基于蓝天空反照率的气溶胶辐射强迫模拟

利用MODIS短波段黑天空反照率(BSA)和白天空反照率(WSA)数据,结合6S辐射传输模型模拟的天空散射光比例因子计算得到蓝天空反照率,基于包头市Aerosol Robotic Network(AERONET)站点的气溶胶光学厚度(AOD)、粒径分布和复折射系数数据通过6S辐射传输模型模拟2018~2021年地表(SFC)和大气层顶(TOA)ARF,并比较不同类型反照率(BSA和WSA)、不同气溶胶模型ARF与真实ARF的差距.结果表明:TOA ARF均值为(1.54±3.8)W/m^(2),其值正负与地表反照率和单次散射反照率有关;大陆型和城市型TOA ARF均为正值,约为真实值的2.2和8.6倍;沙漠型TOA ARF大多为负值,在部分反照率较大的月份为正值.SFC ARF均值为(-30.39±9.5)W/m^(2),夏秋季节绝对值较低;大陆型、城市型和沙漠型SFC ARF约为真实值的1.1、1.76和0.77倍,不同气溶胶模型对SFC ARF影响较小.利用三段法模拟的黑碳(BC)ARF结果表明SFC和TOA BCARF均值分别为(-6.82±4.3)W/m^(2)和(2.23±1.5)W/m^(2),SFC BCARF占总SFC ARF的7.3%~40.4%,夏季占比普遍较高.

基于CMIP6强迫模拟分析人为气溶胶的气候效应(二)——诊断方法在分类评估中的重要性

对气溶胶气候效应开展分类评估并探讨诊断方法的合理性。人为气溶胶辐射效应对计算云辐射强迫的影响为0.38 W·m^-2。诊断评估气溶胶对云辐射强迫的影响需要排除这个偏差。两种基于不同试验设计诊断得出的半直接效应分别为0.21和0.09 W·m^-2,存在显著差异。主要原因可能是人为气溶胶影响云辐射强迫的不同机制之间在模式模拟过程中不断地相互交织,不是简单的线性叠加关系。模式诊断得出的Twomey效应不仅包括Twomey效应本身,还包括Twomey效应引起的部分快速调整。总之,利用模式评估分析人为气溶胶气候效应需要注意审查试验设计和诊断方法的合理性。

京津唐地区气溶胶直接辐射强迫的遥感观测

利用2012年3月京津唐地区气溶胶综合观测实验的地基和卫星遥感数据,结合SBDART辐射传输模型,进行气溶胶直接辐射强迫研究.结果表明,该地区大气中细颗粒居多,气溶胶消光较强,散射性明显,前向散射比例较大.北京、塘沽、唐山大气顶气溶胶平均辐射强迫分别为(-6.58±5.06)、(-13.65±11.51)和(-11.68±7.72)W/m2,地表气溶胶平均辐射强迫分别为(-30.14±13.21)、(-39.11±20.5)和(-28.06±13.34)W/m2,大气层气溶胶平均辐射强迫分别为(23.56±9.50)、(25.46±12.93)和(16.38±8.23)W/m2,说明气溶胶对大气顶和地表产生显著降温效应,对大气层产生增温效应,因此有利于逆温结构的形成,不利于大气污染物的扩散.虽然北京站点辐射强迫值较小,但其辐射强迫效率在3个站点中最大,这主要是因为其单次散射反照率最小.

