卫星遥感中国海域气溶胶直接辐射强迫

利用搭载在Terra卫星上的CERES和MODIS两颗传感器所提供的大气辐射通量和气溶胶数据,结合Fu-Liou辐射传输模式和SPRINTARS气溶胶模式,对中国海域气溶胶在大气顶的短波直接辐射强迫进行了研究.结果表明:(1)在中国海域,CERES的大气顶短波辐射通量与MODIS在550 nm处气溶胶光学厚度(AOT550)存在着非常好的线性相关关系,相关系数0.9左右,说明中国海域气溶胶对于大气顶的短波辐射通量作用是显著的;(2)利用这一线性相关关系,在中国海域,结合CERES和MODIS两颗传感器数据直接计算获取气溶胶瞬时短波直接辐射强迫(Fs).计算发现Fs具有明显的时间变化规律和空间分布特征:在时间上,Fs具有明显的季节变化,春季最大而夏季最小,秋、冬季介于两者之间.在空间上,Fs具有明显的区域分布特征,等值线沿着海岸线分布,随着离岸距离的增加而减小,这一特征说明陆源气溶胶是中国海域气溶胶的主要来源.同时,在数值上,AOT550与Fs在4个季节中都存在着相当好的负相关关系,说明气溶胶减少了进入大气顶的短波辐射,总体来说是"冷室作用";然后,利用Fu-Liou辐射传输模式计算获得修正因子,将卫星获得的Fs转化为日平均短波直接辐射强迫(Fd),得到中国海域的气溶胶日平均短波直接辐射强迫的分布;最后,利用SPRINTARS气溶胶模式的模拟结果,与上述卫星获得的日平均短波直接辐射强迫进行了比较,两者具有非常好的一致性.     

2008年夏季风期间西沙海域海-气通量交换及热量收支

2008年4—10月在中国南海西沙永兴岛近海进行了第4次海-气通量观测试验,获得了整个夏季风期间近海面层湍流脉动量及辐射、表层水温、波浪及距水面3.5、7.0、10.5m高度温、湿、风梯度观测资料,根据涡动相关法和COARE3.0法计算结果研究了2008年南海西南季风爆发、发展、中断、衰退包括暴雨、台风、冷空气影响等天气过程中海-气通量交换和热量收支变化。结果表明:(1)季风爆发前的晴天太阳总辐射强,而海洋失热量较小,热量净收支为较大正值,海面温度迅速升高。季风爆发期太阳总辐射仍然较强,大气长波辐射也有所增强,而海面长波辐射变化很小,故海面净辐射收支仍为正值;(2)季风活跃期特别是降水阶段感热通量增大,季风中断阶段变小;季风活跃期虽然潜热通量增大,由于太阳短波辐射没有减少,海洋净热量收支稍有盈余;中断阶段潜热通量、感热通量减少,海洋吸热大于季风活跃期;降水阶段由于太阳短波辐射减小,感热通量增大,海洋热量收支出现较大负值,海面温度很快降低。季风衰退期风力减弱,湿度减小,潜热通量减小,海洋热量收入又出现较大正值,海面温度回升;(3)台风影响过程中潜热通量随着风速增强迅速增大;感热通量因降水情况不同而有差异,晴天时减小,大雨时剧烈增大;由于太阳短波辐射减少、潜热通量剧增,海洋热量净收支出现负值,促使海面温度迅速降低;(4)动量通量主要与海表面风速有关;动量通量τ与风速V的关系可以表示为τ=0.00171v~2-0.003809v+0.02213。     

大城市气溶胶对光化辐射通量及臭氧的影响研究(Ⅱ)——数值试验分析

城市化已引起大量痕量气态污染物、气溶胶以及臭氧前体物的人为排放,从而引起区域大气化学循环的扰动变化。在分析国内外研究现状与观测实例的基础上,进一步用辐射模式与化学模式研究了气溶胶对到达地面的光化辐射通量以及臭氧形成的影响,表明气溶胶可显著减小到达地面的光化学辐射通量,减缓光化学反应进程,并进一步抑制臭氧的形成;在目前广州等大城市的污染过程中,高浓度的气溶胶可造成光化学辐射通量衰减高达70%~80%,紫外线的衰减比可见光更明显,在可见光波段随波长增大衰减幅度减小,气溶胶层的存在对短波长激发的光化学过程的影响更加显著。分析说明城市污染大气中光化学反应的生成物与反应物之间存在自抑制过程,在目前的城市群复合污染情况下,气溶胶与臭氧之间的非线性相互作用值得关注。     

