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.     

CAM3.0模式中黑碳及硫酸盐气溶胶浓度变化对东亚春季气候的影响研究

本文采用CAM3.0模式研究东亚地区各种气溶胶浓度增加后对于东亚春季各气候要素,尤其是对降水和春季风场的影响。在模式中通过分别对区域(20～50°N,100～150°E)内黑碳气溶胶浓度单独加倍、硫酸盐气溶胶浓度单独加倍、两种气溶胶浓度同时加倍的实验方法,探讨不同气溶胶浓度变化在东亚春季气候变化中的具体作用。结果表明:在春季,3种气溶胶浓度增加方式都使得东亚地区表现出降水中南部减少北部增加,低层大气西南风异常以及地面温度南部增加北部减少。通过对110～120°E的断面分析发现,硫酸盐与黑碳气溶胶在春季首先影响约800 hPa以上大气的温度并通过不同的动力机制影响东亚地区的风场,风场的改变进而导致了云量和降水在东亚北方地区增多而中南部地区减少,并最终使得地面温度表现出东亚中南部地区增温而北方地区相对降温的特征。     

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。     

成都夏季气溶胶消光特性研究

本文利用成都2017年6~8月的米散射微脉冲激光雷达观测数据,对成都夏季气溶胶消光系数、边界层高度以及气溶胶光学厚度进行了反演,并结合太阳光度计观测资料、地面颗粒物浓度以及大气能见度数据研究了气溶胶消光系数日变化与月变化规律,气溶胶消光系数的垂直分布特征及影响因素。结果表明:气溶胶消光系数的日变化受人类活动以及边界层日变化影响显著,表现出凌晨与傍晚最大,早晨次之,午后最小的特征。消光高值出现在200m以下和300~700m的高度区间,夜间观察到的消光高值可能与颗粒物在夜间近地面浓度较高以及本地夜间降水频发有关。激光雷达反演的消光系数与光度计反演的气溶胶光学厚度在夏季各月的表现一致,夏季各月消光极值均出现在100~150m的近地面层。近地面消光系数与地面颗粒物浓度之间具有较好的正相关,并且粒子粒径更小时相关性更好。气溶胶光学厚度主要来自低层大气的贡献,0.1~0.2μm的细粒子气溶胶占比对于大气消光有主要影响,但气溶胶对大气的消光影响除了与粒子浓度有关,还与粒子的理化性质有关。      

城市气溶胶对太阳辐射的影响及其在边界层温度变化中的反映

本文利用冬季观测的兰州市区、邻近山顶以及郊区皋兰县的辐射资料和温度廓线资料,分析了兰州城市气溶胶对太阳辐射影响;并用二流近似累加法计算了低层大气吸收太阳辐射的加热率,其结果与低层大气上部的实际增温在数值上比较接近。分析了城市气溶胶短波辐射效应对边界层温度廓线分布的影响。表明城市烟雾层削弱了地面热通量但增加了低层大气中上部的增温,从而增加了城市低层大气的稳定度。     

气溶胶与气候

气溶胶粒子对气候系统的辐射平衡有重要影响。气溶胶对气候的影响可分为两大方面,即直接影响和间接影响。直接影响指大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射和地面射出长波辐射从而影响地－气辐射收支。模式计算表明,人类活动引起大气气溶胶增加倾向于使地球表面降温,工业化以来,气溶胶增加引起的地面变冷趋势可部分抵销温室气体增加引起的地表温度上升。气溶胶对气候的间接影响是指气溶胶浓度变化会影响云的形成,而云的变化反过来对气候有巨大影响,这方面至今还没有定量结果。       

“酸雨”

在对流层大气中经常存在着尘埃等悬浮粒子,这些微粒有的来自自然界,有的是人类活动所产生的,它们既能反射太阳光线,又能吸收太阳光,还可以起水汽的凝结核作用。这些粒子对太阳光的反射、吸收以及起凝结核的作用取决于它们的谱分布和化学成分。从大气中通过降水清除这些微粒物质基本上有下列的几个过程:(1)当云素形成时,气溶胶粒子作为凝结核而被消耗;(2)布朗运动的结果,使气溶胶粒子随后粘附于云素;(3)气溶胶粒子被下降雨滴所捕获。因此,这些过程对降水的化学成分都有一定的贡献。一般认为,80—90％的气溶胶粒子(按质量计)     

