气溶胶辐射效应对河北山区一次对流云和降水过程的影响机理与阈值研究

本文利用新一代中尺度天气研究和预报模式WRFv4.3对2017年5月22日河北西南部一次对流云和降水进行模拟。本研究采用卫星观测的气溶胶消光系数垂直廓线,分析了气溶胶辐射效应对云和降水影响。通过模拟试验,本研究量化了气溶胶辐射效应对本次降水率影响的气溶胶含量阈值,探讨了伴随辐射加热产生的微物理过程的潜热加热和平流加热等联动机制,并分析了辐射效应对温湿变量和热动力条件的影响。研究结果发现:(1)气溶胶光学厚度(AOD)从0.1增大至1.5,气溶胶辐射效应对降水峰值的影响先增大再减小,在AOD为1.0时增大效果最显著,对累计降水的影响先减小再增大,在AOD为1.0时的抑制作用最弱;(2)气溶胶辐射效应导致的辐射加热率的改变伴随着潜热加热率和总平流加热率的显著变化,总加热率的变化主要由后二者决定;(3)气溶胶辐射效应增强了对流成熟阶段的垂直上升运动,有利于更强对流和降水发生。

气溶胶辐射效应对气象和环境影响的观测与模拟研究

选取2015年和2019年不同代表年份,结合外场观测和数值模拟,分析了天津地区不同季节不同天气(晴天、多云、霾)下,气溶胶辐射效应对整层大气透过率和地表入射太阳辐射的影响,以及这种影响在不同年份的差异.借助WRF-Chem模式模拟分析了重污染期间气溶胶辐射效应对垂直方向上气象要素廓线、边界层结构以及PM_(2.5)浓度的反馈机制.结果表明:霾污染可导致大气透过率明显下降,春、秋、冬不同季节,霾污染导致中午大气透过率分别下降0.09,0.11和0.09.全年平均霾污染可导致大气透过率降低约15.5%.云量的增多也可导致大气透过率明显下降,多云天气下大气透过率相比晴天减小约22.4%.霾和云对大气透过率的影响还与太阳高度角有关,当太阳高度角>60°时,霾污染导致大气透过率下降8.6%.随污染等级提高,气溶胶对太阳辐射的衰减作用也越强,天津地区空气质量分别为Ⅰ~Ⅰ级时,中午地表入射短波辐射呈稳定下降趋势,依次为484,446,439,342,328和253W/m^(2).重污染期间,气溶胶辐射效应导致大气低层(250m以下)降温(0.8℃)增湿(3.8%),而中高层(300~1900m)增温(0.5℃)降湿(2.4%),边界层逆温趋势增强,大气垂直扩散能力减弱,最终形成气溶胶-辐射-边界层-污染正反馈机制,极端情况下可使得近地面PM_(2.5)浓度进一步升高约40μg/m^(3),且这种反馈效应在午后16:00最明显.随大气污染防治行动持续深入,天津空气质量明显改善,与2015年相比,2019年天津年均PM_(2.5)浓度下降27.1%,污染超标天数减少43.8%,受此影响,气溶胶对太阳辐射的衰减作用减弱,2019年冬季霾污染导致中午大气透过率减小0.05,Ⅳ级以上污染天气地表入射短波辐射通量下降85.3W/m^(2),但重污染期间,气溶胶辐射反馈机制仍可通过改变垂直温度层结,对污染的加剧(约20μg/m^(3))产生不容忽视的影响.

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.

中国大气气溶胶辐射特性参数的观测与研究进展

长期系统的气溶胶辐射特性观测资料是定量研究气溶胶辐射和气候效应的重要基础。本文综合介绍中国大气气溶胶辐射特性观测与研究现状和成果,重点包括以下内容:地面太阳光度计联网观测气溶胶光学厚度、单次散射反照率、尺度谱;从全波段太阳辐射反演气溶胶光学厚度、单次散射反照率;浊度计和黑碳仪测量地面气溶胶散射系数和吸收系数;地基/星载激光雷达观测气溶胶(后向散射系数)垂直分布;极轨/静止卫星遥感反演气溶胶光学特性。

