东亚旱区气溶胶、云及其相互作用研究进展

东亚干旱半干旱区(简称为“东亚旱区”)是全球干旱带的重要组成部分,该区域水资源短缺,沙尘暴频发,沙尘气溶胶对大气辐射收支和云微物理过程的影响不可忽视。本文回顾了近年来东亚旱区气溶胶及云相关科学问题的研究进展,重点讨论了气溶胶、云特性以及气溶胶-云相互作用问题。东亚旱区大气中的气溶胶以沙尘为主,且春季多于其他季节;同时,该区域云水资源丰富,且以高云为主,夏季云量显著偏多。沙尘气溶胶可直接影响辐射收支对大气产生加热作用,并通过间接和半直接效应对云微物理过程和降水产生影响。由于云微物理观测资料稀缺,加之模式参数化方案的不准确,导致东亚旱区沙尘气溶胶-云相互作用仍存在较大的不确定,减小气溶胶、云所带来的不确定性是未来气候变化研究中亟需解决的科学问题。     

重污染下华南地区小雨和低云量的时空变化趋势特征

利用华南地区51个站点的逐日小雨降水和低云量等气象资料,采用气候趋势系数、一元回归和相关分析等方法,分析了小雨降水和低云量的年际、季节的长期趋势特征,同时结合华南地区气溶胶光学厚度(AOD)、气溶胶指数和国民生产总值(GDP)等资料进行原因探讨。(1) 华南地区小雨日和低云量呈相反的变化趋势(小雨日下降,低云量上升),而且表现为东部高于西部,沿海高于内陆的分布特征。(2) 小雨日和低云量的回归系数分别为-4.88 d/(10 a)和1.17%/(10 a)。(3) 春季和夏季小雨日变化相对较小,但是对年小雨日贡献较大,而低云量四季均呈现相反的上升趋势。(4) 华南地区的两个AOD大值区分别位于广西中部到南部沿海和广东珠三角地区,其中珠三角地区AOD高达0.7以上,气溶胶指数也表现为沿海地区高于内陆地区的分布特征。近27年华南地区的气溶胶指数呈现波动的上升趋势,与同期的小雨日呈负相关关系,而低云量呈正相关关系,近28年华南地区GDP一直处于明显上升趋势,其中以广东省增加最明显。      

气候变化对东亚沙尘气溶胶影响的数值模拟

使用RegCM3-dust区域气候模式,单向嵌套MIROC3．2-hires全球模式输出结果,在IPCCA1B温室气体排放情景下,对中国及东亚地区进行了当代（1991年-2000年）和未来（2091年-2100年）水平分辨率为50km的气候以及沙尘气溶胶数值模拟试验。结果表明,模式对中国地区地面气温、降水和东亚沙尘气溶胶空间分布模拟较好。未来东亚沙尘气溶胶年平均起沙通量增加2％,其中12月-3月由于地表积雪量的减少而增加,4月-11月由于10m风速的减小而减少,不同强度的强起沙事件同样12月-3月增加,4月-11月减少。年平均沙尘气溶胶柱含量增加14％,其中3月-5月和8月略减少,其它月份增加。沙尘气溶胶引起地面（SRF）负辐射强迫和沙尘源区大气顶（TOA）正辐射强迫、下游地区TOA负辐射强迫,受沙尘气溶胶辐射强迫的影响,地面起沙通量和柱含量减少。     

气溶胶-气候耦合模式系统BCC_AGCM2.0.1_CAM气候态模拟的初步评估

本文讨论了国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1和加拿大气溶胶理化模式CAM所组成的耦合模式系统对5种典型气溶胶(硫酸盐、黑碳、有机碳、沙尘和海盐)和气候要素的模拟效果。结果表明,耦合系统对5种典型气溶胶的模拟总体上比较合理,尤其是对硫酸盐、沙尘和海盐的模拟比BCC_AGCM2.0.1原有的月平均气溶胶资料有很大的改进。耦合系统模拟的全球平均气候态参量与观测/再分析资料比较一致,在总云量、陆地表面温度和降水等方面要略优于原月平均气溶胶资料的模拟结果。耦合系统对沙尘和海盐气溶胶模拟的改进使得撒哈拉沙漠和南半球中纬度海洋大气顶净太阳辐射的模拟也有所改进,而这将直接影响地表温度尤其是陆地表面温度。而不同气溶胶方案在赤道海洋上引起的云反馈不仅引起辐射的改变,还将对降水产生明显影响。     

