中国地区硫酸盐气溶胶的第一间接气候效应研究

将区域气候模式(RegCM3)与对流层大气化学模拟(TACM)耦合,建立区域气候化学模拟系统(RegCCMS),用以模拟中国地区硫酸盐气溶胶的空间分布、第一间接辐射强迫及其气候效应。研究结果表明,中国地区硫酸盐气溶胶主要集中在四川、河南、山东等地,秋冬季浓度较高而夏季浓度较低。1月份浓度最高值中心在四川,最高达到50μg/m3,而7月则出现在河南等地,浓度最高达10μg/m3。1、4、7、10月硫酸盐气溶胶的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-1.80、-2.75、-3.43、-1.83 W/m2,局部地区可达-12 W/m2。敏感性试验结果表明,硫酸盐气溶胶的第一间接效应引起气温降低,降水减少,在不同季节和地区气温和降水的变化存在明显差异。     

温室气体和硫酸盐气溶胶的辐射强迫作用

对GOALS4 .0海 陆 气耦合模式的相关部分进行了改进 ,主要改进包括温室气体的扩充和硫酸盐气溶胶“显式”方案的引入 ,并引入 2 0世纪温室气体的实际浓度变化以及硫循环模式模拟的硫酸盐气溶胶的三维全球浓度分布 ,模拟了温室气体和硫酸盐气溶胶造成的辐射强迫的空间分布和时间变化。全球平均的温室气体和硫酸盐气溶胶的辐射强迫分别为 2 .17W /m2 和 - 0 .2 9W /m2 ;温室气体造成的辐射强迫在空间上呈现明显的纬向结构 ,最大值 (大于 2 .5W/m2 )和最小值 (小于 1W /m2 )分别位于副热带和两极地区 ,在北半球主要工业区硫酸盐气溶胶的辐射强迫绝对值接近温室气体的辐射强迫值 (大于 - 2 .0W /m2 )。     

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。     

硫酸盐和烟尘气溶胶辐射特性及辐射强迫的模拟估算

利用已有的硫酸盐和烟尘气溶胶折射指数资料，精确计算了这两种气溶胶从太阳短波到红外谱段的辐射特性。然后，在LLNL化学输送模式(CTM)模拟的硫酸盐和烟尘气溶胶资料及改进的气溶胶参数化基础上，在国内首次用GCM估算了这两种气溶胶引起的全球辐射强迫。结果表明:(1)西欧是全球最大的硫酸盐辐射强迫中心，最大值出现在夏季，达-5.0W/m2；(2)烟尘强迫的最大中心出现在夏季的南美和非洲中南部，为4.0W/m2；(3)南半球大陆人为气溶胶的强迫不容忽视；(4)某些地区人为气溶胶的强迫在量值上可与CO2等温室气体引起的强迫相比拟。     

中国硫酸盐气溶胶及其辐射强迫的模拟

根据2000年污染源排放资料,利用中尺度气象模式和欧拉输送模式模拟了中国地区硫酸盐气溶胶的分布,估计了硫酸盐气溶胶对地面—对流层大气系统造成的直接辐射强迫,并估算了间接辐射强迫。结果表明,硫酸盐的分布集中在华中、华东和西南地区;硫酸盐的柱含量、辐射强迫都具有明显的季节变化特征,直接辐射强迫表现为冬春季强,夏秋季较弱,全年平均辐射强迫值为-0.71W·m-2;间接辐射强迫表现为夏秋季强,冬春季弱,全年平均值为-0.48W·m-2。     

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.     

东亚地区云和地表反照率对硫酸盐直接辐射强迫的影响

文中利用区域气候模式深入探讨了东亚地区云及地表反照率对硫酸盐直接辐射强迫的影响 ,同时定量估算了东亚地区云区气溶胶的直接辐射强迫 ,讨论了硫酸盐对地表和大气短波辐射平衡产生的不同影响。研究表明 :云对气溶胶的直接辐射强迫具有很强的减弱作用 ,这种减弱作用不仅取决于云覆盖份数 ,而且取决于云的光学厚度。就区域平均而言 ,文中模拟的东亚地区气溶胶直接辐射强迫为 - 0 .0 97W /m2 ,占总直接辐射强迫的 10 .4%左右。表明云对硫酸盐直接辐射具有很强的减弱作用 ,在估算其总的直接辐射强迫时 ,云区的贡献不可忽视。较高的地表反照率会减弱硫酸盐的直接辐射强迫 ,而较低地表反照率则会增加硫酸盐的辐射强迫。硫酸盐气溶胶对大气辐射平衡影响非常小 ,但对地表辐射平衡产生重要影响 ,影响程度与大气几乎一致。     