复杂地形城市冬季边界层对气溶胶辐射效应的响应

作者着眼于城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用问题，针对地形复杂的兰州市及周边地区，开发应用了WRF（Weather Research and Forecasting，天气研究和预报）模式，使之与包含了大气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的综合大气边界层数值模式嵌套起来。通过个例分析，揭示了冬季气溶胶辐射效应对边界层结构的定量影响。主要特征为夜间气溶胶的长波辐射效应使地面附近的气温增高，增温幅度为0．1～0．3K／h，使低空（25-300m）大气层冷却，降温幅度为0．08～0．15K／h，风速在150m以下减小；白天气溶胶的短波辐射效应使地面层内明显增温，1h内升温约0．5K，增温最大值在混合层顶500-600m高度。受增温影响，垂直风场和水平风场随之调整，风速在450m以下增大约0．1m／s左右，而在450m以上风速减小0．1m／s左右。

华中区域空气质量数值预报系统评估及气溶胶辐射效应的模拟研究

基于多种检验指标对2015年6月至2016年2月华中区域空气质量数值预报系统的6种污染物(PM_(10),PM_(2.5),SO_2,NO_2,CO,O_3)和AQI指数的预报结果进行检验评估,在确保模拟效果的基础上,通过敏感性试验研究区域气溶胶对地面气象要素的影响,结果表明:华中区域空气质量数值预报系统对湖北省6种污染物和AQI具有稳定且较好的预报效果。存在03预报较实况偏高,预报误差较大的问题,后期将通过误差订正来减小误差。对比CUACE模式预报效果表明,24～48 h的预报效果区域模式优于CUACE,72 h两个模式预报效果相当。气溶胶对地面气象要素具有一定的影响,对2015年1月9-12日的模拟过程而言,气溶胶的总辐射效应使地表接收太阳辐射减少7.740 W·m^(-2),2 m气温降低0.162℃,行星边界层高度降低16.457 m,相对湿度增加0.557%,10 m风速减小0.011 m·s^(-1),其中直接效应和间接效应各有一部分贡献,气溶胶对白天地面气象要素的影响比夜间大。由于区域接受太阳辐射减小、气温降低、行星边界层高度降低、风速降低、湿度增加有利于气溶胶吸湿增长等条件不利于污染物扩散,污染物浓度不断累积升高又促使气象条件的上述变化,由此产生了气象条件与大气污染之间的双向反馈作用。

基于激光雷达资料的气溶胶辐射效应研究

利用新型激光雷达气溶胶探测资料及综合数值模式,以地形复杂的兰州市及周边地区冬季典型天气形势下的大气边界层为研究对象,通过理想试验模拟研究了城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用.结果表明：夜间,低空（50 ～600 m）气溶胶所在气层冷却效应明显,温度降低0. 13 ～0. 18 ℃,600 m 高度以上,气溶胶浓度较低,其冷却效应较小,温度降低不足0. 1 ℃;白天,受气溶胶短波辐射效应影响,边界层内增温明显,增温最大值位于低层脱地逆温层顶300 m 高度附近,600 m 以上由于气溶胶浓度减小,加热率亦降低,增温由〉 0. 2 ℃减至0. 1 ℃.此外,气溶胶的存在使得所在层的风速降低.可见,激光雷达探测资料在边界层模式中有很好的应用价值,对于研究气溶胶辐射效应的大气边界层响应有重要意义.

重霾天气气溶胶辐射效应对近地面臭氧峰值的影响

重度灰霾(或重霾)条件下,大气气溶胶颗粒物显著衰减到达地表的太阳紫外辐射,对臭氧O3光化学过程形成产生重要影响。通过对2013年12月1-10日发生在长三角地区的一次重霾过程进行详尽分析,结合对流层紫外和可见光模型(TUV)及NCAR箱式模型(MM),探讨气溶胶辐射效应对地面臭氧形成和浓度峰值的影响。研究表明,区域输送、稳定边界层累积和二次气溶胶过程等是导致本次重霾发生的主要原因;重霾条件下,臭氧光化学反应明显减弱,臭氧日峰值明显降低,但光化学反应仍缓慢进行;受各种因素如区域输送、边界层累积效应及二次气溶胶等过程影响,臭氧浓度随细颗粒物PM10浓度升高而缓慢上升。TUV和MM模拟结果与观测吻合较好,模拟结果进一步显示,当气溶胶光学厚度AOD由0.8增加到2.0时,到达地表的紫外辐射衰减63%,地面臭氧峰值浓度降低近83%,表明随着灰霾污染加重,近地层臭氧浓度有所降低。