北京沙尘质量浓度与气象条件关系研究及其应用

运用多元线性回归分析的方法对北京沙尘气溶胶质量浓度观测资料和相关气象资料进行了分析,结果表明北京沙尘气溶胶质量浓度与尘暴、浮尘、降水和大风四种气象要素密切相关。在此基础上给出利用常规气象资料计算沙尘气溶胶质量浓度的计算公式,并进一步计算了１９７１～１９９６年北京春季月平均沙尘气溶胶质量浓度。结果表明,从１９１～１９８９年沙尘气溶胶质量浓度总体呈递减趋势;１９９０年以后,沙尘气溶胶质量浓度有所增加。     

东亚地区沙尘气溶胶对降水的影响研究

利用意大利国际理论物理中心区域气候-沙尘耦合模式RegCM4-Dust,模拟研究了东亚地区沙尘气溶胶直接效应对降水的影响。结果表明:(1)沙尘气溶胶导致东亚大部分地区降水减少,平均减幅为4.46%,尤其100。E以东大陆降水减少幅度更为显著;从季节来看,春、冬季降水减幅最显著,夏季最小。(2)从对总降水变化的贡献来看,春季对流性降水和非对流性降水变化相差不大,夏、秋季主要来自对流性降水减少,而冬季主要来自非对流性降水减少。(3)从分级降水来看,沙尘效应主要导致东亚大陆痕量降水日数增加,小、中、大雨的降水日数减少,而微雨和暴雨以上级别降水日数变化不大,但各季存在较大差异。(4)沙尘效应在对流层中低层产生的下沉运动和水汽减少是导致东亚大陆大部分地区降水减少的主要原因。     

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。     

Aerosol absorption optical depth of fine-mode mineral dust in eastern China

由气溶胶自动观测网(AERONET)反演的细模态气溶胶的吸收光学厚度(AAOD)通常被认为是黑碳气溶胶的AAOD,并且通过这种方法得到的黑碳AAOD已经被用在计算黑碳辐射强迫的研究中。但是这种方法是基于如下假设:直径小于1μm的细模态气溶胶和直径大于1μm的粗模态气溶胶对光的吸收主要分别归功于黑碳和沙尘。为了定量描述细模态沙尘气溶胶对全部细模态气溶胶的AAOD的贡献,我们利用地球系统交互模式(CESM)模拟了中国东部(104–122°E,29–41°N)细模态沙尘气溶胶的AAOD。其中,我们根据9个中国气象局大气观测网(CAWNET)站点观测的细模态沙尘地表浓度调整了模拟的细模态沙尘气溶胶的浓度。结果显示,模拟的中国东部年平均细模态沙尘气溶胶的AAOD的值为3.6×10-3,其中AAOD的最大和最小值分别出现在春季和冬季。细模态沙尘气溶胶对总的细模态气溶胶(细模态沙尘、黑碳和有机碳气溶胶的总和)的AAOD的贡献在春季、夏季、秋季和冬季分别为3.4%、25.2%、12.5%和14.9%,其年平均值为15.1%。这些结果显示当利用AERONET反演得到的细模态气溶胶的AAOD来计算中国东部BC气溶胶的辐射强迫时,去除细模态沙尘粒子的影响显得尤为重要。     

1980—2009年中国大陆中东部气溶胶-云-辐射变化及其关系

基于中国大陆中东部484个气象站1980—2009年日照时数、总云量、能见度数据,按区域分析了地表太阳辐射长期变化特征及云量和气溶胶对辐射变化的可能影响,深入理解地表太阳辐射变化趋势成因。中国大陆中东部地区地表太阳辐射呈下降趋势（-0.7 Wm-2/10a）。从季节变化分析,下降趋势主要集中于夏季（-2.7 Wm-2/10a）;从区域分析,下降幅度最大的为华北地区（-3.9 Wm-2/10a）,该区云量不明显上升、能见度明显下降,且地表太阳辐射与云量低频部分相关系数（年代际变率）约-0.25,与气溶胶低频部分相关系数达-0.87,以此推测华北地区地表辐射的长期变化是气溶胶与总云量共同作用的结果。华南地区春季辐射上升（4.2 Wm-2/10a）则归因于总云量的下降（-2.1%/10a）。地表太阳辐射与总云量高频部分的相关系数（年际变率）达到-0.85以上,表明地表太阳辐射的年际短期变率主要贡献是来自于总云量的年际变化。     

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.     

