8 W.m-2.d-1,在土壤裸露时较大,随着作物覆盖度的增大呈下降趋势。地表反射率平均为0.22,在年内的变化趋势与反射辐射Rr基本一致。地面向上长波辐射Rlu和向下长波辐射Rld年平均分别为353.3 W.m-2.d-1和278.0 W.m-2.d-1,两者在1月份最小,从2月开始增大,到7月达到最大,随后持续降低至12月。有效辐射(Rlu-Rld)在农作物主要生长期的5~9月为70 W.m-2.d-1左右,春末夏初增加较大。净辐射Rn全年日均值为79.8 W.m-2,占太阳辐射量Rs的35%。在作物的主要生长季节(5~9月)Rn日平均达141 W.m-2,在无作物生长的季节(1~2月和11~12月),Rn日均值在8 W.m-2左右。光合有效辐射PAR全年累积值为2580.9 MJ.m-2,日均82.7 W.m-2,占太阳辐射量Rs的42.2%。PAR在年度内变化大。在无作物生长季节,PAR日均值一般在40~50 W.m-2。3月PAR迅速增大,日平均值达到78 W.m-2,PAR在7月达到最大,日均值为128 W.m-2。     

近五年来东亚春季黑炭气溶胶分布输送和辐射效应的模拟研究

通过对2000～2004年2～4月东亚地区人为和生物质燃烧排放黑炭气溶胶的模拟,分析5年平均的结果,发现:春季,东亚地区印度、中南半岛、中国东部存在三个显著的黑炭气溶胶大值区,最大柱含量均在1 mg·m-2以上,印度半岛的排放能影响中国南方25°N～30°N之间区域,而中南半岛的排放能影响中国25°N以南的大陆地区.850～700 hPa是中南半岛排放输送进入中国的主要层次.中国华北和东北的排放向东输送影响朝鲜半岛、日本等地,但中国春季的输出量小于境外对中国的输入量;境外注入对中国西部和江南地区影响显著,对中国北方地区影响较小.黑炭气溶胶引起晴空和云天大气顶净向下辐射通量增大,地表净向下辐射通量减小,辐射通量变化最显著地区在中国四川、湖北一带,大气顶辐射通量增大最大为4 W·m-2,地表通量减小最大约-5.5 W·m-2.     

沙尘对南疆沙漠腹地太阳辐射的影响

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中大气环境观测试验站(83°39'E,38°58'N)总辐射、散射辐射和直接辐射的观测资料,分析了塔中大气透明系数变化和沙尘对总辐射、直接辐射、散射辐射的影响。结果表明,10-12月塔中大气透明系数最好,春、夏季最差;晴天大气透明系数最高(0.57),沙尘暴天气最低(0.07)。晴天、浮尘和扬沙天气总辐射最大可达1000 W·m-2以上,而沙尘暴天气最大可达700 W·m-2。晴天散射辐射值大多在400 W·m-2以下,主要集中在100~200 W·m-2范围内;有沙尘的天气大多在600 W·m-2以下。沙尘对直接辐射的衰减最大,晴天、浮尘、扬沙和沙尘暴天气下直接辐射200 W·m-2的概率依次为41.2%,72.5%,78.1%和100%。随着大气中沙尘增多,散射辐射逐渐向高值区域集中。沙尘天气下各辐射日变化曲线波动很大,其中总辐射和直接辐射减小很多;总辐射和散射辐射日变化曲线形态相似、量值接近。大气透明系数与总辐射、直接辐射和散射辐射关系密切。     

