污染气溶胶对“7.21”极端降水的影响

运用完全在线耦合气溶胶—云—降水相互作用的WRF-Chem模式研究了污染气溶胶在2012年"7.21"极端降水事件中的作用,结果表明:在耦合人为排放源的情况下,通过与多种观测资料对比发现,WRF-Chem能较好地模拟此次极端降水事件中气象要素和气溶胶的发展趋势;不同水平的污染气溶胶在此次极端降水事件有不同的作用,相对于无污染气溶胶排放的情况,低排放水平的污染气溶胶对降水有激发作用,使降水增强,高排放水平污染气溶胶使降水更加的集中到降水中心,200 mm以上的降水区域增加了7倍以上,污染气溶胶对此次极端暴雨事件的形成有着重要作用;加入人为气溶胶的排放后,凝结核的增多、更加充沛的水汽条件及额外的凝结潜热的释放,使对流增强,降水粒子的含量增加是导致大暴雨更加强烈的原因。     

RegCM3引入气溶胶间接气候效应模拟效果对比

利用2006年区域气候模式RegCM3和Streets气溶胶排放源清单,在原模式中引入间接气候效应模块,改进云降水方案,对硫酸盐气溶胶的时空分布、辐射强迫效应进行了模拟研究。结果表明：硫酸盐气溶胶辐射强迫有明显季节变化;直接效应使地表温度降低,冬春季大值区出现在四川盆地,夏季大值区出现在华北平原。对降水的影响,主要表现在西南—东北水汽输送带上降水减少;其间接气候效应主要表现在使南方地区温度上升、北方地区温度下降;珠江流域和黄河流域降水减少,长江流域和东北地区降水增加。总的来说,直接效应大于间接效应。     

气溶胶辐射效应在华东地区一次雾霾过程中的作用

利用WRF/Chem(Weather Research and Forecasting Model coupled with Chemistry)模拟了2013年12月华东地区一次雾、霾事件气溶胶辐射反馈效应对气象场和大气质量的影响。通过3个不同气溶胶浓度设置的试验区分气溶胶浓度不同辐射效应的影响。比较不同试验得出,本次雾、霾过程中,不论是气溶胶直接、半直接辐射效应还是间接效应均使污染地区短波辐射减少、2 m气温下降、大气边界层高度降低,不利于水汽与污染物的扩散,空气污染进一步加重,雾结构进一步稳定,并使雾的持续时间延长,发展高度更高;对于化学场来说,气溶胶直接、半直接辐射效应使污染地区PM_(2.5)浓度增大、消光系数增大、氮氧化物浓度增大,臭氧浓度降低;间接辐射效应使PM_(2.5)浓度和消光系数进一步增大,氮氧化物、臭氧浓度降低。综上所述,气溶胶辐射效应能使大气污染加重,并利于雾的发生、发展。     

中国地区黑碳气溶胶直接辐射效应的数值模拟研究

利用意大利国际理论物理研究中心（ICTP）提供的2000年各月气溶胶资料（包括人类活动和生物质燃烧所产生的气溶胶）,使用并行版本区域气候模式RegCM3,研究了黑碳气溶胶对中国区域气候的影响。结果表明,引入黑碳气溶胶后,冬、夏季中国大部分地区大气顶出现了正辐射强迫,其分布与垂直负荷分布基本相似。在仅考虑黑碳气溶胶的直接辐射效应时,中国大部分地区冬、夏季地面气温呈下降趋势,降温的高值区均位于中国东南部,冬季最大降温幅度约为0．9℃,夏季最大降幅约为2．4℃,夏季降温幅度明显大于冬季。相对于温度变化,黑碳气溶胶引起的降水变化较为复杂,无论是冬季还是夏季,降水量减小的区域均大于增加区。冬季降水量最大减幅约为20mm,夏季降水量最大减幅超过100mm,夏季降水量减幅明显大于冬季。冬、夏季仅西北和华南部分地区降水量有所增加。冬季中国大部分地区痕量降水和弱降水日数呈增加趋势;夏季黄河以北中国北方地区痕量降水和弱降水日数也是以增加为主。     

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.     

