利用激光雷达资料模拟沙尘气溶胶边界层响应

利用后向散射激光雷达的探测资料,通过WRF(Weather Research and Forecasting)模式与包含气溶胶辐射效应的大气边界层数值模式嵌套起来的数值模拟平台(WRF-ABL),对2006年6月17日出现的浮尘天气沙尘气溶胶长波辐射效应及大气边界层的响应进行了模拟计算和分析。夜间沙尘气溶胶作用使低空沙尘气溶胶所在层冷却,整个沙尘过程4小时地面层温度减小0.28 K,地面至2 500 m高度温度减小约0.23～0.43 K,降温最大值在2 100～2 300 m高度层内,最大降温0.43 K;相应夜间沙尘气溶胶所在层风速增大。      

复杂地形城市冬季边界层对气溶胶辐射效应的响应

作者着眼于城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用问题,针对地形复杂的兰州市及周边地区,开发应用了WRF(Weather Research and Forecasting,天气研究和预报)模式,使之与包含了大气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的综合大气边界层数值模式嵌套起来.通过个例分析,揭示了冬季气溶胶辐射效应对边界层结构的定量影响.主要特征为夜间气溶胶的长波辐射效应使地面附近的气温增高,增温幅度为0.1～0.3 K/h,使低空(25～300 m)大气层冷却,降温幅度为0.08～0.15 K/h,风速在150 m以下减小;白天气溶胶的短波辐射效应使地面层内明显增温,1 h内升温约0.5 K,增温最大值在混合层顶500～600 m高度.受增温影响,垂直风场和水平风场随之调整,风速在450 m以下增大约0.1 m/s左右,而在450 m以上风速减小0.1 m/s左右.     

高云和气溶胶辐射效应对边界层的影响

通过WRF(Weather Research and Forecasting) 模式嵌套包含了高云和气溶胶辐射效应的大气边界层模式, 结合激光雷达资料, 进行数值模拟, 定量分析高云和气溶胶辐射效应对城市边界层的影响。模式能很好地模拟出在高云和气溶胶辐射效应下城市边界层的特征。夜间, 气溶胶在低层起到保温作用, 高云使得保温作用得到加强, 地表增温达1.5 K。中高层, 气溶胶降低所在气层温度, 高云使得降温幅度减少, 降温达0.2～0.7 K。白天, 高云和气溶胶减少到达地面的太阳短波辐射, 导致低层温度降低, 地表降温达1.3 K。中高层, 气溶胶加热所在的气层, 高云使得这一增温幅度减少, 在500 m处增温最大, 达0.85 K。无论白天还是夜间, 气溶胶的辐射效应都会抵消一部分形成山谷风的热力条件, 使得中低层的风速减少, 这种影响在白天显得尤为明显。高云的存在使得这种抵消得到少量的补偿。     

硫酸盐和碳黑气溶胶辐射效应的研究

该文在辐射方案中硫酸盐和碳黑气溶胶辐射效应进行了研究，估算了这两种气溶胶成分的辐射强迫，在气溶胶－辐射方案中考虑了：（１）具有不同尺度的硫酸盐和碳黑气溶胶在太阳辐射波长范围内的光学性质；（２）硫酸盐和碳黑气溶胶浓度的比例变化；（３）硫酸盐和碳黑气溶胶的混合形式，当硫酸盐气溶胶和碳黑气溶胶同时存在时，碳黑气溶胶的加热作用与硫酸盐气溶胶的冷却作用相叠加，会使大气顶的负辐射强迫量减少，减少的负辐射强迫量     

中国地区边界层大气气溶胶辐射吸收特性

采用粒子采样法对中国２３个地区边界层气溶胶的吸收系数作了测量,研究了其分布特征。结果表明：中国地区边界层气溶胶的吸收系数在１０＾－６－１０＾－３ｍ＾－１之间,明显呈北高南低的趋势,四川盆地和贵州有一相对较高的中心,吸收系数与粒子含量之间的相关系数为０．７４,吸收系数与粒子含量的分布一致性较好。小颗粒的吸收性能好于大颗粒。     

考虑湿度影响的城市气溶胶夜晚温度效应

本文利用一维非定常模式，研究了城市上空干、湿气溶胶粒子对夜间边界层温度的影响。结果表明，湿气溶胶粒子对低层大气有明显的升温作用，而对中上层大气则起降温作用，同时改变了贴地逆温层结构和边界层稳定度。     

合肥市郊低层大气的激光雷达探测研究

利用L300米散射激光雷达对合肥市郊大气边界层进行长期系统观测.分析讨论了大气边界层气溶胶消光系数与温度、湿度的关系, 大气边界层气溶胶消光系数垂直分布和时间变化的主要特征, 给出了激光雷达探测的大气边界层高度的统计特征及其与无线电气象探空仪探测大气边界层高度的比较结果.     

