中国有机碳气溶胶时空分布与辐射强迫的模拟研究

利用区域气候模式RegCM3模拟研究2000年我国有机碳气溶胶的时空分布特征和辐射效应,得出以下结论:有机碳气溶胶主要分布在我国黄河以南、青藏高原以东的广大区域,且柱含量由南向北递减;柱含量最大值可达3 mg/m2以上,出现在华南、中南、云贵、四川和西藏东南部。另外,柱含量分布有着明显的季节性,冬季最大,春季次之,夏季最小。在此基础上,本文还对有机碳气溶胶的柱含量时空分布变化的原因进行了分析。有机碳气溶胶在大气顶和地表均产生负的辐射强迫,其分布特征与柱含量分布特征基本一致,而且大气顶和地表的辐射强迫都具有明显的季节变化。模拟的大气顶辐射强迫在-0.1～-0.5 W/m2之间,与IPCC估计的有机碳气溶胶的辐射强迫数值-0.41 W/m2相当,说明区域气候模式RegCM3中有关有机碳气溶胶的参数化方案是比较合理的。     

黑碳气溶胶直接辐射强迫及其对中国夏季降水影响的模拟研究

利用NCAR的全球大气模式CAM3分析了黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布及其季节变化,重点讨论了云对黑碳气溶胶直接辐射强迫的影响,以及黑碳气溶胶对中国夏季降水的影响。结果表明：黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布范围和强度都具有明显的季节变化。有云条件下,黑碳气溶胶在大气顶产生正的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为＋0.33 W·m－2;在地表产生负的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为－0.56 W·m－2。晴空条件下,黑碳气溶胶在大气顶和地表的全球年平均辐射强迫值分别为＋0.21 和－0.71 W·m－2。云的存在对黑碳气溶胶的辐射强迫产生了很大的影响,使大气顶的正辐射强迫增加,地表的负辐射强迫减小。黑碳气溶胶导致夏季中国北方30°N～45°N之间区域降水明显增加;而中国长江以南地区除了海南和广西的部分城市外,降水明显减少。模拟结果表明,中国夏季近50年来经常发生的南涝北旱并非由黑碳气溶胶引起。     

中国地区大气气溶胶辐射强迫及区域气候效应的数值模拟

利用太阳直接辐射日总量和日照时数等多年观测资料,反演了中国地区大气气溶胶0.75 μm光学厚度的年、月平均值,分析了我国大气气溶胶状况的时空分布特征。据此,在中国区域气候模式中考虑气溶胶的辐射影响,模拟中国地区气溶胶直接辐射强迫的大小及气候响应的季节变化特征。计算结果表明: 我国大气气溶胶光学厚度多年平均分布状况是以四川盆地为大值中心向四周减少;长江中下游武汉附近和南疆盆地为另两个大值中心;青藏高原为气溶胶低值区;我国绝大部分地区春季气溶胶光学厚度值最大,各地气溶胶光学厚度最小值出现的季节则有所不同。气溶胶辐射强迫介于-5.3～-13 W/m2之间;辐射强迫具有春、夏季大,秋、冬季小,冬季南方偏大,夏季北方偏大的特征。气溶胶辐射强迫的分布与其光学厚度的分布基本一致。由于气溶胶的影响,中国大陆地区地面气温均有所下降,四川盆地到长江中下游地区以及青藏高原北侧到河套地区降温最为明显,分别可达-0.4℃和-0.5℃。气候响应具有明显的季节特征。地面气温的变化除与辐射强迫的大小有关外,还受大气环流的影响。     