人为气溶胶对中国东部冬季风影响的模拟研究

采用美国国家大气研究中心(NCAR)的公共大气模式CAM5.1研究了人为气溶胶排放增加对中国东部冬季风的影响,同时通过对比中国东部地区不同人为气溶胶排放源的敏感性试验结果,探讨了人为硫酸盐、黑碳及总人为气溶胶(硫酸盐+黑碳)增加对东亚冬季风的影响。结果表明:冬季硫酸盐气溶胶排放增加的直接和第一间接效应减少了到达地表的短波辐射通量,引起了陆地地表和对流层低层降温,海平面气压升高,增加了海陆间气压梯度,使得东亚冬季风增强。其第二间接效应导致中国南部大尺度降水率减少;黑碳气溶胶排放增加导致到达地表的短波辐射通量减少和大气中短波辐射通量增加,其半直接效应部分抵消了直接效应,故地表温度变化微小且不显著。加热的对流层低层导致中国南部对流活动和对流降水率增加;总人为气溶胶排放增加导致的大气温度变化表现为弱的降温作用,引起中国北部对流和大尺度降水率减少,而南部对流降水率增加。总人为气溶胶和黑碳气溶胶排放增加是导致中国北(南)部的东亚冬季风增强(减弱)的重要因素。     

硫酸盐气溶胶间接效应对中国东部冬季气候的影响

气溶胶间接效应通过对云的作用来影响气候,其过程复杂且不确定性较大。本研究利用美国国家大气研究中心（NCAR）的公共大气模式CAM5.1,通过改变模式中硫酸盐气溶胶转化为云凝结核数浓度的数量,设计了硫酸盐气溶胶间接效应的敏感性试验,通过与控制试验对比来研究其间接效应对中国东部地区冬季云、降水和季风强度的影响。结果表明：在东亚地区云凝结核形成过程中,硫酸盐气溶胶占绝对的主导地位。硫酸盐气溶胶间接效应导致中国东部地区冬季云凝结核和云滴数浓度显著增加,海洋和陆地低层的云滴有效半径减小和总云液水路径的增加,导致了云反照率的增加。引起的负辐射强迫使地表和大气降温,海平面气压升高,增加的海陆气压梯度导致中国南方地区东亚冬季风增强,总降水率减少。硫酸盐气溶胶间接效应可能不是东亚冬季风在20世纪80年代中期年际变率减弱的原因。     

不同浓度污染气溶胶对一次暴雨的影响

本文应用WRF-Chem模式耦合人为排放源,模拟了2011年8月13日的一次强降水过程,研究了正常（试验Norm）和两种极端情况（试验High和试验Low）下3种排放强度的人为污染气溶胶对微物理过程和降水的影响。结果表明:不同排放强度下降水开始的时间没有变化,低排放情况下降水区域未发生变化,暴雨前期试验Low的降水增强,后期减弱,降水中心强度减弱,周边降水增强,降水分散;高排放情况下降水区域明显减小,降水强度和各个量级的降水区域都减少。雨水和霰含量的变化是导致降水发生变化的原因,不同强度的污染气溶胶通过影响微物理过程影响大气的热力和动力过程,大气动力过程的变化反过来又通过微物理过程影响降水粒子的增长,从而影响地面降水。影响机理可概括为:当污染气溶胶的排放浓度增强,水汽凝结和冰晶凝华增长过程的减弱导致微物理过程的大气加热减弱,可用于发展对流的能量减少,上升运动减弱,对流强度的减弱抑制了了雨水和霰收集云水的增长,导致了可降水粒子含量的减少,降水减弱。     

北京地区一次重污染天气气溶胶分布与传输特征研究

针对北京地区2004年10月26～31日的一次典型重污染天气个例,分析了此次污染过程产生的天气背景和污染物对近地层接收太阳总辐射的削减作用,同时应用MODIS卫星遥感气溶胶产品和地面风场的分布分析了大气污染物的分布和输送特征。结果表明,此次污染过程与大尺度的天气背景有密切关系,地面气压减小和偏南气流导致了此次污染过程;通过比较中国科学院大气物理研究所325m铁塔观测到的2m和280m高度处太阳总辐射可知,在空气质量较好天气,地面以上2～280m大气能够减少太阳总辐射的15%;而在重污染天气时,地面以上2～280m大气能够使太阳总辐射减少20%以上,低层大气显著地影响城市区域下垫面和大气之间的辐射交换;分析MODIS气溶胶分布和地面风场可知,此次污染过程可能是局地污染物积累和外界污染输送造成的。     

