平流层硫酸盐气溶胶辐射效应的模拟研究

平流层中的硫酸盐气溶胶在地球能量循环和全球气候变化中发挥着关键性作用.基于自主开发的矢量辐射传输模型,重点研究对流层气溶胶类型、平流层气溶胶光学厚度（AOD）、太阳天顶角（SZA）和地表反照率等对平流层硫酸盐气溶胶辐射强迫和大气加热速率等辐射效应的影响.结果表明,对流层无气溶胶时,平流层气溶胶在大气顶层（TOA）的辐射强迫为-15.80 W·m^-2,地气系统的冷却效应最大.对流层气溶胶为黑碳时,平流层气溶胶在大气底层（BOT）的辐射强迫最小,为-47.53 W·m^-2,地表冷却最大.同时,平流层硫酸盐的辐射强迫导致对流层 降温,平流层升温,在模拟条件下,最大升温可达0.6 K·d^-1.此外,结果还表明,平流层硫酸盐辐射强迫对AOD、SZA和地表反照率均具有很高的敏感性.平流层气溶胶在TOA和BOT的辐射强迫随AOD的增大呈线性减小趋势,但随地表反照率的增大呈线性增大趋势.AOD和SZA的增大会强化辐射强迫的作用效果,但地表反照率的增大可能会改变辐射强迫的正负,导致平流层硫酸盐对地气系统的作用效果从冷却变为加热.     

用紫外辐射反演气溶胶单次散射反照率的方法研究

利用紫外辐射监测资料,结合对流层紫外与可见光辐射传输模式,反演气溶胶单次散射反照率(SSA).敏感性试验和误差分析表明:紫外辐照度对SSA敏感;气溶胶光学厚度(AOD)对反演SSA的误差影响最大,波长指数次之,地表反照率和其他因素的影响较小.使用该方法计算的珠三角地区的气溶胶单次散射反照率为0.84~0.99,平均值为0.92,与以往研究相比具有较好的一致性.     

北京雾霾天气期间气溶胶光学特性

为了解北京地区雾霾天气条件下大气气溶胶的光学特性,利用2002～2008年AERONET资料分析了雾霾天气期间气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、粒子尺度谱分布和单次散射反照率等气溶胶光学特性参数.结果表明,北京地区雾霾天气期间气溶胶光学厚度表现出较高值,且随波长增大而减小,440 nm时平均气溶胶光学厚度达到1.34.Angstrom波长指数在雾霾天气时也表现出较高值,平均值达到1.11;其中高于0.9的波长指数出现频率达到94%,说明北京雾霾天气期间气溶胶粒子主要以细粒子为主.气溶胶体积尺度谱分布表现出双峰型结构,细模态的平均峰值半径随光学厚度增大而增大,而粗模态的平均峰值半径却随光学厚度增大表现出减小趋势;气溶胶粒子尺度谱中的主模态峰与光学厚度有关.雾霾天气期间平均单次散射反照率达到0.89,且随光学厚度增大表现出依次增大趋势,但对波长变化表现不敏感.     

大气可降水量卫星遥感反演不确定性对太阳总辐射模拟的影响

辐射传输方程模拟法作为一种较为准确有效的太阳总辐射间接获得方法,其模拟精度受到代入方程的大气参数精度的影响。论文通过将香港2005—2013年卫星遥感反演的大气可降水量产品与地面站数据对比,以68.3%的置信水平分析了卫星遥感反演的大气可降水量的不确定性;并通过收集2005—2013年香港其他影响大气上界太阳辐射到达地表的大气参数,如气溶胶光学厚度、气溶胶单次散射反照率、臭氧含量综合模拟大气环境,确定了大气可降水量的不确定性在夏季和冬季对太阳总辐射模拟（250~2 800 nm）造成的相对误差。研究结果表明,受大气可降水量不确定性影响,使用辐射传输方程法模拟获得的太阳总辐射有1%~3%的相对误差。使用该方法冬季受大气可降水量不确定性影响程度比夏季大。决定相对误差大小的主要因素是波长,大气水汽吸收作用强的波长上,相对误差也大;其次因素是太阳天顶角,太阳天顶角越大,该方法模拟所得太阳总辐射相对误差越大。研究为大气可降水量参数不确定性影响下太阳总辐射模拟的误差评估提供了依据。     

气溶胶在采样管中的沉积特性研究

为了正确评价气溶胶在采样管道中的粒子沉积损失,文章通过实验研究确定了采样管道中粒子沉积与有关参数之间的关系。气溶胶粒子粒径为0.04~8.30μm、采样流量为10~30 L/min、采样管道长度为10~35 m。结果表明,当气溶胶粒径约小于1μm时,穿透率随粒径增大而增加,当气溶胶粒径约大于1μm时;穿透率随粒径增加而减小;气溶胶粒子的穿透率随流速增大而增加;气溶胶粒子的穿透率随采样管长增加而减小。     

