云微物理特性及云滴有效半径参数化:一次降水层状云的飞机观测资料结果

全球及区域气候模式中云滴有效半径的参数化对于理解云的辐射效应特别是气溶胶间接效应是非常重要的。本文利用延安地区(位于中国西北地区)一次降水层状云的飞机观测资料,首先给出该次过程的云微物理特性包括云滴数浓度(Nc),云水含量(Qc),云滴的半径(Rm),体积半径(Rv),以及有效半径(Re),云滴谱离散度(ε)以及Re/Rv比值因子β;并指出云滴谱离散度ε与云滴数浓度Nc有着很好的递减关系式,所对应的关系式可以表述为ε=0.579-7.42×10-4Nc+4.2×10-7Nc2。进一步,发现云滴尺度谱采用Lognormal分布函数,Gamma分布函数以及Weibull分布函数所参数化的云滴有效半径与观测结果较为一致。值得指出的是,基于Lognormal分布函数的参数化能够更好地描述云滴有效半径。该云滴有效半径的参数化结果将会加强对于气溶胶在中国西北地区间接辐射强迫的认识。     

气溶胶的辐射强迫作用研究进展

人类活动向大气中排放气溶胶,人为气溶胶增强了对太阳辐射吸收和散射直接改变地气系统的辐射平衡,又可以通过作为云凝结核或冰核改变云的微物理特性和停留时间、地表反照率等途径间接影响气候的辐射强迫。综合以往研究,文章主要总结了2种影响气候辐射强迫性质相反的黑碳气溶胶和硫酸盐气溶胶以及相对湿度和黑碳的混合状态对气溶胶辐射强迫效应的影响。完善对大气气溶胶,尤其是人类活动产生的气溶胶的气候强迫机制及对地气系统影响的认识。     

云滴谱离散度对气溶胶间接效应影响的研究进展

气溶胶作为云凝结核(CCN)或者冰核(IN),通过改变云微物理属性可以间接地影响地气系统的辐射平衡及区域乃至全球水循环。最新研究结果表明,云滴谱离散度对气溶胶间接效应(包括第一及第二间接效应)有着重要的影响(简称为云滴谱离散度效应)。然而,在目前绝大多数天气、气候数值模式中并没有考虑云滴谱离散度效应。因此,本文主要从云滴谱离散度对气溶胶第一间接效应和第二间接效应影响的两方面入手,系统地回顾了国内外相关研究工作,并讨论了云滴谱离散度效应的不确定性,进一步指出减少该效应不确定性是未来需要关注的研究方向。     

人为排放气溶胶引起的辐射强迫研究

利用建立的大气气溶胶辐射强迫模式,对我国历年大气气溶胶(TSP和硫酸盐气溶胶)引起的直接辐射强迫进行了计算,并给出其全国分布。得到了一些有意义的结果:我国大气气溶胶引起的辐射强迫与我国能源,特别是燃煤的消耗量密切相关,随着消耗量的增加,大气气溶胶(TSP和硫酸盐气溶胶粒子)引起的辐射强迫也增加;指出在利用辐射模式讨论大气气溶胶引起的直接辐射强迫时,不能忽视扬尘和沙尘的作用;我国由于大气气溶胶引起的直接辐射强迫主要集中在工业比较发达的城市或地区,四川盆地由于其特殊的地理位置和气候条件,在该地区因大气气溶胶产生的辐射强迫始终比较大。      

华北地区沙尘气溶胶对云辐射强迫的影响

采用CERES SSF Aqua MODIS Edition 2B/2C和CALIPSO卫星探测资料结合地面台站沙尘观测资料,通过对强沙尘天气过程中纯云区与沙尘云区大气层顶处辐射强迫值的对比分析,研究了我国华北地区沙尘气溶胶对云辐射强迫的影响.研究发现, 2006年4月16日、5月16日、2007年3月30日3次过程沙尘云区大气层顶云的净辐射强迫绝对值比纯云区分别减小了7.1%,17.2%和3.1%,云的冷却效应受到不同程度抑制.纯云区与沙尘云区云的光学特性参量的对比分析结果表明,绝大部分沙尘云区的云粒径、云水路径和光学厚度值均比纯云区的要小.     

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/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.     

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.     