气溶胶辐射效应对边界层结构及夹卷特征影响的观测分析

2017年12月22日至2018年1月18日利用无人机携带温、湿和颗粒物浓度探测仪对南京地区灰霾污染条件下大气边界层垂直结构开展加密观测。通过比较不同灰霾污染条件下温度、湿度和PM2.5(直径小于2.5微米的颗粒物)浓度的垂直结构差异,结合地面热通量、2米空气温度、相对湿度、风速、风向及主要大气污染物(如臭氧和PM2.5)浓度,定量评估了气溶胶辐射效应对边界层和夹卷过程的影响。分析表明,灰霾或气溶胶削弱到达地表太阳辐射,减小地表感热通量,延迟边界层发展,增加近地层大气稳定度,降低边界层高度,并加重灰霾污染。灰霾污染物在混合层顶处累积,导致PM2.5浓度最大变化出现在边界层顶部而不是近地层。气溶胶辐射效应对夹卷特征及其特征参数有重要影响。灰霾浓度升高时,夹卷区厚度增加;无量纲化夹卷速度随对流理查逊数的变化不再符合负1次方幂函数关系,与大涡模拟结果一致。本研究进一步指出,为提高重霾污染条件下天气和空气质量数值预报水平,必须考虑气溶胶辐射效应对边界层和夹卷参数化的影响。

北京不同区域气溶胶辐射效应

采用大气辐射传输模式SES2以及2013年1月—2015年10月欧洲中期天气预报中心细网格再分析资料计算了北京地区4个观测站地面接收的短波辐射通量,分析了晴天和云天北京城郊气溶胶对总辐射的定量影响时空变化特征。结果表明:北京城区和近郊区气溶胶对总辐射的影响约为远郊区的2倍,北京南部和西部气溶胶对辐射的影响较大,晴天和云天北京城区和近郊区气溶胶对总辐射的削减值分别为146.23～180.99 W·m^(-2)和202.11～217.02 W·m^(-2),晴天总辐射削减空间差异较大;秋冬季气溶胶对总辐射的影响明显大于春夏季,北京市观象台秋冬季气溶胶对总辐射的削减作用最大可达60%,较春夏季高10%～20%;北京城郊总辐射和直接辐射削减率与气溶胶光学厚度变化均呈线性关系,近地面PM_(2.5)浓度对辐射的影响不容忽视。

气溶胶辐射效应对边界层及污染物浓度的影响

筛选2017年5月23—31日典型污染个例,利用WRF-Chem大气化学模式,通过设置敏感性实验的方法,模拟研究了气溶胶辐射效应对北京地区大气边界层高度、温度、相对湿度及O3和PM2.5浓度的影响。结果表明:考虑气溶胶辐射效应情况下,模拟时段内北京地区平均边界层高度下降约34 m,平均近地面2 m气温下降约0.3 K,平均相对湿度上升约0.78%;气溶胶辐射效应造成O3平均浓度减少约1.71μg/m^3,PM2.5平均浓度增加约1.65μg/m^3。研究发现:气溶胶辐射效应对各要素值在不同高度层上具有不同影响,温度与相对湿度变化趋势相反,低层PM2.5浓度上升,边界层以上PM2.5浓度下降。此外,城郊、地形也都是影响气溶胶辐射效应的重要因素,在城区及平原地区要素值受气溶胶辐射效应影响产生的变化更加明显。