亚洲夏季风对偶极子型人为气溶胶排放变化的响应特征与机理

利用第六次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)中的两组子试验,结合线性斜压模式模拟的结果,研究了近年来亚洲内部出现的东亚减少、南亚增加的偶极子型人为气溶胶排放变化调控亚洲夏季风响应的特征及物理机制。对东亚夏季风而言,在考虑海洋-大气耦合作用的气候系统总响应中,东亚夏季风环流和降水显著地加强;在不考虑海洋调控作用的大气直接响应过程中,东亚人为气溶胶排放减少导致的陆地升温使得海陆温差增大,进而通过引起东亚陆地上的气旋式环流异常加强东亚夏季风环流和降水。对南亚夏季风而言,其在偶极子型人为气溶胶强迫下呈现出更为复杂的变化特征。在大气直接响应过程中,人为气溶胶强迫引起的海陆热力差异变化导致南亚夏季风环流减弱、降水减少。在考虑海洋-大气耦合过程的总响应中,南亚夏季风环流表现出微弱增强,同时印度次大陆的南亚夏季风降水也出现增多的异常变化。这表明,局地和海洋-大气动力耦合过程在区域气候对人为气溶胶强迫的响应中扮演着非常重要的角色。此外,通过线性斜压模式发现,东亚和南亚局地的人为气溶胶强迫导致的大气加热场异常不仅能影响局地的夏季风环流,还可以通过引起大范围的表面气压异常进而调控整个亚洲夏季风环流的变化。

华北地区沙尘天气垂直气溶胶直接辐射强迫

利用CALIOP数据和SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)辐射传输模式研究了2013~2016年华北地区8d沙尘天气气溶胶及其直接辐射强迫垂直分布特征,分析了气溶胶垂直分布和光学特性对直接辐射强迫的影响.结果表明,气溶胶集中分布在地表及以上3km范围,其中纯净沙尘型和污染沙尘型气溶胶位于上层,污染大陆型气溶胶和烟雾位于下层.大气层顶、地表和大气层的日均气溶胶直接辐射强迫分别是-38.41^-88.44,-74.03^-225.86,9.06~137.42W/m^2.0~8km高度范围气溶胶直接辐射强迫是负值,且随着高度的增加绝对值逐渐减小.气溶胶垂直分布对大气层顶、地表和大气层的直接辐射强迫影响较小,但对直接辐射强迫垂直分布影响较大,由气溶胶廓线差异造成的同一高度层气溶胶直接辐射强迫最大差值能达到31.18W/m^2.气溶胶光学厚度和单次散射反照率对直接辐射强迫影响明显.消光能力相同时,吸收性气溶胶对短波太阳光的衰减作用大于散射性气溶胶,后向散射比例大的气溶胶大于后向散射比例小的气溶胶.

基于MIROC6模式探讨1850-2014年全球不同类型人为气溶胶的时空分布及辐射强迫

利用海-气耦合全球气候模式MIROC6探讨1850-2014年人为气溶胶(AA)的时空分布及年际变化趋势,系统研究了近百年来AA辐射强迫对全球地表温度的影响.AA的大量排放导致近百年来全球年平均550 nm处AA光学厚度(A_(550))增加了50%,在欧洲中西部、印度和中国东南部,A_(550)增长趋势分别为0.38、1.13和1.05/10 a.硫酸盐气溶胶和黑碳气溶胶主要分布于印度及中国东南部等地2014年硫酸盐气溶胶柱浓度在印度及中国东南部增长至40.63和36.97 mg/m^(2),相比于1850年分别增长了39.47和32.32 mg/m^(2).AA辐射强迫使全球大部分地区地表辐射冷却.20世纪末至21世纪初,大气层顶处的全球年平均AA辐射强迫为-0.82 W/m^(2);地表AA辐射强迫为-1.07 W/m^(2).AA辐射强迫导致全球地表温度降低0.05~0.12℃,部分抵消了由温室气体引起的增温效应.

京津冀气溶胶污染对气象要素的影响模拟研究

利用WRF-chem空气质量模式对2010年四季代表月份1、4、7、10月进行情景分析,并分析北京、天津、石家庄三市API月均值与气象要素的相关性。结果表明,在气溶胶污染的影响下,2010年四季代表月份1、4、7、10月的月均太阳辐射量分别下降18.15、18.50、17.64、23.15 W/m2,月均温度分别下降0.26、0.17、0.09、0.28℃,月均大气边界层(PBL)高度分别下降15.36、21.70、15.48、29.73 m,可见气溶胶污染可造成太阳辐射量、温度、PBL高度以及风速等的降低;三市API与水汽压、平均气温和相对湿度呈负相关,与气压和平均风速呈正相关。