近地层辐射过程与雾微结构的相互作用特征

利用2006-2009年南京郊区（32°12’N,118°42’E,25ma．s．1）冬季雾综合观测资料,分析了近地层辐射特征与雾微物理结构的相互作用。结果表明,净辐射通量密度介于-50～＋25W·m12时,雾层中雾滴数浓度逐渐增加,且雾滴半径越小,雾滴数密度增大越显著。近地层辐射冷却或弱增温,有利于雾滴活化和凝结增长。地面辐射增温较强时,雾滴数浓度和不同尺度雾滴数密度均减少,且雾滴半径越小,雾滴数密度减小得越快。太阳短波反射率的变化主要受雾滴数浓度、平均半径和液态含水量的影响。雾过程中,雾滴数浓度和液态含水量每增大100cm-3和0．001g·m-1。引起的太阳短波反照率的增量分别为5．29×10-3和1．18×10-4。     

典型站点气溶胶对云特性的影响

结合Cloud Sat对云的主动观测和MODIS(MODerate-Resolution Imaging Spectroradiometer)对气溶胶的被动反演,研究了典型站点气溶胶对云的宏观、微观和辐射特性的影响。结果表明,气溶胶对大陆性和海洋性站点的云均有显著影响。1)随气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)增加,水汽含量较弱站点的低层(高层)云量呈减小(增加)趋势,而水汽条件较强站点的各层云量均增大,且具有较高(较低)云顶的云层发生概率在各个站点都呈增加(减小)趋势。2)AOD的增大导致各站点云滴和冰晶粒子的有效半径均减小、大气层顶的短波和长波云辐射强迫均增强、短波云辐射强迫绝对值的加强更显著、长波云辐射强迫增加的幅度相对更大。3)气象要素在AOD大(小)值情况下的变化表明,大尺度动力条件并不能解释云的上述特性随AOD的显著改变。     

考虑湿度影响的城市气溶胶粒子白天温度效应

利用一维晴空大气边界层模式，在详细计算气溶胶短波辐射增温率的 基础上，研究了环境相对湿度和气溶胶粒子浓度对边界层气溶胶白天温度效应的影响。 结果表明，相对湿度的增加与气溶胶粒子浓度的增加在边界层中具有一致的温度效应， 均使边界层中上层增温，近地层降温，从而稳定度增大。     

黄土高原陆-气相互作用预试验及其晴天地表能量特征分析

详细介绍了在2004年8月24日～9月11日在甘肃平凉进行的陆-气相互作用野外预试验,对观测仪器进行了对比和标定,并利用观测资料,初步分析了黄土高原塬上裸地、塬上和塬下玉米地的地表净辐射各分量、感热、潜热和地热流的特征。由于作物（玉米）的存在,降低了地表反射率,使白天地面向上短波减少,同时向上长波也减少,增大了地表净辐射,地表潜热明显增大,玉米地白天向下的地热流和夜晚向上的地热流都比裸地小。与塬上相比,塬下玉米地的向下短波略小,向上短波明显偏小,向上长波基本一致;净辐射只在中午附近略小,地热流上午偏小,下午偏大,夜晚基本一致;感热和潜热在白天基本一致;塬下玉米地在凌晨明显存在负感热通量。     

一次沙尘天气过程中沙尘气溶胶对辐射的影响

沙尘气溶胶对辐射有显著影响,利用耦合了Shao2004起沙参数化方案的WRF/Chem(大气/化学全耦合模式),模拟分析了沙尘天气过程中沙尘气溶胶对辐射的影响。结果发现沙尘气溶胶可以导致地面向下的短波辐射通量减小42.51%,平均减小-3.30~-49.46 W·m~(-2),最大可达-162.67 W·m~(-2);沙尘气溶胶可以通过自身向外发射长波辐射,导致地面向下的长波辐射通量增大,地面向下的长波辐射通量平均增加为17.49~50.49 W·m~(-2),最大可达99.17 W·m~(-2)。当PM10浓度为10~20 mg·m-3,沙尘气溶胶能够减小地面向下的长波辐射通量,即沙尘气溶胶在该地区对大气具有"保温"作用;白天沙尘气溶胶主要增加大气层顶向上的长波辐射通量,夜间则减少大气层顶向上的长波辐射通量,大气层顶向外的长波辐射通量平均变化为-25.29~28.83 W·m~(-2),最大可达87.22 W·m~(-2)。     