中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫及气候效应的数值模拟

分析了MODIS卫星资料反演的2001年我国中东部地区气溶胶光学厚度的时空分布特征，并利用中尺度数值模式MM5对该地区硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应进行了模拟。结果表明:2001年四川盆地、长江中下游地区、黄淮一带及两广等地区气溶胶光学厚度较大。各季光学厚度变化不同，全年以春季最大。地面温度响应呈现出明显的区域季节变化特征，主要表现为冬、春、秋季南方降温幅度明显，夏季北方降温幅度明显。就区域平均而言，2001年中东部地区晴空时气溶胶辐射强迫以春季最大，达-34.53 W/m2；夏季次之，达-22.76 W/m2；冬季再次，达-22.57 W/m2；秋季最小，达-20 W/m2。地面降温则以冬季最大，达-0.65℃；秋季次之，达-0.37 ℃；春季再次，达-0.34 ℃；夏季最小，达-0.09 ℃。     

东亚地区人为硫酸盐的直接辐射强迫

利用三维区域欧拉型硫化物输送模式 ,研究了 90年代中期东亚地区人为硫酸盐柱含量的空间分布。在此基础上 ,利用一个两层多次反射模式估算了东亚地区人为硫酸盐气溶胶直接辐射强迫 ,并分析了辐射强迫的地理分布和季节变化特征。结果表明 ,东亚地区年平均的人为硫酸盐直接辐射强迫约为 - 0 .7W·m-2 。直接辐射强迫空间分布具有明显的季节变化和区域特征 ,辐射强迫的这种变化特征强烈地依赖于人为硫酸盐柱含量的季节变化和区域分布。     

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。     

Indirect Radiative and Climatic Effects of Sulfate and Organic Carbon Aerosols over East Asia Investigated by RIEMS

The indirect radiative and climatic effects of sulfate and organic carbon aerosols over East Asia were investigated using a Regional Integrated Environment Model System (RIEMS) with an empirical aerosol-cloud parameterization.The first indirect radiative forcing was negative and ranged from-9-0 W m-2 in the domain.The maximum cooling,up to-9 W m-2,occurred in the Chongqing District in winter,whereas the cooling areas were larger during summer than in winter.Organic carbon (OC) aerosols were more abundant in winter than in summer,whereas the sulfate concentration during summer was much higher than during winter.The concentrations of sulfate and OC were comparable in winter,and sulfate played a dominant role in determining indirect radiative forcing in summer,whereas in winter,both sulfate and OC were important.The regional mean indirect radiative forcings were-0.73 W m-2 and-0.41 W m-2 in summer and winter,respectively.The surface cooling caused by indirect effects was more obvious in winter than that in summer.The ground temperature decreased by ～1.2 K in most areas of eastern China in winter,whereas in summer,the temperature decreased (～-1.5 K) in some regions,such as the Yangtze River region,but increased (～0.9 K) in the areas between the Yellow and Yangtze Rivers.In winter,the precipitation decreased by 0-6 mm in most areas of eastern China,but in summer,alternating bands of increasing (up to 80 mm) and decreasing (～-80 mm) precipitation appeared in eastern China.     

Why Is the Climate Forcing of Sulfate Aerosols So Uncertain?

l. IntroductionAlthough the aerosol has been recognized as an important factor which has innuence onthe past, present and future climate for a long time, it still has much uncertainty in assessingits climate forcing. The direct radiative forcing of sulfate aerosols has been estimated rangingfrom --0.3 W/ m2 to --0.9 W/ m2 in recent publications (Charlson et al., l992, Kiehl andBriegleb l993; Taylor and Penner 1994, Boucher and Anderson l995, Kieh1 and Rodhe l995;Chuang et al., l997, Penne…     

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。     

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.     

On radiative forcing of sulphate aerosol produced from ion-promoted nucleation mechanisms in an atmospheric global model

A significant fraction of the total number of particles present in the atmosphere is formed by nucleation in the gas phase. Nucleation and the subsequent growth process influence both number concentration of particles and their size distribution besides chemical and optical properties of atmospheric aerosols. Sulphate aerosol nucleation mechanisms promoted by ions have been evaluated here in a tropospheric interactive chemistry-aerosol module for mass and number concentration in a global atmospheric model. The indirect radiative forcing of sulphate particles is assessed in this model; indirect radiative forcing is different for ion-induced (IIN) and ion-mediated (IMN) mechanisms. The indirect radiative forcing in 10-year simulation runs has been calculated as ?1.42?W/m² (IIN) and ?1.54?W/m² (IMN). The 5% emission of primary sulphate particles in simulations changes the indirect radiative forcing from ?1.42 to ?1.44?W/m² for IIN case, and from ?1.54 to ?1.55 W/m² for the IMN case. More precisely, owing to greater nucleation rates, IMN mechanisms produces greater cooling than the IIN mechanisms in the backdrop that both mechanisms produce almost identical distribution of CDNC in their pre-industrial runs. The inclusion of primary particles in simulations with IIN and IMN mechanisms increases both CDNC and the indirect radiative forcing.