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。     

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。     

不同污染条件下气溶胶对短波辐射通量影响的模拟研究

将高光谱分辨率的气溶胶光学参数化方案应用于高精度的辐射传输模式BCC_RAD（974带）中,研究不同污染状况下气溶胶在地表与近地层大气中造成的直接辐射强迫与辐射强迫效率。发现气溶胶在地表产生的直接辐射强迫为负,在近地层大气中产生的直接辐射强迫为正,且随气溶胶浓度的升高变大,说明大气气溶胶的含量越高,单位气溶胶光学厚度产生的直接辐射强迫越大。将短波划分为3个波段:紫外、可见光和近红外,发现在紫外、可见光和近红外波段中,不同污染状况下气溶胶在地表造成的直接辐射强迫范围分别为:-1.36—-13.66、-3.03—-32.41和-2.74—-28.62 W/m2,在近地层大气中产生的直接辐射强迫范围分别为0.44—4.26、0.99—9.80和0.93—8.87 W/m2。通过进一步对比自然和人为气溶胶的影响,发现人为气溶胶在地表和大气层顶产生的负直接辐射强迫以及对整层和近地面大气造成的正直接辐射强迫均大于自然气溶胶的影响,且上述两种排放源的气溶胶对整层大气辐射收支的影响主要集中在800 hPa高度以下的大气中。按照地表直接辐射强迫大小来分析不同种类气溶胶的影响,结果为硫酸盐>有机碳>黑碳>海盐>沙尘;按照近地层大气直接辐射强迫大小排序则为黑碳>有机碳>沙尘>海盐>硫酸盐。最后,通过分析散射型气溶胶与吸收型气溶胶对辐射通量的影响,还探究了大气中散射与吸收过程的异同。      

中国大陆和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究

黑碳(BC)气溶胶(简称黑碳)对区域和全球气候变化具有重要影响。为了进一步认识亚洲地区黑碳的区域气候效应，本文使用新一代的区域气候—化学模式RegCM4，研究了来自印度和中国大陆的黑碳排放对东亚冬季气候的影响。结果表明：来自中国大陆和印度的黑碳排放可导致东亚地区黑碳的区域平均柱含量、大气顶和地表有效辐射强迫分别变化了+1.78 mg m^-2、+1.98 W m^-2和-2.17 W m^-2。中国大陆和印度黑碳对东亚气候的影响机制相同。印度黑碳对东亚冬季气候的影响主要通过对大气动力过程的调整来实现，由此造成的散射气溶胶浓度增加可导致该区域850 hPa附近和地表气温降低，而中国大陆的黑碳还可直接影响东亚气候，其加热效应可导致该区域大部分地区850 hPa附近的气层变暖。由于中国大陆黑碳在东亚地区占主导，其在影响东亚区域气候变化方面发挥着更重要的作用。总体而言，两地总的黑碳会造成850 hPa高度附近云量减少和气温升高；地表日照时数减少，气温、感热通量和地表蒸发量下降；边界层高度降低和散射气溶胶的柱含量上升。研究结果还进一步反...     

利用MODIS-GOCART气溶胶资料研究中国东部地区气溶胶直接辐射强迫

利用MODIS-GOCART同化的2001年逐月气溶胶光学厚度资料，在修改区域气候模式RegCM2辐射方案的基础上，连续积分5年获得平均的中国东部地区气溶胶短波和长波直接辐射效应，并通过数值试验研究了气溶胶垂直分布对辐射强迫及其气候响应的影响。结果表明：气溶胶的短波辐射效应能冷却地表、加热大气；长波辐射效应能加热地表、冷却大气；大气顶净辐射强迫年平均为-4．1W／m^2；辐射强迫绝对值在春季最大，夏季次之，冬季最小；模拟区域中最大辐射强迫值主要位于华北、华南地区及四川盆地；气溶胶垂直分布是影响气溶胶辐射强迫的重要因素。总体上气溶胶层越靠近地面，大气顶辐射强迫绝对值越大，地表辐射强迫绝对值越小，大气顶辐射强迫对垂直分布较敏感；气候系统的反馈作用会放大气溶胶垂直分布对辐射气候效应的影响。     

硫酸盐气溶胶直接辐射效应在线与离线模拟方法的比较

利用区域气候模式RegCM 2与大气化学模式连接的模拟系统 ,比较了硫酸盐气溶胶辐射强迫的在线、离线模拟方法的硫酸盐柱含量、大气顶直接辐射强迫及地表温度响应。发现 :在线与离线模拟方法得到的硫酸盐柱含量、有无反馈大气顶直接辐射强迫和地表温度响应在许多地区有很大差异 ,这种差异在较小区域平均的尺度上更显著 ,在全区域平均尺度上也较为明显 ,是不能被忽略的 ;结果显示从硫酸盐含量到辐射强迫和地表温度响应逐渐加大的差异 ,说明硫酸盐气溶胶的辐射强迫与模拟方法有关 ,显示出较大的不确定性。     