边界层气溶胶气候效应的研究

用三维气候模式模拟了边界层气溶胶的气候效应。结果表明，边界层气溶胶可使大气和地表的气候状态发生明显的变化。３００ｈＰ以下气柱中气温升高，地表和土壤温度降低。在气溶胶光学厚度较大的沙漠区上空，水平风场出现气旋性差值环流，垂直上升运动也发生较多变化。降水变化与３００ｈＰａ上垂直运动的变化有很好的正相关。同时讨论了气溶胶气候效应的物理机制。     

一次浮尘过程气溶胶光学特性及其辐射效应的研究

利用激光雷达对2006年6月17日出现浮尘天气进行观测,反演分析浮尘天气气溶胶消光系数特征,并将其消光系数放入LOWTRAN模式中模拟了大气长波冷却率。结果表明:浮尘刚出现时沙尘的消光系数较小,其峰值在地面附近,相应光学厚度也较小。浮尘发展时沙尘的消光系数增大,沙尘粒子慢慢从地面上升至高空,边界层高度达1 500 m左右,边界层内部沙尘气溶胶充分混合,消光系数趋于一致,光学厚度最大达0.41;17日浮尘期间(19:00—23:00),2 200 m以下20:00 h和21:00 h冷却率较其它时刻大,这两个时刻的沙尘浓度也较大;有浮尘时长波冷却率较无浮尘时增加,最大增加值在2 250 m的高度层达到0.04 K/h。      

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。     

基于气溶胶激光雷达观测的人工消减雾霾作业效果分析

利用气溶胶激光雷达观测的消光系数数据,对2019年12月北疆沿天山的石河子市开展人工消减雾霾作业效果进行分析,主要采用了符号检验、成对秩和检验等非参数性检验法,以及参数性t检验法等人工影响天气的物理统计检验方法,得出了基于气溶胶激光雷达消光系数为依据的人工消减雾霾作业效果。结果为:符号检验法检验得出飞机人工消减雾霾作业后20 min,400 m以下不同高度消光系数平均值减小的可信度达到非常显著的99.5%,进一步按照95%的可信度阈值得出减小值为0.05,减小率为9.8%;成对秩和检验法得出的作业正效果可信度达到97.5%,很显著;但是参数性t检验得出作业正效果的可信度只有90%~80%,未达到99.5%的阈值,显著性一般。这与作业采用了不同类型的催化剂如只用吸湿性干粉催化剂,以及播撒作业高度偏高导致作为样本的消光系数变化效果不能满足检验效率相关。进一步分析表明,飞机人工消减雾霾作业后20 min,400 m以下不同高度消光系数的减小响应效果自上而下递减,这与人工影响作业播撒的催化剂作用的物理机制自上而下逐步响应的过程相一致。     

A Review of Aerosol Optical Properties and Radiative Effects

Atmospheric aerosols influence the earth's radiative balance directly through scattering and absorbing solar radiation, and indirectly through affecting cloud properties. An understanding of aerosol optical properties is fundamental to studies of aerosol effects on climate. Although many such studies have been undertaken, large uncertainties in describing aerosol optical characteristics remain, especially regarding the absorption properties of different aerosols. Aerosol radiative effects are considered as either positive or negative perturbations to the radiation balance, and they include direct, indirect (albedo effect and cloud lifetime effect), and semi-direct effects. The total direct effect of anthropogenic aerosols is negative (cooling), although some components may contribute a positive effect (warming). Both the albedo effect and cloud lifetime effect cool the atmosphere by increasing cloud optical depth and cloud cover, respectively. Absorbing aerosols, such as carbonaceous aerosols and dust, exert a positive forcing at the top of atmosphere and a negative forcing at the surface, and they can directly warm the atmosphere. Internally mixed black carbon aerosols produce a stronger warming effect than externally mixed black carbon particles do. The semi-direct effect of absorbing aerosols could amplify this warming effect. Based on observational (ground-and satellite-based) and simulation studies, this paper reviews current progress in research regarding the optical properties and radiative effects of aerosols and also discusses several important issues to be addressed in future studies.     

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。     

Modeling Study of the Global Distribution of Radiative Forcing by Dust Aerosol

To quantitatively understand the dust aerosol effects on climate change,we calculated the global distribution of direct radiative forcing due to dust aerosol under clear and cloudy skies in both winter and summer,by using an improved radiative transfer model and the global distribution of dust mass concentration given by GADS (Global Aerosol Data Set).The results show that the global means of the solar forcing due to dust aerosol at the tropopause for winter and summer are –0.48 and –0.50 W m-2 ,respectivel...     