念青唐古拉山扎当冰川雪冰中不溶性有机碳含量及其辐射强迫研究

为了研究雪冰中不溶性有机碳(Water-insoluble Organic Carbon,WISOC)的含量及其辐射强迫作用,于2012年7月和8月对青藏高原南部纳木错流域扎当冰川90个表层雪冰样品中WISOC的含量进行了分析,采样期间利用地物光谱仪实地测量了反照率.结果表明,在消融季节(7—8月),扎当冰川表面被裸冰、老雪和新雪覆盖,以上3种消融情形下WISOC的平均含量分别为(1618.4±1236.0)、(432.3±329.7)和(183.7±158.0)ng·g-1,雪冰的融化导致WISOC等吸光性物质在冰川表面的富集,降低了冰川表面反照率.通过SNICAR模型(Snow,Ice,and Aerosol Radiative Modle)敏感性分析表明,3种情形下WISOC降低雪冰表面反照率(贡献率)分别为0.0020(6.8%)、0.0018(7.4%)和0.0010(2.1%),对应的WISOC的辐射强迫分别为1.14、1.34和0.81 W·m-2.平均地,WISOC对辐射强迫的影响超过了黑碳(BC)影响的20%,而在新雪覆盖条件下,WISOC对辐射强迫的影响甚至达到了粉尘影响的72.3%.因此,虽然雪冰中的WISOC的吸光能力相对于BC较弱,但所引起的雪冰表面反照率降低及冰川消融等效应不容忽视.     

南京一次典型雾霾天气气溶胶光学特性

利用太阳光度计测得的直射太阳辐射和天空扫描数据,对南京北郊2010年冬季一次雾霾天气过程中气溶胶的光学特性进行了反演研究.研究表明,雾霾影响期间气溶胶光学厚度(AOD)明显增加,在1020,870,675,440nm四个波段上,雾霾前AOD为0.16~0.43,雾霾影响期间为0.31~0.84,雾霾后为0.19~0.48;本次雾霾天气的局地气溶胶散射能力增强,单次散射反照率(SSA)由发生前的0.8~0.86增大到发生时的0.89~0.91,而复折射指数的虚部降低,气溶胶的吸收能力明显减弱;雾霾过程伴随了大尺度气溶胶的导入,同时也有人为排放的贡献.其中雾霾影响期间粗粒子模态的体积浓度是发生前的2.5倍,细粒子浓度也比发生前增长了90%.     

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/m².0~8km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/m².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.     

中国硫酸盐气溶胶直接辐射效应性质与地表反射率的关系

地表反射率是影响硫酸盐气溶胶直接辐射效应的重要参数.本研究在MODIS地表反射率数据和中国二氧化硫排放清单数据的基础上,应用CanMETOP模型和SBDART模型,模拟地表反射率、纬度和直接辐射效应之间的关系,并对中国硫酸盐气溶胶直接辐射效应性质进行分析.结果表明,部分冬季积雪或终年冰雪覆盖的地区,其硫酸盐气溶胶直接辐射效应为正.该研究结果对硫酸盐气溶胶及其气候效应研究具有重要意义.     

标准气溶胶发生系统的建立与性能评估

针对气溶胶测量仪器校准和实验室气溶胶光学特性研究的需求,搭建了一套标准气溶胶发生系统,并对其性能开展了测试研究.系统采用恒定流量的雾化器产生气溶胶,经过扩散干燥管干燥以及电荷中和器带电中和后,产生标准气溶胶粒子.利用氯化钠样品对系统的性能进行了测试,结果表明,当样品溶液浓度增加时,系统雾化产生粒子的数浓度和粒径均随之增加;当载气气压增加,系统雾化产生粒子的数浓度随之增加,而粒径随之减小.在测试时间内,系统发生的多分散气溶胶粒子的几何平均粒径波动小于1%,总粒子数浓度波动小于2%,单分散气溶胶粒子数浓度的稳定性好于4%.     