阿尔卑斯山杉林冠层影响辐射传输的个例分析

利用瑞士Alptal观测站杉树林冠层上方、下方的辐射观测资料,分析了冠层对短波辐射的减弱及对长波辐射的增幅作用及其季节变化。结果表明,对比较密集的常绿针叶林,冠层对入射短波辐射的透过率随着太阳高度的降低而减小,春季以后趋于稳定;冠层对长波辐射的增幅作用随天气状况而变化,这种增幅作用在晴空条件下最显著,可达1.5倍。在冬季,因为太阳辐射较弱,冠层对长波辐射的增幅作用超过对短波辐射的减弱从而增加地面净辐射。在其它季节,太阳辐射比较强,冠层对短波辐射的减弱超过对长波辐射的增幅作用而减少地面净辐射。地面净辐射与冠层上方气温的变化趋势虽然在有些时段一致,但在伴随降雪过程的降温时段,地面净辐射与气温的变化趋势近乎反相,在积雪融化时段,地面净辐射的增加比气温升高更显著,尤其是在白天。     

不同形状冰晶权重假定对冰云光学和辐射特性的影响

在BCC_RAD辐射传输模式和包含多形状冰晶粒子的冰云光学性质参数化方案的基础上,详细分析了不同冰晶粒子权重选取对冰云光学和辐射特性的影响。结果显示,不同形状冰晶粒子权重的选取对长波带平均消光系数、单次散射比、不对称因子和短波带平均不对称因子均有较大的影响。冰晶粒子权重选取对长波辐射通量有很大影响:对长波向下辐射通量,权重选择不同可在云底处造成高达10.50 W/m2的差别;对长波向上辐射通量,权重选择不同可在云顶处造成高达15.05 W/m2的差别。冰晶粒子权重选择对短波辐射通量也存在较大影响:对短波向下辐射通量,权重选择不同可在云底处造成高达12.48 W/m2的差别;对短波向上辐射通量,权重选择不同可在云顶处造成高达10.23 W/m2的差别。冰晶粒子权重选择对长波加热率影响较大,在云顶处和云底处分别可达1.31和-2.06 K/d。研究表明,不同形状冰晶粒子权重的选取对冰云光学性质和辐射计算均有较大的影响,在长波区间尤其明显。      

利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性

利用微脉冲激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318, 在兰州观测分析了2007年3月27~29日扬沙过程沙尘气溶胶辐射特性, 并利用HYSPLIT-4模式分析了沙尘过程气溶胶粒子的后向轨迹。分析表明, 此沙尘过程气溶胶粒子的传输路径主要有两条： 一条起源于青海西北经西宁抵兰州, 另一条起源于塔克拉玛干沙漠经河西走廊抵兰州; 沙尘气溶胶主要集中于离地1.5 km高度层内; 沙尘气溶胶消光系数随高度先增加, 到0.2 km左右高度达到最大, 然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型, 最高峰出现在28日12:00, 次高峰在27日22:00。验证表明由CE370-2得到的气溶胶光学厚度与CE-318得到的很接近; 雷达观测资料的处理方法可以较好地反演气溶胶消光系数和光学厚度。     

中国地区沙尘气溶胶输送过程的数值模拟

本文建立了一个包含沙尘起沙、输送、干沉积和湿沉积过程的气溶胶输送扩散模式．并和中尺度气候模式RIEMS相连接研究了1998年1月、4月、7月和1997年10月的沙尘起沙、输送、干沉积和湿沉积的过程。计算1998年1月、4月、7月和1997年10月气溶胶浓度及其分布．并和这四个月份的平均起沙分布以及北京、郑州和南京的实例沙尘分布作了比较．结果表明我国起沙多发生在春季．同时春季也是我国沙尘强度最大的季节。沙尘在我国西北的沙地和沙漠地区起沙后．向我国的东南方向输送．在输送过程中沙尘浓度逐渐降低。     