基于SBDART模型的中国台北地区气溶胶辐射强迫数值表征研究

气溶胶辐射强迫(DARF)是用于表征其辐射与气候效应的重要物理量,获取的有效途径是将气溶胶光学特性代入辐射传输模型,对DARF进行数值模拟。本文利用天基类型识别模型,对台北地区的气溶胶种类及占比进行了分析,同时结合该地区的AERONET站点数据,基于SBDART模型,研究了该地区不同时间维度下DARF的变化以及不同大气背景条件对DARF的影响。本文研究结果表明:研究期间台北地区的DARF具备显著的季节性变化规律,即夏季高、冬季低;DARF值一定程度上受其粒子类型支配,城市工业型气溶胶是高DARF的主要贡献者。

气溶胶直接辐射强迫研究进展

近年来,气溶胶直接辐射强迫(aerosol direct radiative forcing,ADRF)的不确定性逐渐减少,但由于缺乏大范围、高精度气溶胶光学特征的观测,并且模式对气溶胶光学特性和物理化学过程的描述不够准确,ADRF的不确定性相比温室气体依然很大.本文首先回顾了气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)和单次散射反照率(single scattering albedo,SSA)两种气溶胶光学特性及其相应ADRF时空分布的相关研究.AOD和SSA在不同的时空尺度上差异明显,在经济快速发展的地区(如印度),AOD呈现增长的趋势且平均值较高,而受环境保护政策影响的地区如北美和欧洲呈现下降的趋势且平均值较低.根据站点观测,大多数欧洲、北美洲、非洲和亚洲站点的SSA呈显著增长的趋势,而在生物质燃烧频繁或沙尘爆发的季节,部分地区如深秋和初春的华南和西南地区、春季的华北和西北地区,SSA会下降.未来在全球及大部分区域,随着气溶胶及其前体物排放的下降,ADRF也随之减弱,但减弱的趋势取决于各个区域的发展水平和发展路径.随后,本文系统总结了气溶胶光学特征如AOD、SSA、非对称因子(asymmetry factor,ASY)以及环境因素如地表反照率(surface albedo,SA)、气溶胶高度、气溶胶与云之间的相对位置、不同类型气溶胶之间的相对位置、太阳天顶角(solar zenith angle,SZA)等对ADRF的影响,并梳理了ADRF对不同影响因素的敏感性及不同影响因素对ADRF评估不确定性贡献的相关研究.研究发现,多数情况下SSA是ADRF不确定性最大的来源;而在污染严重的地区,SA和ASY造成的误差也不容忽视.最后,本文从观测和模式两个角度对提升ADRF评估的精确性作了简要展望.未来需要充分结合各种先进的观测和模式,如多角度、多(高)光谱、偏振的遥感观测、精细的原位测量和地球系统模式,获取更精确的气溶胶和环境信息,改进气溶胶及其前体物的模拟.随着对气溶胶与辐射相互作用机制理解的加深,以及相应观测技术和模式模拟能力的进步,ADRF的评估将更加精确.