人为气溶胶的直接辐射效应及其对南亚冬季风的影响

运用区域气候模式RegCM4.0(Regional Climate Model Verson 4.0)耦合入一个化学过程,对硫酸盐、黑碳、有机碳这3种人为气溶胶的时空分布特征和直接辐射效应进行了数值模拟,进而研究了气溶胶对南亚冬季风的影响。结果表明:光学厚度和地表短波辐射强迫的时空变化可能主要受硫酸盐气溶胶的影响。在南亚夏季风向冬季风转换时期和南亚冬季风盛行时期,大气层顶和地表的负短波辐射强迫分布与气溶胶分布基本一致,地表辐射强迫强度绝对值比大气层顶辐射强迫强度绝对值大得多。相关分析和合成分析表明:在南亚夏季风向冬季风转换时期和南亚冬季风盛行时期,南亚人为气溶胶主要分布区中的气溶胶柱浓度含量与南亚冬季风的建立和强度有反相关关系。这与气溶胶吸收太阳辐射,从而引起气温和位势高度的变化有关。     

SIMULATION OF SPATIO-TEMPORAL DISTRIBUTION CHARACTERISTICS AND RADIATIVE FORCING OF ORGANIC CARBON AEROSOLS IN CHINA

The International Centre for Theoretical Physics(ICTP,Italy) Regional Climate Model version 3.0(RegCM3) is used to simulate spatio-temporal distribution characteristics and radiative forcing(RF) of organic carbon(OC) aerosols in and around China.The preliminary simulation results show that OC aerosols are mostly concentrated in the area to the south of Yellow River and east of Tibetan Plateau.There is a decreasing trend of column burden of OC aerosols from south to north in China.The maximum value of column burden of OC aerosols is above 3 mg/m2 and located in the central and southern China,southeastern Tibet,and southwestern China’s Yunnan,Guizhou,Sichuan provinces.The simulation on the seasonal variation shows that the maximum value of column burden of OC aerosols appears in winter and the secondary value is in spring and the minimum in summer.The RF of OC aerosols which varies seasonally is negative at the top of the atmosphere(TOA) and surface.The spatio-temporal characteristics of the RF of OC aerosols are basically consistent with that of IPCC,implying the high accuracy of the parameterization scheme for OC aerosols in RegCM3.     

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.     

东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫及其气候效应的数值模拟

利用耦合化学过程的区域气候模式RegCM3,模拟研究3种主要人为排放气溶胶(硫酸盐、黑碳、有机碳)对东亚区域气候的影响.计算分析近20 a来3种气溶胶的时空分布、综合辐射强迫作用及其对地面气温和降水的影响.模拟结果表明:3种气溶胶冬夏季分布有所不同,冬季气溶胶大值区主要分布在南方地区,而夏季大值区北移;气溶胶短波辐射强迫在大气层顶和地面均为负值;气溶胶的加入对东亚地区地表气温有明显影响,冬季降温中心位于四川盆地,夏季降温大值区位于华北地区.气溶胶直接气候效应使得冬季东亚大部分地区降水减少,夏季东亚地区降水与中国南方地区夏季气溶胶浓度有较好的相关关系,中国东部雨带有南移趋势.     

Direct Radiative Forcing and Climatic Effects of Aerosols over East Asia by RegCM3

The authors used a high-resolution regional climate model(RegCM3) coupled with a chemistry/aerosol module to simulate East Asian climate in 2006 and to test the climatic impacts of aerosols on regionalscale climate.The direct radiative forcing and climatic effects of aerosols(dust,sulfate,black carbon,and organic carbon) were discussed.The results indicated that aerosols generally produced negative radiative forcing at the top-of-the-atmosphere(TOA) over most areas of East Asia.The radiative forcing induced by aerosols exhibited significant seasonal and regional variations,with the strongest forcing occurring in summer.The aerosol feedbacks on surface air temperature and precipitation were clear.Surface cooling dominated features over the East Asian continental areas,which varied in the approximate range of-0.5 to-2°C with the maximum up to-3-C in summer over the deserts of West China.The aerosols induced complicated variations of precipitation.Except in summer,the rainfall generally varied in the range of-1 to 1 mm d-1 over most areas of China.     