2006年北京春季气溶胶吸收系数的分离研究

对2006年春季北京城区大气气溶胶中沙尘和黑碳气溶胶吸收系数的波长指数及其对总吸收系数的贡献进行了估算。结果表明：2006年春季北京城市地区测点,黑碳气溶胶吸收系数随波长的变化呈指数递减,假设某些天的气溶胶吸收无沙尘的贡献,估算的波长幂指数a＝-0.92。另外,计算了北京3次浮尘天气下沙尘气溶胶对吸收系数（520 nm波段）的贡献,计算表明,在浮尘天气影响期间,沙尘气溶胶对吸收系数的贡献平均为32.8%,黑碳气溶胶仍是浮尘影响期间城市气溶胶吸收消光的主要物质。     

Effect of particle shape on dust shortwave direct radiative forcing calculations based on MODIS observations for a case study

Assuming spheroidal and spherical particle shapes for mineral dust aerosols, the effect of particle shape on dust aerosol optical depth retrievals, and subsequently on instantaneous shortwave direct radiative forcing (SWDRF) at the top of the atmosphere (TOA), is assessed based on Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data for a case study. Specifically, a simplified aerosol retrieval algorithm based on the principle of the Deep Blue aerosol retrieval method is employed to retrieve dust aerosol optical depths, and the Fu-Liou radiative transfer model is used to derive the instantaneous SWDRF of dust at the TOA for cloud-free conditions. Without considering the effect of particle shape on dust aerosol optical depth retrievals, the effect of particle shape on the scattering properties of dust aerosols (e.g., extinction efficiency, single scattering albedo and asymmetry factor) is negligible, which can lead to a relative difference of at most 5% for the SWDRF at the TOA. However, the effect of particle shape on the SWDRF cannot be neglected provided that the effect of particle shape on dust aerosol optical depth retrievals is also taken into account for SWDRF calculations. The corresponding results in an instantaneous case study show that the relative differences of the SWDRF at the TOA between spheroids and spheres depend critically on the scattering angles at which dust aerosol optical depths are retrieved, and can be up to 40% for low dust-loading conditions.     

热红外通道沙尘识别及敏感性分析

沙尘识别是沙尘灾害监测和沙尘气溶胶特性研究的首要工作。利用辐射传输方程进行了沙尘气溶胶的辐射计算，对不同沙尘气溶胶光学厚度下的热红外通道温差ΔT（T_11μm-T_12μm）的变化进行了分析，并针对水汽和陆地表面温度进行了敏感性分析。发现随着沙尘气溶胶光学厚度的增加，ΔT逐渐减小。理论分析表明，利用热红外通道的温度差ΔT进行陆地沙尘识别是可行的。进一步，利用NOAA-AVHRR热红外通道的温度差ΔT < 0进行了3次陆地沙尘识别，经与地面气象站观测的沙尘天气现象相比较，结果基本一致。     

2006年北京春季气溶胶吸收系的分离研究

A statistic regression approach was used to estimate the wavelength exponents of black carbon(BC)and dust particles,and further to separate the contributions of the two types of aerosols to the total light absorption coefficient measured in the Beijing urban area in the spring of 2006.The results show that the wavelength exponent(α)of black carbon aerosol at urban site was approximately-0.92.which is in agreement with the value of-0.8±0.2 reported in related studies.The decoupling analysis of the measured light absorption coefficients during the three floating dust periods(March 25,March 27,and April 9)demonstrates that,on average,the light absorption caused by dust particles took up about 32.8% of the total light absorption at 520 nm wavelength,and by black aerosol more than 60%.This indicates that the black carbon was still the major contributor to the total aerosol light absorption in Beijing urban area even during the floating dust periods.     