新疆干旱区季节性积雪中黑碳气溶胶研究

利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）遥感数据与2018年1月野外实测的28个雪样,综合分析新疆干旱区季节性积雪中黑碳气溶胶浓度（BC）分布特征与气溶胶光学厚度（AOD）等.利用HYSPLIT-4后向轨迹模式获取釆样点逐日的后向轨迹,分析BC的可能传输路径.结果表明：①北疆地区积雪覆盖率从11月份到次年1月份逐渐增加,冬季积雪覆盖率可达到97.5%,冬季AOD平均值为0.173,高值出现在天山北坡经济带区域与东部区域（0.2~0.35）,低值区域主要在阿勒泰地区（0.06~0.1）.②表层积雪的BC浓度范围为44.08~1949.9ng/g,平均值为536.71ng/g,BC浓度分布特征为：天山北坡经济带BC浓度（913.24ng/g） > 艾比湖东南部区域（816.56ng/g） > 艾比湖北部区域（421.94ng/g） > 艾比湖西部区域（407.97ng/g） > 克拉玛依区域（162.28ng/g） > 古尔班通古特沙漠区域（124.89ng/g） > 阿勒泰地区（98.51ng/g）.随着海拔升高积雪中BC浓度有微弱上升,相关系数R²为0.03,随着纬度增加积雪中BC浓度均呈下降趋势,R²为0.255.③艾比湖流域后向轨迹中以博乐-精河-艾比湖向东北方向输送路径为主,对采样点的BC浓度影响较大;天山北坡经济带区域主要以精河-石河子-乌鲁木齐的天山北坡城市群向东北输送路径为主,局地污染较为严重;阿勒泰地区的后向轨迹以俄罗斯南部-哈萨克斯坦北部-东哈萨克斯坦输送路径为主,局地污染贡献较少;克拉玛依区域主要来自哈萨克斯坦东部和西部向东方向的输送,局地污染不明显;沙漠区域主要以西南方向输送路径为主.     

北京地区不同类型降水对气溶胶粒子的影响

利用2013~2015年大气成分与气象观测资料,分析了北京地区不同类型降水对气溶胶粒子的影响,结果表明：随着降水强度增大,PM₁₀、PM_2.5、PM₁浓度下降的时次比例、浓度下降比例均增大,PM₁₀下降幅度大于PM_2.5和PM₁;不同类型降水对气溶胶浓度影响不同,对流性降水中大气运动剧烈,对3种颗粒物都有快速而显著的清除效果;稳定性降水细分为3类,显著冷空气型的冷空气垂直下沉运动和降水湿清除可使粒子浓度缓慢下降,无显著冷空气但有颗粒物传输型的降水过程对气溶胶粒子的湿沉降效果有限,无显著冷空气无传输型气溶胶粒子吸湿增长可能导致粒子浓度不会下降;降雪或雨夹雪过程中随着降雪强度增大,气溶胶粒子浓度下降比例增大,但下降时次比例呈指数或者对数变化.雨雪相态转换的降水过程更为复杂,除了上述因素之外,还需考虑雨雪相态转变带来的水滴（雪）粒径、降水粒子对周边气流的动力拖曳作用的变化、冷空气下沉运动对流型的改变.     

青海高原季节性降雪中的黑碳气溶胶

对青海高原2012年季节性降雪进行采集.6个采样点集中在青海高原东南部地区,共包括36袋雪样.从分析结果可知,青海高原东南部地区季节性降雪中含有较多的沙尘,滤膜颜色多为土黄色.6个采样点雪中的黑碳浓度为(184±123)ng/g,表层雪的黑碳浓度范围是59~238ng/g,平均值为152ng/g.通过后向轨迹聚类分析知道气流主要来自南亚和青藏高原地区,有少部分是来自塔克拉玛干沙漠和戈壁地区.     

天山典型冰川区雪冰中碳质气溶胶浓度特征研究

根据2002年与2004年在天山乌鲁木齐河源1号冰川与奎屯河哈希勒根51号冰川采集的粒雪与冰川冰样品,利用热/光反射法(TOR)分析得到有机碳(OC)与元素碳(EC)的浓度,并探讨了天山典型冰川区雪冰中碳质气溶胶浓度的时空特征与环境意义.结果表明,总碳(TC)浓度从高到低依次为:乌鲁木齐河源1号冰川西支雪坑(1 943 ng.g-1)>乌鲁木齐河源1号冰川东支雪坑(989 ng.g-1)>奎屯河哈希勒根51号冰川雪坑(150 ng.g-1)>乌鲁木齐河源1号冰川东支冰川冰(77 ng.g-1),OC和EC的浓度序列也较为类似;天山冰川区雪层中OC浓度平均值为557 ng.g-1,EC浓度平均值为188 ng.g-1.不同冰川积累区雪层剖面的中下部污化层附近一般都会出现碳质气溶胶浓度峰值,但某些突发性事件会使得表层雪也产生浓度峰值;在季节性碳排放(如居民采暖、农业活动等)与碳传输(如大气环流等)的影响下,雪层中碳质气溶胶浓度在7～11月间总体呈波动下降的趋势;冰川冰与粒雪间碳质气溶胶浓度可能存在着数量级的差异,这主要受到冰川所在环境、雪冰采样时空条件等因素影响;雪层表面是否存在EC对反照率有很大影响,模拟显示在波长为300～700 nm范围内反照率平均降低0.22.     

