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。     

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。     

我国硫酸盐气溶胶气候效应的数值模拟

气溶胶的气候效应近年来备受关注。区域气候模式能够在有限的计算资源下取得更高的分辨率,成为一种研究区域气候的有力工具。本文使用意大利国际理论物理中心(ICTP)开发的区域气候模式(Reg CM3),对2008年12月~2009年11月我国硫酸盐气溶胶的时空分布及其直接气候效应进行了模拟。研究表明受大气环流影响,硫酸盐气溶胶空间分布在夏季分布最广,而其最大平均季度柱浓度出现在四川盆地,达到了27mg·m-2。受特殊地形的影响,四川盆地上空在全年一直维持着高浓度的硫酸盐。硫酸盐气溶胶对直接辐射强迫与其柱浓度的分布有很好的相关性。直接辐射强迫在夏季分布最广,其数值达到了-2.99W·m-2,全年平均为-2.4W·m-2。硫酸盐的直接气候效应造成了地面气温下降,在夏季达到了-0.26℃,全年平均为-0.09℃。直接气候效应对降水总体表现为微弱的抑制作用,但不同区域,不同季节差异较大。     

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。     

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。     

基于国际大气化学-气候模式比较计划模式数据评估中国沙尘气溶胶直接辐射强迫

目前气候模式对沙尘气溶胶直接辐射强迫模拟仍有很大不确定性,多模式对比有助于定量评估不确定范围。国际大气化学—气候模式比较计划（Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project,ACCMIP）旨在评估当前模式对短寿命大气成分辐射强迫和气候效应的模拟能力。基于7个ACCMIP模式模拟的中国地区沙尘气溶胶浓度,我们评估了中国区域沙尘气溶胶直接辐射强迫和不确定性范围。结果显示,中国区域沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tg a-1,区域年均地表浓度为41±27 μg m-3,柱浓度为9±4 kg m-2,光学厚度为0.09±0.05。中国区域年均沙尘气溶胶产生的大气顶短波、长波和总辐射强迫分别为-1.3±0.8 W m-2、0.7±0.4 W m-2和-0.5±0.7 W m-2;地表短波、长波和总的辐射强迫值为-1.5±1.0 W m-2、1.8±0.9 W m-2和0.2±0.2 W m-2。沙尘气溶胶长波辐射强迫对沙尘浓度的垂直分布敏感。高层沙尘气溶胶浓度越大,其在大气顶产生更强的正值长波辐射强迫。然而,沙尘气溶胶短波辐射强迫主要受整层沙尘柱浓度控制,对沙尘浓度的垂直分布较不敏感。本文结果可为中国沙尘气溶胶的气候模拟提供参考。     

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。     

沙尘气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究

为了定景了解沙尘气溶胶对气候的影响,文中利用一个改进的辐射传输模式,结合伞球气溶胶数据集(G-ADS),计算了晴空条件下,冬夏两季沙尘气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的全球分布,并讨论了云对沙尘气溶胶辐射强迫的影响.计算结果表明,对北半球冬季和夏季而言,在对流层顶沙尘气溶胶的全球短波辐射强迫的平均值分别为-0.477和-0.501 W/m2;长波辐射强迫分别为0.11和0.085 W/m2;全球平均短波地面辐射强迫冬夏两季分别为-1.362和-1.559 W/m2;长波辐射强迫分别为0.274和0.23 W/m2.沙尘气溶胶在对流层顶和地面的负辐射强迫的绝对值郁随太阳天顶角的余弦和地表反照率的增加而增大;地表反照率对沙尘气溶胶辐射强迫的强度和分布都有重要影响.研究指出:云对沙尘气溶胶的直接辐射强迫的影响不仅取决于云量,而且取决于云的高度和云水路径,以及地面反照率和太阳高度角等综合因素.中云和低云对沙尘气溶胶在对流层顶的短波辐射强迫的影响比高云明显.云的存在都使对流层顶长波辐射强迫减少,其中低云的影响最为明显.因此,在估算沙尘气溶胶总的直接辐射强迫时,云的贡献不可忽视.     

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。     

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…     

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。     

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%.     

东亚地区硫酸盐气溶胶间接辐射和气候效应的数值模拟研究

本文利用发展的RIEMS对硫酸盐气溶胶第一间接辐射强迫及其气候效应进行了研究.同卫星观测和其它模式模拟结果对比表明,RIEMS能比较好地模拟云和辐射过程.东亚地区硫酸盐气溶胶的第一间接辐射强迫为负并有明显的季节变化,各季节分别为:冬季-0.88 W/m2,春季-2.27 W/m2,夏季-2.41 W/m2,秋季-1.4...     

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。