中国西北干旱区戈壁下垫面夏季的热力输送

以敦煌戈壁站2004年6月和2008年8月的常规观测和超声观测为例,分析了西北干旱区戈壁下垫面夏季热力输送的一般过程及特征。首先评价了湍流通量的观测质量以及仪器观测的地表能量通量闭合问题,结果表明敦煌戈壁站的观测在白天总体较好。夏季地表能量通量的平均日变化显示,潜热通量整天都很小,可以忽略,白天到达地表的短波辐射以及地表向上的长波辐射非常强,地表净辐射主要转化为感热输送（敦煌戈壁站在中午时平均分别达380W·m-2以上和250W·m-2以上）;夜间土壤释放热量以平衡地表的辐射冷却,感热通量略低于0。白天时地表大气经常触发自由对流活动,影响动量通量的观测质量,并有效输送地表热力至上层大气中,有助于形成超厚大气边界层。分析了戈壁下垫面的动量粗糙度特征和热力粗糙度特征（敦煌戈壁站动量粗糙度约为0．6mm）,热力粗糙度基本小于动量粗糙度一个量级,这符合目前对干旱区戈壁下垫面热力输送特征的初步认识。     

中国东部气溶胶在天气尺度上的辐射强迫和对地面气温的影响

本文应用WRF-Chem(Weather Research and Forecasting—Chemistry)模式研究中国东部地区气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)在天气尺度下的辐射强迫和对地面气温的影响。5个无明显降水时间段(2006年8月23～25日、2008年11月10～12日、2008年12月16～18日、2009年1月15～17日和2009年4月27～29日)的模拟显示,气溶胶浓度呈现显著的白天低,夜间高的日变化特征,且北方区域(29.8°～42.6°N,110.2°～120.3°E)平均PM_2.5近地面浓度(40～80 μg m-3)高于南方区域(22.3°～29.9°N,109.7°～120.2°E,30～47 μg m-3)。气溶胶对地面2 m温度(地面气温)有明显的降温效果,在早上08:00(北京时,下同)和下午17:00左右最为显著,最高可降低约0.2～1 K,同时气溶胶的参与改善了模式对地面气温的模拟。本文还通过对2006年8月23～25日一次个例的模拟,定量分析了气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)的总天气效应(直接效应+间接效应)、直接效应和间接效应分别对到达地面的短波辐射和地面气温的影响。北方区域平均气溶胶直接效应所造成的短波辐射强迫要高于南方区域,分别为-11.3 W m-2和-5.8 W m-2,导致地面气温分别降低了0.074 K和0.039 K。南方区域平均气溶胶间接效应所产的短波辐射强迫高于北方区域,分别为-14.4 W m-2和-12.4 W m-2,引起的地面气温的改变分别为-0.094 K和-0.035 K。对于气溶胶组分,硫酸盐气溶胶的直接效应和间接效应的作用相当,其总效应在北方和南方区域平均短波辐射强迫分别为-7.0 W m-2和-10.5 W m-2,对地面气温的影响为-0.062 K和-0.074 K,而硝酸盐气溶胶的作用略小。黑碳气溶胶使得北方和南方区域平均到达地表的太阳短波辐射分别减少了6.5 W m-2和5.8 W m-2,而地表气温则分别增加了0.053 K和0.017 K,相比于间接效应,黑碳气溶胶的直接效应的影响更加显著。     

甲烷浓度变化的有效辐射强迫及其对气候的影响

利用国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.0,结合IPCC 第五次评估报告给出的最新有效辐射强迫的概念,模拟了自工业革命以来由于人类活动造成的甲烷浓度增加引起的有效辐射强迫及其气候效应。得出如下结论：甲烷浓度增加造成的有效辐射强迫的全球平均值为0.49 W/m²;导致全球平均地表温度上升0.31 ℃,升温主要分布在南北半球中高纬度地区;全球平均降水量增加0.02 mm/d,赤道辐合带降水中心有向北移动的趋势;地表水汽通量的变化使高纬度地区云量增加（约4%）,而中低纬度地区云量减小（约-3%）。     

1961～2005年云贵高原太阳辐射变化特征及其影响因子

利用云贵高原1961～2005年9个日射站辐射和气候观测资料以及能见度观测资料等,采用数理统计方法,研究了该区域到达地表太阳总辐射量(以下简称总辐射)变化特征及其影响因子.结果表明:该区年总辐射的空间分布特点是西部高于东部,丽江站最高(6207MJ·m-2·a-1),遵义站最低(3340MJ·m-2·a-1).1961...     