南京一次重污染过程PM_(2.5)垂直分布的模拟及气溶胶辐射效应的影响

准确模拟PM_(2.5)垂直分布对理解灰霾的形成和消散机理以及检验模式预报能力至关重要。利用在线耦合大气化学模式WRF-Chem v3.9.1对2017年12月22至25日南京地区的一次重污染过程进行模拟,结合地面观测的气象要素和污染物浓度、激光雷达得到的气溶胶消光系数及无人机观测的PM_(2.5)垂直廓线等数据对模式进行综合评估,并探讨气溶胶辐射效应对PM_(2.5)垂直分布的影响。结果表明,WRF-Chem对白天地面气象要素及PM_(2.5)垂直分布模拟较好,但对夜间PM_(2.5)浓度严重高估(MB=49.8μg/m^(3))。夜间模拟的近地层逆温过强、边界层高度过低,导致PM_(2.5)聚集在较低的高度并向上浓度逐渐递减,但观测的PM_(2.5)在夜间仍然维持近乎均匀混合的分布方式。相比夜间,气溶胶辐射效应在白天的影响更加明显,主要通过降低边界层高度影响PM_(2.5)垂直分布方式。本研究对于理解WRF-Chem模拟PM_(2.5)垂直分布的表现及边界层参数化方案的改进等具有重要的意义。

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。

云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响

云通过辐射过程对地气系统的能量平衡起着特别显著的调节作用 ,是影响天气、气候以及全球变化的重要因子。近年来 ,有云大气对太阳短波辐射的“异常吸收”又成为云—辐射研究中的一个争论热点。有云大气的短波吸收受到多种因素的影响 ,关于这方面的研究还不够充分。本文通过计算 ,从理论上探讨了若干因素的组合对大气吸收的综合影响。在计算中 ,同时考虑了不同太阳辐射波段、不同太阳入射天顶角、不同云顶高度以及不同下垫面的影响 ,并考虑了包含大气分子、气溶胶和云滴的吸收与散射 ,以及在近红外波段大气自身的热辐射等过程 ,阐明了云与气溶胶在不同波段对大气吸收太阳辐射的影响。

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.

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.

气溶胶组分反演方法光学辐射产品精度的综合分析

基于2005–2013年POLDER-3多角度偏振观测资料,通过最新开发的可以实现气溶胶光学特性及组分信息同时反演的气溶胶组分卫星反演方法获得全球气溶胶综合产品,并利用AERONET (Aerosol Robotic Network)全球站点观测资料对反演获得的气溶胶光学辐射特性产品进行了综合评价分析,讨论了气溶胶组分反演方法的适用性和先进性。结果表明,气溶胶组分反演方法应用于多角度偏振观测中,不仅可以获得高精度的多个波段气溶胶光学厚度(AOD)产品,还可以获得多个波段吸收性气溶胶光学厚度(AAOD)以及不同波段组合下(440/670 nm, 670/870 nm,870/1020 nm, 440/1020 nm)?ngstr?m指数(AE)等气溶胶光学辐射特性产品,并且这些气溶胶光学特性反演产品都具有较小偏差,表明气溶胶组分反演方法能够更好地对观测数据实现拟合,获得更丰富更精确的气溶胶卫星反演产品,为进一步优化算法并提供更加精确的卫星产品奠定基础。

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。

生物质燃烧输送对青藏高原气溶胶光学辐射特性的影响研究

利用青藏高原拉萨(Lhasa)和珠峰(QOMS_CAS)站点地基CE-318太阳光度计观测数据,研究了2012年4月2日至4月5日一次生物质燃烧输送对青藏高原气溶胶光学和辐射特性的影响;并结合卫星遥感产品以及后向轨迹模式分析了本次生物质燃烧输送的可能来源。结果表明:本次气溶胶污染期间Lhasa和QOMS_CAS站点的主要气溶胶类型变为生物质燃烧气溶胶,气溶胶粒子的消光性增大(气溶胶光学厚度(AOD)增大,Lhasa和QOMS_CAS站点AOD最大值分别为0.4和0.29),尺度减小(消光波长指数(EAE)>1.5),吸收性增大(吸收波长指数(AAE)>1.3),细模态粒子体积浓度增大,而细模态粒子峰值半径减小。气溶胶辐射强迫表明此次输送过程使得Lhasa和QOMS_CAS站点的气溶胶对大气顶和地表的降温作用增强,对大气的增温作用也增强。生物质燃烧输送的可能来源为南亚的印度东北部,尼泊尔与不丹地区。