CAM30模式中黑碳及硫酸盐气溶胶浓度变化 对东亚春季气候的影响研究

本文采用CAM30 模式研究东亚地区各种气溶胶浓度增加后对于东亚春季各气候要素,尤其是对降水和春季风场的影响。在模式中通过分别对区域（20～50 °N,100～150 °E）内黑碳气溶胶浓度单独加倍、硫酸盐气溶胶浓度单独加倍、两种气溶胶浓度同时加倍的实验方法,探讨不同气溶胶浓度变化在东亚春季气候变化中的具体作用。结果表明：在春季,3种气溶胶浓度增加方式都使得东亚地区表现出降水中南部减少北部增加,低层大气西南风异常以及地面温度南部增加北部减少。通过对110～120 °E的断面分析发现,硫酸盐与黑碳气溶胶在春季首先影响约800 hPa以上大气的温度并通过不同的动力机制影响东亚地区的风场,风场的改变进而导致了云量和降水在东亚北方地区增多而中南部地区减少,并最终使得地面温度表现出东亚中南部地区增温而北方地区相对降温的特征。     

夏季太湖局地气候效应的数值模拟研究

利用WRF模式,通过数值模拟试验研究了夏季太湖的局地气候效应,揭示了太湖对局地降水、温度等气象要素的影响,并探讨了内在的物理机制。结果表明:太湖主要在局地尺度上引起夏季地面气温降低和降水的减少,影响强度从湖区向周边地区逐渐减弱;太湖引起的夏季降水减少主要来源于对对流性降水的减弱作用;太湖对湖区及邻近区域夏季地面气温和降水的影响表现出明显的日变化特征,白天影响程度明显强于夜间且在午后的影响最强;太湖在午后引起湖区及邻近地区低层大气显著降温和异常辐散,抑制了该区域的大气对流活动并引起对流降水的明显减少,进而造成夏季太湖及邻近地区降水的减少。     

华南黑碳气溶胶浓度与南海夏季风关系的年代际突变

利用重建的华南区域黑碳气溶胶(Black Carbon, BC)浓度资料,分析其与南海夏季风在年际尺度上的关系。结果表明,华南区域BC浓度与南海夏季风的关系在2000年前后有明显的突变,由显著负相关变为显著正相关,即由高BC浓度弱季风变为高BC浓度强季风。通过合成对比分析,发现1988—1999年(第一时间段)的华南BC主要气候效应是间接辐射强迫作用:华南BC使云粒子半径减小,抑制华南区域春季降水,增加了云的生命期,从而使到达地面的短波辐射减少,表面和低层大气降温。负温度异常激发了异常反气旋,在南海区域即有东风异常。到夏季,东风异常减弱了季风强度,同时抑制了南海地区的降水。2000—2010年(第二时间段)的华南BC主要气候效应是直接辐射强迫作用:春季高BC浓度通过直接气候效应,增暖大气,加强降水,但是雨日减少,从而使到达地面的短波辐射增多,表面和低层大气增温。正温度异常激发了异常气旋,在南海区域即有西风异常一直维持到夏季,增大了季风强度,同时增强了南海地区的降水。     

人为源气溶胶的间接气候效应研究综述

气溶胶可以多种途径改变云特征来影响气候。作为凝结核,气溶胶可以增加暖云的云滴数和寿命,间接影响辐射和降水,即为气溶胶的第一间接效应和第二间接效应。观测(包括地面和卫星)和数值模拟是研究间接效应最主要的两种手段,目前这两种方法大多同时采用。本文介绍了气溶胶间接效应的原理及研究方法,并回顾国内一些研究和成果。      

近50年天津地区局地气候变化特征分析

利用天津地区5个台站的降水、云量和大雾等常规地面观测资料,分析了近50年天津地区的气候变化特征。结果表明,天津地区的城市化对局地气候变化的影响日趋明显,人类活动产生的气溶胶浓度的增加已经对云、降水和雾等的气候特征造成了较为显著的影响。表现为：自上个世纪80年代以来,城市化进程比较明显的地区,低云量呈增加的趋势,毛毛雨日数的减少呈减缓的趋势,冬季大雾日数有明显的增加趋势等。而天津地区近50年降水趋势的变化特征,也同时包含了区域大尺度背景条件的影响。     