临安与龙凤山辐射数据质量及初步结果比较

采用国际通用的辐射数据质量评估方法对2005—2011年浙江临安、黑龙江龙凤山两个区域大气本底站辐射观测资料进行质量评估与比较分析。结果表明:两站辐射数据通过物理可能限制检验与极端罕见限制检验的百分比均超过99.5%,但通过相关要素比较限制检验的百分比上,临安与龙凤山站分别降至97.9%与95.9%;双轴定位追踪太阳出现偏差是造成直接辐射与散射辐射数据精度降低的主要原因。CM21表的热偏移在-5 W·m-2以内,而其进行热偏移订正可以显著提高数据的通过率。对应同一太阳天顶角,临安站晴空总辐射与直接辐射均低于龙凤山站,散射辐射则相反,其原因是临安的大气透明系数较低,大气浑浊度较高。2006—2011年,临安站的大气向下长波辐射呈下降趋势,达到了0.01的显著性水平,且其多年平均值 (363.7±59.3 W·m-2) 显著高于龙凤山站 (274.9±77.6 W·m-2);龙凤山站晴空太阳总辐射呈增加趋势,达到了0.1的显著性水平。     

仪器表面加热效应对临泽站开路涡动相关系统CO2通量的影响

LI-7500分析仪仪器表面加热效应对开路式涡动相关系统CO2通量观测结果影响显著,利用Burba校正方法对提高观测站CO2通量观测精度、年净生态系统碳交换量(NEE)估算、全球CO2交换量估算和气候变化模拟等具有重要意义.基于临泽站绿洲玉米农田的开路式涡动相关系统和小气候观测系统所获得的一年数据,利用Burba校正方法分别对LI-7500分析仪光路中的感热通量、大气潜热通量、CO2通量以及NEE的季节变化过程进行了修正.结果表明,LI-7500分析仪底部窗口和支杆部分热量交换是光路中感热通量校正量的主要贡献者,平均分别为6.81 W·m-2和2.68 W·m-2,其加热效应主要来源于太阳辐射和电子元件运行产生的热量;加热效应对潜热通量影响最小,平均校正量仅为0.24 W·m-2;Burba校正对CO2通量和NEE的季节变化影响显著,其平均校正量分别为19.14μg· CO2·m-2·s-1和313.21 mg·C·m-2·d-1,而且气温越低加热效应对通量的影响越显著;除生长季空气中水汽浓度显著高于非生长季而导致潜热校正量较大外,生长季其他各通量的校正量明显小于非生长季,生长季光路中感热、周围大气潜热、CO2通量和NEE日校正量分别为6.94 W·m-2、0.33 W·m-2、12.86 μg·CO2·m-2·s-1和161.58mg·C· r-2·d-1,分别是非生长季的60.4％,220.0％,50.6％和37.4％.若未进行仪器表面加热效应的Burba校正,在生长季和非生长季累计高估的绿洲玉米农田生态系统碳吸收量分别为25.85 g·C·m-2和88.47 g·C·m-2.     

太阳紫外辐射在大气中衰减的探讨

在对北京紫外辐射观测资料分析的基础上,提出了参与光化学反应的物质对太阳紫外辐射能量的吸收作用.计算表明北京地区1990年云天比晴天紫外辐射减少约为21W m-2,此值与CeSS等人的观测结果比较接近.这表明了大气中参与光化学反应的物质对光化辐射能量的吸收基本上等于云对太阳短波辐射的"异常吸收"之值.所以,在辐射传输模式、大气化学模式、气候模式中,应该考虑参与光化学反应的物质对光化辐射能量的吸收作用.     