黄土高原南部末次冰期以来沙尘气溶胶的气候效应

沙尘气溶胶是地球上分布最广的自然气溶胶类型之一,也是气候系统中的重要成分。沙尘天气严重影响人类生产、生活和居住环境,对气候变化也存在显著作用。近年来,沙尘气溶胶的气候效应得到越来越多的关注和研究,但人们的工作主要集中在对现代沙尘气溶胶的研究,而对过去沙尘气溶胶气候效应的研究不多。本研究利用黄土粒度及沉积特征,根据现代沙尘暴的沉降特点,研究了60 kaB.P以来中国黄土高原南部地区沙尘气溶胶的辐射效应,结果表明：1）沙尘气溶胶产生的辐射效应主要表现在造成行星系统太阳辐射反射量的普遍增加,即沙尘过程具有明显的降温效应。2）气候效应上主要表现为对气候的负反馈。由沙尘粒度引起的行星反照率在全新世适宜期达最大值,而在冰期有最小值出现;在气候降温事件中,沙尘气溶胶造成行星反照率降低;每一次降温事件发生时气溶胶的降温效应会相应减弱。约60 kaB.P以来沙尘气溶胶给年均温度带来的影响是使其平均降幅在－0.8 K左右。3）利用黄土的粒度分布,结合现代气溶胶的观测可以估算地质时期沙尘气溶胶的气候效应。     

Vertical distributions of aerosol optical properties during haze and floating dust weather in Shanghai

A comparative study on the vertical distributions of aerosol optical properties during haze and floating dust weather in Shanghai was conducted based on the data obtained from a micro pulse lidar.There was a distinct difference in layer thickness and extinction coefficient under the two types of weather conditions.Aerosols were concentrated below 1 km and the aerosol extinction coefficients ranged from 0.25 to 1.50km^-1 on haze days.In contrast,aerosols with smaller extinction coefficients(0.20 0.35 km^-1) accumulated mainly from the surface to 2 km on floating dust days.The seasonal variations of extinction and aerosol optical depth（AOD） for both haze and floating dust cases were similar greatest in winter,smaller in spring,and smallest in autumn.More than 85%of the aerosols appeared in the atmosphere below 1 km during severe haze and floating dust weather.The diurnal variation of the extinction coefficient of haze exhibited a bimodal shape with two peaks in the morning or at noon,and at nightfall,respectively.The aerosol extinction coefficient gradually increased throughout the day during floating dust weather.Case studies showed that haze aerosols were generated from the surface and then lifted up,but floating dust aerosols were transported vertically from higher altitude to the surface.The AOD during floating dust weather was higher than that during haze.The boundary layer was more stable during haze than during floating dust weather.     

Episode Simulation of Asian Dust Storms with an Air Quality Modeling System

A dust deflation module was developed and coupled with the air quality modeling system RAMS-CMAQ to simultaneously treat all the major tropospheric aerosols（i.e.,organic and black carbons,sulfate,nitrate, ammonia,soil dust,and sea salt）.Then the coupled system was applied to East Asia to simulate Asian dust aerosol generation,transport and dry/wet removal processes during 14-25 March 2002 when two strong dust storms occurred consecutively.To evaluate model performance and to analyze the observed features of dust aerosols over the East Asian region,model results were compared to concentrations of suspended particulate matter of 10μm or less(PM₁₀;1-h intervals) at four remote Japanese stations and daily air pollution index （API） values for PM₁₀ at four large Chinese cities.The modeled values were generally in good agreement with observed data,and the model reasonably reproduced two dust storm outbreaks and generally predicted the dust onset and cessation times at each observation site.In addition,hourly averaged values of aerosol optical thickness（AOT） were calculated and compared with observations at four Aerosol Robotic Network （AERONET） stations to assess the model’s capability of estimating dust aerosol column burden.Analysis shows that modeled and observed AOT values were generally comparable and that the contribution of dust aerosols to AOT was significant only with regard to their source regions and their transport paths.     

北京2004年一次强沙尘暴过程的辐射特征研究

利用2004年3月27～29 日北京沙尘暴期间观测的辐射、气象以及气溶胶质量浓度的资料,分析了该过程的地面辐射、气象要素以及气溶胶与辐射相互作用的变化特征.结果表明,沙尘暴期间紫外辐射的衰减与可见光辐射强度衰减规律不一致.紫外衰减主要受到细粒子浓度影响,同时紫外辐射占总辐射的比重与气溶胶中细粒子含量成负相关;而可见光辐射强度衰减与总辐射衰减同步.辐射变化和气溶胶质量浓度观测结果均表明,此次沙尘暴过程分为3个阶段,即,细粒子累积期、外地沙尘输入期和清除期.在沙尘暴期间地面一直维持一个低压、干冷的状态;当过程结束后,气压急剧增高,并在一段时间内处于高压控制之下.