Regional Climate Effects of Internally and Externally Mixed Aerosols over China

A regional climate model is employed to simulate the aerosols(dust,sulfate,black carbon,and organic carbon) and their direct effect on the climate over China.The emphasis is on the direct radiative forcing due to the change in mixing state of aerosols.The results show that direct radiative forcing is significantly different between externally and internally mixed aerosols.At the top of the atmosphere(TOA),the radiative forcing of externally mixed aerosols is larger than that of internally mixed ones,especially in the Tarim desert region where the difference is about 0.7 W m 2.At the surface,however,the situation becomes opposite,especially in the Sichuan basin where the difference is about-1.4 W m 2.Nonetheless,either externally or internally mixed aerosols in China can result in a significant cooling effect,except for the warming in South China in winter and the slight warming in North China in February.The cooling effect induced by externally mixed aerosols is weaker than that induced by internally mixed aerosols,and this is more obvious in spring and winter than in summer and autumn.In spring and summer,the inhibiting effect of externally mixed aerosols on precipitation is less than that of internally mixed aerosols,whereas in autumn and winter the difference is not obvious.     

中国地区黑碳气溶胶的第一间接辐射强迫与气候效应

将区域气候模式（RegCM3）与对流层大气化学模式（TACM）耦合, 建立区域气候化学模拟系统（RegCCMS）, 用以模拟研究中国地区黑碳气溶胶的空间分布、 第一间接辐射强迫及其气候效应。利用RegCCMS模式对2003年1月和7月进行模拟, 结果表明, 我国黑碳气溶胶主要集中在四川、 河北、 山东等地, 1月份浓度最高值中心在四川, 达到4 μg·m-3; 而在7月则出现在华中地区, 高值中心值为3.5 μg·m-3。地面浓度的季节差异不是很明显。1月和7月由黑碳气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-0.389 W·m-2和-1.18 W·m-2, 局部地区达到-4～-4.5 W·m-2。敏感性试验结果表明, 考虑黑碳气溶胶的第一间接气候效应后, 使得近地面气温下降, 降水减少, 1月变化的平均值分别为-0.025K和-0.0027 mm·d-1, 7月变化的平均值分别为-0.16K和-0.095 mm·d-1, 在不同季节和地区, 气温和降水的变化存在明显差异。     

A Modeling Study of the Climate Effects of Sulfate and Carbonaceous Aerosols over China

In this paper, the RIEMS 2.0 model is used to simulate the distribution of sulfate, black carbon, and organic carbon aerosols over China (16.2°-44.1°N, 93.4°-132.4°E) in 1998. The climate effects of these three anthropogenic aerosols are also simulated. The results are summarized as follows: (1) The regional average column burdens of sulfate, BC, OC, and SOC were 5.9, 0.24, 2.4, and 0.49 mg m-2, with maxima of 33.9, 1.48, 7.3, and 1.1 mg m-2, respectively. The column burden and surface concentration of seco...     

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%。     

Present-day contribution of anthropogenic emissions from China to the global burden and radiative forcing of aerosol and ozone

The effect of anthropogenic emissions from China on global burdens of ozone, sulphate, organic carbon (OC) and black carbon (BC) aerosols is examined, using the three-dimensional chemistry transport model Oslo CTM2. Two model simulations were performed, the first with global present-day emissions and the second with the anthropogenic emissions from China set to their pre-industrial levels. The global radiative forcing for these species is then calculated. Industrial emissions from China are found to account for a 4–5% increase in the global burden of OC aerosol, the change in secondary organic aerosol being slightly less than that of primary organic aerosol. A 10% increase in the global sulphate aerosol burden is calculated, and the increase in BC is 23%. The global radiative forcing of aerosols from China was calculated to be −62, −3.7, −13 and 89 mW m⁻², for sulphate, secondary organic, primary organic and BC aerosols, respectively. The increase in ozone causes a forcing of 77 mW m⁻².