区域海气耦合模式RIEMS2.0-POM2K模拟的黑碳气溶胶对东亚春夏气候的影响

黑碳气溶胶的辐射强迫及其对东亚的气候效应仍有较大不确定性,同时在黑碳气溶胶气候效应的研究中对海洋的关注较少。为了量化分析黑碳气溶胶直接辐射效应和分析其通过海气相互作用对东亚夏季风的影响,用区域海气耦合模式进行黑碳气溶胶离线模拟的敏感试验。试验结果表明:东亚晴空大气顶和地面的净辐射强迫在春季分别为1. 58 W·m~(-2)和~(-2). 75 W·m~(-2),在夏季分别为1. 68 W·m~(-2)和~(-2). 62 W·m~(-2)。受黑碳气溶胶辐射效应影响,大气变暖,大气热力稳定度增加,云量减少。春季黑碳气溶胶的"热泵效应"引起华南降水增加和夏季风提前爆发。夏季孟加拉湾海表降温,南支槽加深,引起华南降水增加;另外中纬度附近经向温度梯度增大,进而增强冷空气势力和水汽辐散,引起华北降水减少。华南降水正异常和华北降水负异常有利于"南涝北旱"。黑碳气溶胶辐射效应能通过海气相互作用增加热带海表温度,减小经向温度梯度和海陆热力差异,进而减弱夏季风。此外,黑碳气溶胶辐射效应也能增强局域哈德莱环流及北风,进而减弱夏季风。     

Studying the effects of severe aerosol pollution of the atmosphere on the dynamics of cumulonimbus cloud charge structure by numerical modeling

Studied are the effects of severe aerosol pollution of the atmosphere on the parameters of a cumulonimbus cloud (including its charge structure) and on precipitation. Considered is the example of the cloud that developed on May 11, 2009 near the town of Kharagpur (India) under conditions of severe aerosol pollution of the atmosphere due to dust transport from the desert. The in situ observations of the evolution of the cumulonimbus cloud of large vertical and horizontal extent and of its electric conditions were carried out on that day. It is found that the distribution of electric charges in the cloud was characterized by inverted polarity (i.e., the main positive charge is in the bottom of the cloud and the negative one is in the upper part of the cloud that contradicts usually observed cases). Using the small-dimension numerical model conducted are numerical experiments on the simulation of aerosol effects produced on the evolution of dynamic, microphysical, and electric structure of the cloud under study, namely, the cloud development under background conditions and in case of high aerosol concentration. It is assumed that aerosol particles possess ice-forming properties. It is obtained that the dynamic, microphysical, and electric structures of the cloud are significantly transformed under the influence of high aerosol concentrations; precipitation generation also significantly intensifies; polarity in the distribution of electric charge varies that agrees with the data of in situ observations.     

Impact of Anthropogenic Aerosols on Summer Precipitation in the Beijing–Tianjin–Hebei Urban Agglomeration in China:Regional Climate Modeling Using WRF-Chem

The WRF model with chemistry(WRF-Chem) was employed to simulate the impacts of anthropogenic aerosols on summer precipitation over the Beijing–Tianjin–Hebei urban agglomeration in China. With the aid of a high-resolution gridded inventory of anthropogenic emissions of trace gases and aerosols, we conducted relatively long-term regional simulations,considering direct, semi-direct and indirect effects of the aerosols. Comparing the results of sensitivity experiments with and without emissions, it was found that anthropogenic aerosols tended to enhance summer precipitation over the metropolitan areas. Domain-averaged rainfall was increased throughout the day, except for the time around noon. Aerosols shifted the precipitation probability distribution from light or moderate to extreme rain. Further analysis showed that the anthropogenic aerosol radiative forcing had a cooling effect at the land surface, but a warming effect in the atmosphere. However, enhanced convective strength and updrafts accompanied by water vapor increases and cyclone-like wind shear anomalies were found in the urban areas. These responses may originate from cloud microphysical effects of aerosols on convection, which were identified as the primary cause for the summer rainfall enhancement.     

