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。     

相对湿度对大气气溶胶粒子短波辐射特性的影响

利用Mie散射原理和重庆实测气溶胶资料,详细计算了边界层内单个气溶胶粒子的光学特性参量,气溶胶粒子群体的散射、吸收、消光系数及不对称因子、散射比、光学厚度;进而采用二流近似和累加法计算了边界层内太阳短波辐射增温率。目的在于研究相对湿度对以上各特性参量的影响。结果表明,相对湿度在65%～95%之间变化时,对气溶胶粒子群体光学特性参数和太阳增温率的影响在量级上可与气溶胶粒子浓度成倍变化的影响相比拟。     

浑善达克沙地沙尘气溶胶的辐射强迫

利用2001年春季浑善达克沙地外场观测的辐射资料及大气辐射模式,对沙尘气溶胶的局地辐射强迫进行了分析和模拟估算。计算结果表明,浑善达克沙地大气透过率日变化显著,晴天可达0.80以上,沙尘天气最低在0.01以下;白天沙尘的辐射强迫对地表有冷却作用,夜间起保温作用。观测期间,平均大气透过率为0.6,白天沙尘对地面向下长波辐射的平均强迫增加量为16.76 W.m-2,对地面净辐射能收支的平均强迫减少量为62.76 W.m-2;夜间地表长波辐射净损失量因沙尘作用减少,平均为67.84 W.m-2。     

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。     

关于硝酸盐气溶胶光学特征和辐射强迫的研究进展

在过去的20多年里,中外对硫酸盐气溶胶做了大量的研究,对它在大气中的排放、含量、光学特征和辐射强迫有了深入的认识;由于硝酸盐气溶胶在大气中平均含量比硫酸盐低很多,因此过去人们对硝酸盐的研究没有给予重视。然而,近年来的研究表明,硝酸盐气溶胶的散射性质在某些波段甚至强于硫酸盐;同时,由于未来对人为硫酸盐前体物的减排,硫酸盐气溶胶排放会大幅度减少,而硝酸盐气溶胶的排放却增长迅速,其在人为气溶胶中所占的比重越来越高,将会导致其在未来造成的辐射强迫有可能超过硫酸盐,使得其在地区范围内和季节尺度上成为重要的辐射强迫和气候影响因子。中国是硝酸盐气溶胶排放量较大的地区,硝酸盐对未来中国气候和气候变化的影响显得越来越重要。因此,就近年来有关硝酸盐气溶胶的排放和在大气中的浓度变化、光学厚度分布特征及其辐射强迫的研究进展做了回顾和介绍,并对其未来的研究做了展望。     

一次沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理量和辐射强迫的影响

利用MOD IS Aqua卫星反演和装载在Aqua上的CERES仪器观测资料,讨论了我国北方地区2004年3月26~28日沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理特性和辐射强迫的影响。初步结果表明,沙尘气溶胶明显改变了云的物理特性,使云滴变小,含水量及光学厚度减少,减弱了云的净辐射强迫,云的冷却效应受到了抑制,相当于大气层顶沙尘气溶胶的增温作用。     

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.     

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。     

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。     

THE IMPACT OF RELATIVE HUMIDITY ON THE RADIATIVE PROPERTY AND RADIATIVE FORCING OF SULFATE AEROSOL

With the data of complex refractive index of sulfate aerosol,the radiative properties of theaerosol under 8 relative humidity conditions are calculated in this paper.By using the concentrationdistribution from two CTM models and LASG GOALS/AGCM,the radiative forcing due tohygroscopic sulfate aerosol is simulated.The results show that:(1)With the increase of relativehumidity,the mass extinction coefficiency factor decreases in the shortwave spectrum;singlescattering albedo keeps unchanged except for a little increase in longwave spectrum,andasymmetry factor increases in whole spectrum.(2)Larger differences occur in radiative forcingsimulated by using two CTM data,and the global mean forcing is—0.268 and—0.816 W/m~2,respectively.(3)When the impact of relative humidity on radiative property is taken into account,the distribution pattern of radiative forcing due to the wet particles is very similar to that of drysulfate,but the forcing value decreases by 60%.     

THE IMPACT OF RELATIVE HUMIDITY ON THE RADIATIVE PROPERTY AND RADIATIVE FORCING OF SULFATE AEROSOL*

With the data of complex refractive index of sulfate aerosol,the radiative properties of the aerosol under 8 relative humidity conditions are calculated in this paper.By using the concentration distribution from two CTM models and LASG GOALS/AGCM,the radiative forcing due to hygroscopic sulfate aerosol is simulated.The results show that:(1)With the increase of relative humidity,the mass extinction coefficiency factor decreases in the shortwave spectrum;single scattering albedo keeps unchanged except for a little increase in longwave spectrum,and asymmetry factor increases in whole spectrum.(2)Larger differences occur in radiative forcingsimulated by using two CTM data,and the global mean forcing is -0.268 and -0.816 W/m²,respectively.(3)When the impact of relative humidity on radiative property is taken into account,the distribution pattern of radiative forcing due to the wet particles is very similar to that of dry sulfate,but the forcing value decreases by 60%.     

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 )。     

中国地区春季沙尘气溶胶短波辐射气候效应数值模拟研究

利用耦合了起沙模型(MEDM)的区域气候模式RegCM3,模拟研究了2000年春季中国地区沙尘气溶胶短波辐射气候效应。结果表明,春季中国沙尘气溶胶垂直负荷的大值区主要位于南疆盆地和阿拉善高原。引入沙尘气溶胶后,中国地区地表均出现负的辐射强迫,地面气温普遍降低,中低层(400 hPa层以下)大气温度则呈上升趋势。沙尘源区及其下游地区总云量及降水主要呈减少趋势,云量与降水的分布特征与空中流场的变化趋势一致性较好。     

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。     

相对温度对大气气溶胶可见辐射吸收的影响

本文实验测量了在不同相对温度下大气气溶胶吸收系数,研究了气溶胶可见辐射吸收性以和单一排放源排放的气溶在不同相对湿度下的吸收性质及吸收系数大小,实验结果表明,相对湿度对大气气溶胶可见辐射吸收有较大的影响,大气气有收系数随相对湿度增加而增大,而相对湿度对单一排放源的气溶胶几乎无影响,这与近期国内外同类研究结果相一致。     

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。     

硫酸盐直接辐射强迫的在线与固定转化率模拟方法的对比研究

以2000年1、4、7、10月为例，利用区域气候模式，比较了模拟硫酸盐气溶胶分布和直接辐射强迫的在线模拟方法与固定SO2到硫酸盐转化率方法，并与全球模式的结果进行了对比检验。结果表明：在线模拟得到的主要结果与全球平均结果符合得很好，但固定转化率方法存在明显偏差；两种方法硫酸盐柱含量的差异在-4-12mg／m^2范围内，占在线模拟柱含量的42％以上，7月份差异最显著，1月份差异最小；大气顶辐射强迫差异在-1.8-0．4W／m^2之间，此差别占在线辐射强迫的26％以上；采用36．7％的固定转化率对冬季过大、夏季偏小，只有春秋季的江南部分地区适合。由于固定转化率方法不能反映温度、辐射、水汽、云水等气象要素的季节性变化对硫酸盐生成率的影响，因而对硫酸盐含量和分布的季节变化模拟存在偏差，这是导致上述差异的重要原因。