亚洲地区气溶胶及其对中国区域气候影响的数值模拟

使用一个耦合入化学过程的区域气候模式 (RegCM3), 在NCAR/NCEP再分析资料驱动下, 通过多年时间尺度的连续积分, 进行了亚洲区域气溶胶硫酸盐、 黑碳和有机碳的时空分布及其直接气候效应的数值模拟。首先对模式的模拟能力进行了检验, 结果表明, 模式能够较好地模拟中国地区气温和降水的分布, 对该区域气溶胶的时空分布有一定的模拟能力。模式模拟得到的气溶胶浓度分布在冬季南北差异较大而夏季较小。气溶胶浓度与其形成的大气层顶和地面负短波辐射强迫有较好的对应关系。四川盆地是气溶胶浓度及其产生的辐射强迫的高值区。气溶胶对地面气温和降水都产生影响。其中所引起的冬季气温降低, 与气溶胶的分布和浓度有一定的对应关系, 但夏季引起的降温中心位于河套及黄河下游地区。气溶胶使得冬季和夏季中国东部大部分地区的降水减少。同时, 对气温和降水上述变化的原因进行了讨论。     

青藏高原地区气溶胶及其对降水影响的研究进展

青藏高原(简称高原)气溶胶主要来自周边地区的输送,近年来,随着人为污染加剧和气候条件变化,高原及周边地区气溶胶的特性和气候效应越来越受关注.而高原降水一直是高原气象与气候学的重点,气溶胶对高原降水的影响正逐渐成为研究热点.本文总结了高原气溶胶及其对降水影响的相关研究成果,从气溶胶特性观测(站点和卫星观测)研究、"气溶胶...     

中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响(Ⅰ):硫酸盐气溶胶的影响

利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式离线耦合一个气溶胶同化系统,模拟研究了中国区域硫酸盐气溶胶的直接气候效应对东亚夏季风及其降水的影响.结果显示:中国区域硫酸盐气溶胶引起全球平均的直接辐射强迫为-0.25 w/m2,中国内陆约25°N以北普遍降温,而海表温度升高.由此导致海陆温差缩小,东亚夏季风强度减弱,中国地区季风降水明显减少,而尤以积云降水减少起主要作用.硫酸盐气溶胶对中国地区的对流活动起抑制作用.     

霾期间上海低层气溶胶微物理属性与地面相对湿度分析

用2007年1月至2010年11月美国国家航空航天局(NASA)的CALIPSO星载激光雷达资料,通过532 nm总后向散射系数、体积退偏比和色比,分析了上海地区霾期间低层0~2 km高度气溶胶微物理属性与地面相对湿度的关系。结果表明,当地面相对湿度为65%~80%时,后向散射系数在0~0.001 km-1·sr-1范围内出现的频率最大;当地面相对湿度为50%~65%时,后向散射系数大于0.001 km-1·sr-1的频率最大;低层大气中聚集的主要是规则气溶胶粒子,当地面相对湿度为65%~80%时,气溶胶粒子最为规则,其次为80%~95%的地面相对湿度。当地面相对湿度为50%~65%时,不规则气溶胶粒子所占比重较大;霾期间,低层大气中细粒子气溶胶均占主导地位,但随着地面相对湿度的增大,气溶胶粒子粒径逐渐增大。在地面相对湿度为80%~95%时,大颗粒气溶胶相对较多。     

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。     

气候模式分辨率对气溶胶气候效应模拟结果的影响

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3种分辨率（2°、1°、0.5°）下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值模拟结果的影响。通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大的不确定性。      

兰州冬季的大气浑浊度

1980年12月,我们用太阳光度表在兰州市的地面和625米高度处进行了同步测量大气浑浊度的观测。本文利用两个点的观测资料计算了厚度为625米的低层大气的浑浊度。主要结果是:(1)兰州冬季浑浊度高,12月份埃斯川姆浑浊度系数的平均值为0.44。73％的气溶胶粒子集中在低层大气。(2)低层大气和上层大气的浑浊度系数有不同的日变化规律。(3)低层大气和上层大气气溶胶粒子的大小相同。(4)浮尘天气具有浑浊度系数高和波长指数低的特征。(5)谷地内夜间是浑浊物的净积累期,白天是净消散期,夜间的积累常大于白天的消散,使大气浑浊度总是保持着较高的水平。(6)主要浑浊物源是人造源——煤烟。山谷地势和逆温是影响兰州大气浑浊度的两个突出的自然因素。     

低层大气光学厚度的一些特征

本文利用定时激光探测资料,分析了华北秋季晴天低层大气分层光学厚度的一些特征,并对大气光学厚度的计算方法和误差因素进行了讨论.初步分析结果表明:(1)低层大气光学厚度与气团属性有很密切的关系;(2)在白天,随对流发展、气溶胶由下向上输送的高度可超过3公里,最大输送在2公里以下;(3)消光系数的垂直结构具有明显的日变化;(4)光学厚度与地面水平能见度不呈简单的对应关系.