A laboratory study of the efficiency with which aerosol particles are scavenged by snow flakes

An evaluation is made of presently available efficiencies with which aerosol particles are collected by snow crystals and aggregates of snow crystals (snow flakes). In this evaluation we incorporated our own recent experiments, carried out with naturally as well as with laboratory grown snow flakes inside a large walk-in cold chamber. Our evaluation shows that snow flakes are considerably more efficient in scavenging aerosol particles than single snow crystals. This result is supported by the recent wind tunnel studies of Lewet al. (1986,J. atmos. Sci.43, 2410–2417) on the uptake of supercooled drops by snow flakes, and by the theoretical studies of Redkin (1973,Hydrodynamics and Thermodynamics of Aerosols (edited by Voloshichok and Sedunov), pp. 220–238. Wiley, New York), who both attributed the high collection efficiency of snow flakes to a filtering effect involving the open mesh structure of the snow flakes. This conclusion can be understood on the basis of an analysis of the available collection efficiencies of aerosol particles by single snow crystals and snow flakes in terms of the Stokes number. The analysis shows that scavenging of aerosol particles of diameter larger than 0.2 μm by snow crystals larger than 1 mm in diameter is controlled by inertial capture. This mechanism plays only a very minor role in the capture of aerosol particles by snow flakes.     

Disturbance of light-absorbing aerosols on the albedo in a winter snowpack of Central Tibet

A field observation on the albedo of the snowpack in Central Tibet was conducted in the Nam Co region in the winter of 2011. Snow properties, including grain size and density, were measured in the field, and surface-layer snow samples (down to 5 cm) were collected. The average concentrations of black carbon and dust were 72 ppbm (close to that in the glaciers of Mt. Nyainqentanglha) and 120 ppmm, respectively. Inverse trends were found to exist between the albedo of the snowpack and light-absorbing aerosols (LAAs) as well as grain size growth. Modeling showed that black carbon, dust, and grain growth in the winter snowpack can reduce the broadband albedo by 11%, 28%, and 61%, respectively.     

黑碳仪测量气溶胶吸收系数的校正算法和影响因素研究进展

黑碳仪作为常用的吸收系数测量方法之一,广泛应用于气溶胶光吸收特性的实验室和外场观测研究.然而,受测量方法的限制,吸收系数测量的准确性受到颗粒物负载效应,以及滤膜和颗粒物的多重散射效应的影响.本文综述了黑碳仪的测量原理及现有校正算法,探究了其吸收系数测量的影响因素,分析了黑碳气溶胶的混合状态对其吸收系数测量偏差（C_ref’）的影响,探讨了C_ref’与气溶胶单次散射反照率（SSA）的关系以及C_ref’的波长依赖关系,并提出了今后相关研究的建议.     

Seasonal features of aerosol particles recorded in snow from Mt. Qomolangma （Everest） and their environmental implications

To assess the seasonality of aerosol deposition and anthropogenic effects on central Himalayas, a 1.85-m deep snow pit was dug on the northern slope of Mr. Qomolangma (Everest). Based on the morphology and energy dispersive X-ray (EDX) signal, totally 1500 particles were classed into 7 groups: soot; aluminosilicates; fly ash; calcium sulfates; Ca/Mg carbonates; metal oxides; and biological particles and carbon fragments. The size distribution and number fractions of different particle groups exhibited distinct seasonal variations between non-monsoon and monsoon periods, which are clearly related to the differences in air mass pathways. Specifically, the relative abundance of soot in non-monsoon period (25%) was much higher than that in monsoon period (14%), indicating Mr. Qomolangma region received more anthropogenic influence in non-monsoon than monsoon period.     

中国典型冰雪旅游地开发模式及优化路径

北京冬奥会的筹办为中国冰雪旅游发展带来巨大契机,促进了冰雪旅游地的蓬勃发展。基于冰雪旅游地系统理论,构建了冰雪旅游地发展水平评价指标体系,并利用层次分析法、熵权法及加权Topsis法,对崇礼、亚布力、神农架、西岭雪山四个中国典型冰雪旅游地发展水平进行了测度。结果表明：崇礼冰雪旅游发展水平最高,亚布力次之,神农架及西岭雪山仍有待提升。基于此,提炼出四种典型冰雪旅游地开发模式,包括资源主导内驱模式、市场主导外驱模式、资源市场双核共驱模式以及资源市场政策综合齐驱模式。同时,从冰雪旅游地系统视角,提出了中国冰雪旅游地开发优化路径。研究有助于丰富冰雪旅游开发相关理论,为中国冰雪旅游地高质量发展提供智力支撑和案例借鉴。