用区域气候模式模拟人为硫酸盐气溶胶在气候变化中的作用

使用新版RegCM2区域气候模式，单向嵌套澳大利亚CSIROR21L9全球海-气耦合模式，在C02加倍情况下引人人为硫酸盐气溶胶直接气候效应，进行了其对中国气候变化影响的试验。结果表明，硫酸盐气溶胶的直接气候效应，对地面气温为降温作用，其中在冬半年和在南方更明显；对降水的影响为全国各月平均降水将以减少为主，年平均降水变化的基本特点为在中国东部以减少为主，西部以增加为主。但无论温度还是降水变化的数值都很小。     

MODELING THE EFFECTS OF ANTHROPOGENIC SULFATE IN CLIMATE CHANGE BY USING A REGIONAL CLIMATE MODEL

1 INTRODUCTION Being an important composition of the atmosphere, aerosol attracts increasing attention from the scientific community in recent years, together with the radiative forcing it causes and effects it imposes on the climate system. The anthropogenic aerosol affects the climate both directly and indirectly. The climate is directly affected when solar shortwave radiation is scattered and absorbed in what is known as the 搖mbrella effect? which can be dated back to as early as mor…     

相当湿位涡异常与梅雨锋暴雨分析

基于位涡异常与中尺度对流系统发展密切相关的分析事实,以及中尺度天气的发生发展的过程中水汽的重要作用,在引入水汽变化方程的基础上,导出了非均匀饱和大气中的相当湿位涡方程,进而分析了引起相当湿位涡异常的主要因子。依据相当湿位涡包含动力因子、热力因子和水汽因子的特点,利用相当湿位涡及增量对一次梅雨锋暴雨进行诊断和模拟分析,初步揭示了相当湿位涡及其增量对梅雨锋强降水的指示意义,相当湿位涡及其增量大值区对未来1～3小时的强降水具有较好的指示作用。针对梅雨锋暴雨,可以将梅雨湿度锋与相当湿位涡相结合作为强降水短时临近预报的一个指标。      

基于ECMWF模式的江西及周边地区锋面暴雨预报检验和订正

利用全国降水资料（包括江西加密降水资料）、探空资料、ECMWF模式72—24 h降水和形势预报资料,采用天气学检验、SAL定量降水预报检验等方法,对2017—2019年江西及附近地区锋面暴雨的实况和模式产品进行检验分析,检验主要影响天气系统预报效果,得出ECMWF模式降水预报误差分布特征及原因,并对模式的暴雨预报进行订正。结果表明：ECMWF模式对2017—2019年锋面暴雨过程预报较实况大多偏北,落区预报误差主要源于大尺度降水。从锋面暴雨三种SAL分析误差可见,落区预报较实况大多偏北,暴雨过程强度多数较实况偏弱,结构较实况偏小。对误差较大个例的分析得出两点订正思路：1） 锋区南侧有较明显动力热力对流发展的弱锋区暴雨,暴雨落区可订正至925 hPa锋区南侧高温高湿区。2） 较强锋面暴雨,当中低层切变辐合抬升区重叠时,暴雨落区可向925 hPa锋区位置调整,暴雨通常不易出现在锋区北侧冷区。     

两次陕北暴雨过程热力动力机制诊断

利用常规气象观测资料、NCEP FNL分析资料（水平分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h）,对2013年7月21-22日和2014年7月8-9日两次陕北暴雨过程成因进行热力动力诊断,结果表明:两次陕北暴雨与高低空急流关系密切,暴雨带位于低空急流左侧的水汽辐合区,“0721”过程低空急流更强,在高低空急流耦合的强上升运动区（延安）出现大暴雨。降水前期,两次过程大气均存在对流不稳定,切变线触发对流,产生强降水,而其释放的凝结潜热加热形成中低层大气的热力不连续面,湿斜压性及锋生增强,造成整层饱和大气的抬升,维持强降水。“0721”过程前期对流降水的潜热释放更大,由此反馈的低空急流及锋生更强,出现大暴雨天气。广义对流涡度矢量垂直分量很好地描述了两次暴雨过程高低空急流耦合作用以及凝结潜热释放增强的锋生作用,其变化趋势能够反映降水的发展和减弱过程。暴雨出现在湿热力平流参数垂直积分大值中心及南侧的高梯度区,大值中心出现后约6 h会产生强降水,这对于强降水落区的预报有一定指示意义。     