平流层气溶胶的辐射强迫及其气候响应的水平二维分析

利用比较先进的辐射模式计算了平流层气溶胶的辐射强迫,并对之进行了参数化。结果发现平流层气溶胶的辐射强迫的水平分布不仅与其本身的水平变化有关,而且与下垫面的反照率有很大的关系。利用近期开发的二维能量平衡模式模拟了皮纳图博火山气溶胶对地面平衡温度的影响,结果表明:皮纳图博火山至喷发后1年半左右降温达最大,至喷发后第5年降温已很小。     

利用激光雷达观测资料研究兰州气溶胶光学厚度

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2006—2011年晴空无云时激光雷达（CE-370—2）资料,结合2006年12月至2007年5月多波段太阳光度计（CE-318）资料,对比验证了激光雷达资料的反演结果,并分析了兰州地区气溶胶光学厚度的分布特征。结果表明：激光雷达反演得到的光学厚度与光度计观测得到的光学厚度,两者具有较好的相关性,相关系数为0．86。兰州地区气溶胶光学厚度3—5月和11-12月较大,主要原因是3—5月是当地沙尘频发期,11—12月是居民集中采暖期,沙尘排放和燃煤排放显著增加了大气气溶胶光学厚度。气溶胶光学厚度6～10月偏小,湿沉降清除是主要的影响因素。光学厚度季节分布为春季0．42,冬季0．36,秋季0．30,夏季0．21。光学厚度频数分布于0．0～0．3的最多,占总数的一半,且存在季节差异。兰州上空夏季干净,春季浑浊,冬季次浑浊。     

Assessment of Individual Direct Radiative Effects of Major Aerosol Species in East Asia

To assess individual direct radiative effects of diverse aerosol species on a regional scale,the air quality modeling system RAMS-CMAQ(Regional Atmospheric Modeling System and Community Multiscale Air Quality) coupled with an aerosol optical properties/radiative transfer module was used to simulate the temporal and spatial distributions of their optical and radiative properties over East Asia throughout 2005.Annual and seasonal averaged aerosol direct radiative forcing(ADRF) of all important aerosols and individual components,such as sulfate,nitrate,ammonium,black carbon(BC),organic carbon(OC),and dust at top-of-atmosphere(TOA) in clear sky are analyzed.Analysis of the model results shows that the annual average ADRF of all important aerosols was in the range of 0 to-18 W m?2,with the maximum values mainly distributed over the Sichuan Basin.The direct radiative effects of sulfate,nitrate,and ammonium make up most of the total ADRF in East Asia,being concentrated mainly over North and Southeast China.The model domain is also divided into seven regions based on different administrative regions or countries to investigate detailed information about regional ADRF variations over East Asia.The model results show that the ADRFs of sulfate,ammonium,BC,and OC were stronger in summer and weaker in winter over most regions of East Asia,except over Southeast Asia.The seasonal variation in the ADRF of nitrate exhibited the opposite trend.A strong ADRF of dust mainly appeared in spring over Northwest China and Mongolia.     

Simulating Aerosol Optical Depth and Direct Radiative Effects over the Tibetan Plateau with a High-Resolution CAS FGOALS-f3 Model

Current global climate models cannot resolve the complex topography over the Tibetan Plateau (TP) due to their coarse resolution. This study investigates the impacts of horizontal resolution on simulating aerosol and its direct radiative effect (DRE) over the TP by applying two horizontal resolutions of about 100 km and 25 km to the Chinese Academy of Sciences Flexible Global Ocean-Atmosphere Land System (CAS FGOALS-f3) over a 10-year period. Compared to the AErosol RObotic NETwork observations, a high-resolution model (HRM) can better reproduce the spatial distribution and seasonal cycles of aerosol optical depth (AOD) compared to a low-resolution model (LRM). The HRM bias and RMSE of AOD decreased by 0.08 and 0.12, and the correlation coefficient increased by 0.22 compared to the LRM. An LRM is not sufficient to reproduce the aerosol variations associated with fine-scale topographic forcing, such as in the eastern marginal region of the TP. The difference between hydrophilic aerosols in an HRM and LRM is caused by the divergence of the simulated relative humidity (RH). More reasonable distributions and variations of RH are conducive to simulating hydrophilic aerosols. An increase of the 10-m wind speed in winter by an HRM leads to increased dust emissions. The simulated aerosol DREs at the top of the atmosphere (TOA) and at the surface by the HRM are –0.76 W m^–2 and –8.72 W m^–2 over the TP, respectively. Both resolution models can capture the key feature that dust TOA DRE transitions from positive in spring to negative in the other seasons.