基于国际大气化学-气候模式比较计划模式数据评估中国沙尘气溶胶直接辐射强迫

目前气候模式对沙尘气溶胶直接辐射强迫模拟仍有很大不确定性,多模式对比有助于定量评估不确定范围。国际大气化学—气候模式比较计划（Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project,ACCMIP）旨在评估当前模式对短寿命大气成分辐射强迫和气候效应的模拟能力。基于7个ACCMIP模式模拟的中国地区沙尘气溶胶浓度,我们评估了中国区域沙尘气溶胶直接辐射强迫和不确定性范围。结果显示,中国区域沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tg a-1,区域年均地表浓度为41±27 μg m-3,柱浓度为9±4 kg m-2,光学厚度为0.09±0.05。中国区域年均沙尘气溶胶产生的大气顶短波、长波和总辐射强迫分别为-1.3±0.8 W m-2、0.7±0.4 W m-2和-0.5±0.7 W m-2;地表短波、长波和总的辐射强迫值为-1.5±1.0 W m-2、1.8±0.9 W m-2和0.2±0.2 W m-2。沙尘气溶胶长波辐射强迫对沙尘浓度的垂直分布敏感。高层沙尘气溶胶浓度越大,其在大气顶产生更强的正值长波辐射强迫。然而,沙尘气溶胶短波辐射强迫主要受整层沙尘柱浓度控制,对沙尘浓度的垂直分布较不敏感。本文结果可为中国沙尘气溶胶的气候模拟提供参考。     

中美半干旱区地表能量通量变化特征比较

为了更为全面的认识中美半干旱区域陆气交换过程中地表能量水分循环机制,选取分别位于亚欧大陆和北美大陆上2个不同的典型半干旱区(中国北方半干旱带和北美半干旱区)作为研究区域,从地表通量交换的分析入手,以期全面深入认识半干旱区气候变化的物理机制和特点,进一步分析认识其干旱化趋势。结果表明,感热通量冬季最小,夏季次之;高净辐射、低土壤含水量的季节感热通量一般较高。在40°N以北的测站,降水较多的季节潜热通量较大。1979-2008年30年间,中国东部、东北部的半干旱地区气候变干,且在年代际尺度上可能具有持续干旱化趋势;北美各站点感热通量的长期变化趋势与温度变化的趋势相符,潜热通量和降水有较好的一致性,但站点并没有一致的变干或变湿趋势。中美半干旱区感热的年际变化和趋势明显受温度和平均土壤含水量的影响。潜热通量的年际变化和降水呈正相关,同时也受到温度变化的影响。     

基于FY-3/IRAS利用非线性模式反演OLR

FY-3系列卫星星载IRAS仪器设有26个通道,其中20个通道用于探测地球大气在红外波段的热辐射,通道辐射率代表了地球大气系统在大气顶的向外辐射光谱信息,与总波段的射出长波辐射（OLR）通量相关性高。该文基于逐线辐射传输模式计算软件LBLRTM对全球2521条大气廓线的大气顶射出辐射率模拟数据,计算了每条廓线的OLR和FY-3B/IRAS,FY-3C/IRAS通道辐射率,用统计回归方法建立了利用IRAS的多通道辐射率计算OLR的非线性理论回归模式;应用模式和FY-3B/IRAS,FY-3C/IRAS的L1级数据,处理得到2016年4月1-30日的全球日平均、月平均OLR格点产品。与Aqua/CERES,Terra/CERES仪器宽波段观测OLR产品对比表明:对于水平分辨率为1°×1°的全球月平均OLR格点产品,均方根误差为2.22 W·m-2,相关系数为0.9982 W·m-2,平均偏差为-0.2 W·m-2,表明FY-3/IRAS仪器定标及反演模式均达到较高水平。文中还回顾了历史上不同气象卫星的多种OLR反演算法模式,并对不同模式精度进行了比较。