EFFECTS OF AEROSOLS ON AUTUMN PRECIPITATION OVER MID-EASTERN CHINA

Long-term observational data indicated a decreasing trend for the amount of autumn precipitation (i.e. 54.3 mm per decade) over Mid-Eastern China, especially after the 1980s (~ 5.6% per decade). To examine the cause of the decreasing trend, the mechanisms associated with the change of autumn precipitation were investigated from the perspective of water vapor transportation, atmospheric stability and cloud microphysics. Results show that the decrease of convective available potential energy (i.e. 12.81 J kg-1/ decade) and change of cloud microphysics, which were closely related to the increase of aerosol loading during the past twenty years, were the two primary factors responsible for the decrease of autumn precipitation. Our results showed that increased aerosol could enhance the atmospheric stability thus weaken the convection. Meanwhile, more aerosols also led to a significant decline of raindrop concentration and to a delay of raindrop formation because of smaller size of cloud droplets. Thus, increased aerosols produced by air pollution could be one of the major reasons for the decrease of autumn precipitation. Furthermore, we found that the aerosol effects on precipitation in autumn was more significant than in other seasons, partly due to relatively more stable synoptic systems in autumn. The impact of large-scale circulation dominant in autumn and the dynamic influence on precipitation was more important than the thermodynamic activity.     

A case study of the direct radiative effect of biomass burning aerosols on precipitation in the Eastern Amazon

Numerical experiments with the Brazilian additions to the Regional Atmospheric Modeling System were performed with two nested grids (50 and 10 km horizontal resolution, respectively) with and without the effect of biomass burning for 8 different situations for 96 h integrations. Only the direct radiative effect of aerosols is considered. The results were analyzed in large areas encompassing the BR163 road (one of the main areas of deforestation in the Amazon), mainly where most of the burning takes place. The precipitation change due to the direct radiative impact of biomass burning is generally negative (i.e., there is a decrease of precipitation). However, there are a few cases with a positive impact. Two opposite forcing mechanisms were explored: (a) the thermodynamic forcing that is generally negative in the sense that the aerosol tends to stabilize the lower atmosphere and (b) the dynamic impact associated with the low level horizontal pressure gradients produced by the aerosol plumes. In order to understand the non-linear relationship between the two effects, experiments were performed with 4-fold emissions. In these cases, the dynamic effect overcomes the stabilization produced by the radiative forcing and precipitation increase is observed in comparison with the control experiment. This study suggests that, in general, the biomass burning radiative forcing decreases the precipitation. However, very large concentrations of aerosols may lead to an increase of precipitation due to the dynamical forcing associated with the horizontal pressure gradients.     

近30年中国暴雨时空特征分析

利用1981—2010年全国2400多个站的降水资料,分析了暴雨过程和暴雨日的年、季、月气候分布及变化特征,结果表明21世纪以来南方地区暴雨过程明显增多,但以短持续性强降水过程为主,尽管总暴雨日较多,但总降水量不及20世纪90年代。年(月)降水量与年(月)暴雨日数变化趋势基本一致,但在江南春雨阶段平均雨量大,暴雨日数相对较少。最大年暴雨日数分布与年平均暴雨日数分布极为相似,呈现出南多北少东多西少的特点,但数值上是平均暴雨日数的两倍,甚至更多,并且受地形影响,呈现出多中心特点。由于受影响的天气系统不同,即使是同一省的不同地区最大月平均暴雨日数出现的时间也不尽相同。2000年以后暴雨日数总体呈增加趋势,一年中暴雨开始时间早,结束晚,暴雨出现的时段较以往更长。在近年来极端降水事件及次生灾害频发的背景下,详细了解暴雨的年、季、月平均分布、最大值分布及时空变化特征,可以为定量强降水的预报提供更好的气候背景参考。