Aerosol optical properties and its radiative forcing over Yulin,China in 2001 and 2002

The aerosol optical properties and direct radiative forcing over the Mu Us desert of northern China, acquired through a CE318 sunphotometer of the ground-based Aerosol Robotic Network (AERONET), are analyzed. The seasonal variations in the aerosol optical properties are examined. The effect of meteorological elements (pressure, temperature, water vapor pressure, relative humidity and wind speed) on the aerosol optical properties is also studied. Then, the sources and optical properties under two different cases, a dust event and a pollution event, are compared. The results show that the high aerosol optical depth (AOD) found in Yulin was mostly attributed to the occurrence of dust events in spring from the Mu Us desert and deserts of West China and Mongolia, as well as the impacts of anthropogenic pollutant particles from the middle part of China in the other seasons. The seasonal variation and the probability distribution of the radiative forcing and the radiative forcing efficiency at the surface and the top of the atmosphere are analyzed and regressed using the linear and Gaussian regression methods.     

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。     

RegCM3引入气溶胶间接气候效应模拟效果对比

利用2006年区域气候模式RegCM3和Streets气溶胶排放源清单,在原模式中引入间接气候效应模块,改进云降水方案,对硫酸盐气溶胶的时空分布、辐射强迫效应进行了模拟研究。结果表明：硫酸盐气溶胶辐射强迫有明显季节变化;直接效应使地表温度降低,冬春季大值区出现在四川盆地,夏季大值区出现在华北平原。对降水的影响,主要表现在西南—东北水汽输送带上降水减少;其间接气候效应主要表现在使南方地区温度上升、北方地区温度下降;珠江流域和黄河流域降水减少,长江流域和东北地区降水增加。总的来说,直接效应大于间接效应。     

The Impacts of Optical Properties on Radiative Forcing Due to Dust Aerosol

There are large uncertainties in the quantitative assessment of radiative effects due to atmospheric dust aerosol. The optical properties contribute much to those uncertainties. The authors perform several sensitivity experiments to estimate the impacts of optical characteristics on regional radiative forcing in this paper. The experiments involve in refractive indices, single scattering aibedo, asymmetry factor and optical depth. An updated dataset of refractive indices representing East Asian dust and the one recommended by the World Meteorology Organization （WMO） are contrastively analyzed and used. A radiative transfer code for solar and thermal infrared radiation with detailed aerosol parameterization is employed. The strongest emphasis is on the refractive indices since other optical parameters strongly depend on it, and the authors found a strong sensitivity of radiative forcing on refractive indices. Studies show stronger scattering, weaker absorption and forward scattering of the East Asian dust particles at solar wavelengths, which leads to higher negative forcing, lower positive forcing and bigger net forcing at the top of the atmosphere （TOA） than that of the WMO dust model. It is also found that the TOA forcings resulting from these two dust models have opposite signs in certain regions, which implies the importance of accurate measurements of optical properties in the quantitative estimation of radiative forcing.     

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%。     

A study of aerosol properties over Lahore (Pakistan) by using AERONET data

It is well established that aerosols affect the climate in a variety of ways. In order to understand these effects, we require an insight into the properties of aerosols. In this paper we present a study of aerosol properties such as aerosol optical depth (AOD), single scattering albedo (SSA) and aerosol radiative forcing (ARF) over mega city of Lahore (Pakistan). The data from Aerosol Robotic Network (AERONET) have been used for the period December 2009 to October 2011. The seasonal average values of AOD, asymmetry parameter (ASY) and volume size distribution in coarse mode were observed to be highest in summer. On the other hand, the average values of Angstrom exponent (AE) and imaginary part of refractive index (RI) were found to be maximum in winter. The average value of real part of RI was found to be higher in spring than in all other seasons. The SSA exhibited an increasing trend with wavelength in the range 440 nm–1020 nm in spring, summer and fall indicating the dominance of coarse particles (usually dust). However, a decreasing trend was found in winter in the range 675 nm–1020 nm pointing towards the dominance of biomass and urban/industrial aerosols. As far as aerosol radiative forcing (ARF) is concerned, we have found that during the spring season ARF was lowest at the surface of Earth and highest at top of the atmosphere (TOA). This indicates that the atmosphere was warmer in spring than in all the remaining seasons.     

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。     

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。