中南半岛春季气溶胶直接辐射强迫时空演变特征分析

中南半岛国家春季存在大量的生物质燃烧活动,生成的气溶胶会通过大气环流影响我国西南地区大气辐射收支,探究其对大气加热率的影响可为研究它对天气和气候的影响提供依据。基于MERRA-2再分析数据中逐时的气溶胶和晴空下的辐射通量等资料,首先分析其时空特征,其次利用EOF、合成分析等统计方法,讨论中南半岛气溶胶光学厚度(AOD)、地表气溶胶直接辐射强迫(ADRF)的时空演变特征及其与大气短波加热率的关系。结果表明:(1)在3-4月生物质燃烧季节,中南半岛与云南省均存在AOD极大值,它们的时间序列变化趋势具有较高的一致性,主要表现为老挝和越南北部地区AOD中心值超过1,受其影响云南省的AOD由北向南逐渐增强。(2)3-4月中南半岛生物质燃烧AOD与总AOD的高值中心一致,说明该区域气溶胶主要来源于生物质燃烧,老挝北部存在高达28 kg·m^(-1)·d^(-1)的生物质燃烧气溶胶的水平通量散度,能将气溶胶向东北方向输送至中国。(3)地表ADRF与AOD时空分布存在较高的一致性,3-4月老挝和越南的北部地区同样存在地表ADRF高值中心,其值可达-36 W·m^(-2)。EOF第一模态中,印度东北角与我国西藏东南部交界处、老挝、越南和泰国地区均为正位相区域,主要在3-4月出现极大值,2017-2018年间极值减弱,2019年再次增大。云南省地表ADRF时间变化趋势与中南半岛变化一致。(4)地表负ADRF和大气短波加热率的统计关系为:地表的净辐射通量减少越多,低层大气吸收短波辐射造成的加热越大,表明大气内气溶胶截留的短波辐射通量越多,该现象在700 hPa上最为明显,尤其是3-4月。

从辐射强度变化分析深圳太阳辐射气象条件

计算太阳辐射典型年,对与到达地面太阳辐射强度变化密切相关的气象和环境因素进行分析研究,总结出深圳太阳辐射气象条件,运用典型天气进行验证。结果发现:1)温度、相对湿度、降水量、云量、最大风速的风向、沿海站的极大风速和大气气溶胶均与到达地面太阳辐射强度有不同程度的关联,云量与直接辐射呈显著的负相关;2)一天中深圳太阳总辐射最大值出现在11:00～12:00,太阳有效辐射时间为05:00～18:00;月总辐射和直接辐射最大值均出现在每年中的6～7月份;3)辐射强度与空气质量指数(AQI)相关性明显,大气污染物对直接辐射起到较明显的削弱作用,其中O3与辐射关联度较大,其次PM2.5、PM10等在傍晚时对辐射具有一定的削弱作用;4)前汛期云量和水汽、降雨等对辐射的影响作用大。

人为气溶胶导致全球陆地季风区降水减少的动力和热力过程

季风区生活着全球约2/3的人口,季风降水变化直接关系到当地的社会经济发展.观测证据表明20世纪后半叶以来全球陆地季风降水显著减少,理解自然和人为强迫影响该变化趋势的物理过程,对于未来水资源规划、旱涝灾害风险管理、减缓与适应策略的制定具有重要意义.文章通过比较观测资料和第五次耦合模式比较计划(CMIP5)5个全球气候模式不同外强迫试验模拟的1948~2005年全球陆地季风降水的变化,发现观测中全球陆地季风降水的变干趋势与气候模式人为外强迫试验结果,特别是人为气溶胶强迫试验的结果高度一致.利用最优指纹法的检测与归因分析表明,人为气溶胶强迫对该变干趋势的贡献为102%(5~95%的不确定性范围为62~144%).基于水汽收支分析比较热力和动力过程的贡献,发现人为气溶胶强迫主要通过减弱垂直水汽平流从而造成全球陆地季风降水减少.本文结果意味着如果未来季风区气溶胶排放不能得以控制,则季风降水可能会继续减少;而中国自2006年以来气溶胶排放的显著下降趋势,则有利于缓解季风区降水的减少趋势.

Assessment of aerosol effective radiative forcing and surface air temperature response over eastern China in CMIP5 models

气溶胶有效辐射强迫是评估气溶胶气候效应的有效指标。本文利用国际耦合模式比较计划(CMIP5)中7个模式的模拟结果,评估了模式对东亚地区气溶胶光学厚度和有效辐射强迫的模拟水平,并分析了东亚地区平均地表温度对局地人为气溶胶强迫的响应。研究结果显示,大部分模式低估了中国东部和西南部污染地区的气溶胶光学厚度,这可能与模式中气溶胶局地排放、化学过程以及模式分辨率有关;多模式平均的东亚地区气溶胶有效辐射强迫为.4.14 W m.2,气溶胶在东亚地区有明显的降温效应,1850–2005年气溶胶浓度增加使得东亚地区降温.1.05°C。