冰核对华北平原地区积云发展的影响

利用包括双参数化微物理方案的云分辨的WRF模式（简称CR-WRF）,对2014年8月24日发生在华北平原地区的一次积云过程进行了数值模拟。CR-WRF模式比较全面地考虑了气溶胶粒子的活化过程,对不同气溶胶的不同核化方案进行了参数化,包括云凝结核（CCN）的核化、冰核（IN）的均质和异质核化等,令其浓度分为HCCN,MCCN和LCCN三个等级,分别对应数密度为 9000 cm^?3,900 cm^?3和90 cm^?3的情况下,考虑黑碳气溶胶（BC）作为IN,将其数浓度从2 cm^?3增加至 2000 cm^?3,并且在CCN浓度不变的情况下,通过改变BC的浓度探讨积云微物理过程对IN的响应。模拟结果表明：在LCCN条件下,BC浓度很低的时候冰晶数浓度大于HCCN情况下的冰晶浓度。随着BC浓度的不断增加,冰晶粒子数浓度在HCCN条件下迅速增长,并超过了LCCN和MCCN情况下的冰晶数浓度。这是由于LCCN条件下,BC浓度较低时云内过饱和水汽含量高于HCCN情况下的含量,从而形成了较多的冰晶粒子;而随着BC浓度的不断增加,在HCCN条件下的上升气流逐渐大于LCCN条件下的上升气流,因此在HCCN条件下的冰晶得以迅速增长。随着BC浓度的增长,云滴数浓度没有明显的变化;而云滴有效半径呈现出随BC浓度的增长而减小的趋势。这是由于BC对云滴粒子的形成没有较大贡献,随着BC的增加云内上升气流增强,导致云滴粒子有效半径减小。此外,对流中心上升速度随BC浓度的增长而增长;与此同时,下沉速度在LCCN情况下随BC浓度的增长而增长,在HCCN和MCCN情况下则随BC浓度的增长而减小。由此得出以下结论：在LCCN条件下由于云滴粒子的核化过程较低,因此对冰晶的异质核化过程提供了足够的水汽,使得在BC浓度很低的情况下冰晶数浓度大于HCCN和MCCN的条件。由于相变过程会不断地释放潜热,使云内对流中心上升气流增大,下沉气流减弱,并产生更多粒径较小的云滴粒子,从而起到抑制降水发生的作用。     

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.     

对流云云中酸化的数值模拟——Ⅰ.模式建立和初步结果

发展了一维半、时变、微物理过程参数化处理的对流云云雨酸化的物理-化学模式,较为全面地考虑了污染气体向液水的质量传输过程以及液相化学反应动力学过程.通过初步模拟发现,垂直上升气流会很快把低层高浓度SO_τ气体输送到云的上层,从而使酸化过程得到加强;云滴与雨滴微物理结构的不同,对污染气体的吸收影响很大,小的云滴比雨滴更易酸化,云、雨水对污染气体的吸收和云、雨水的比含水量有关.因对流云云内外交换强烈,液水吸收掉的污染气体量相对于环境场而言是很小的.     

新疆干旱区气溶胶间接效应区域性分析

利用MODIS气溶胶和云资料以及实测的降水数据,可从宏观角度分析新疆区域气溶胶时空分布特征,研究气溶胶与云和降水之间的相互影响关系.结果表明：近十年来受区域暖-干趋势的转变影响,新疆地区气溶胶光学厚度空间分布呈现显著的区域性和季节性差异;南疆地区气溶胶光学厚度整体高于北疆地区,春、夏高,秋、冬低,整体呈现增加趋势,其中,北疆地区气溶胶光学厚度变化程度相对较为显著;受气候变化和颗粒粒径差异影响,新疆干旱区云光学厚度与气溶胶光学厚度呈负相关变化趋势,相关系数北疆地区高于南疆地区;云水路径受温度、湿度影响较大,对气溶胶光学厚度的变化的敏感程度北疆大于南疆,夏季最高,冬季最低;气溶胶光学厚度与云滴粒子有效半径关系复杂,受水汽影响较大,在云层含水量较低的情况下,云滴粒子有效半径与气溶胶光学厚度呈负相关,说明在干燥地区或季节,气溶胶的增加,抑制云滴粒子的增长;整体来看,新疆干旱区气溶胶的增加抑制了区域降水的形成.     

对流云云中酸化的数值模拟——Ⅰ.模式建立和初步结果

发展了一维半、时变、微物理过程参数化处理的对流云云雨酸化的物理-化学模式,较为全面地考虑了污染气体向液水的质量传输过程以及液相化学反应动力学过程.通过初步模拟发现,垂直上升气流会很快把低层高浓度SO_τ气体输送到云的上层,从而使酸化过程得到加强;云滴与雨滴微物理结构的不同,对污染气体的吸收影响很大,小的云滴比雨滴更易酸化,云、雨水对污染气体的吸收和云、雨水的比含水量有关.因对流云云内外交换强烈,液水吸收掉的污染气体量相对于环境场而言是很小的.     

气溶胶光学特性及其影响因素研究进展

气溶胶作为大气的重要组成成分之一,通过直接吸收和散射太阳辐射影响太阳辐射传输和地气系统的辐射收支平衡;又可以作为云、冰凝结核影响云的微物理特性,间接地影响对太阳辐射的吸收和散射。这一过程对能见度变化、空气质量状况及气候变化有着重要作用。综合以往研究,文章详细阐述气溶胶光学特性和气溶胶化学组分、混合态及吸湿性对光学特性的影响因素,为气溶胶光学特性的后续研究提供参考。     

西北典型地域云对地气系统的辐射强迫研究

采用NASA 地球观测系统(EOS)“云与地球辐射能量系统(CERES)”的云和辐射资料,研究了我国西北地区4 个典型地域2002 年7月至2004 年6 月云对地气系统辐射强迫的季节及年变化特征,探讨了云特性参量对云辐射强迫的影响.结果表明,云的辐射强迫具有显著的季节变化和地域变化.一般夏季云净辐射强迫最大,冬季最小,而塔克拉玛干沙漠最小值出现在秋季,夏季的季风影响区和塔克拉玛干沙漠区的云净辐射强迫相差达129W/m².云的短波辐射、长波辐射和净辐射年平均效应均在季风区最强,分别达-171.2,48.9,-122.3W/m²;在塔克拉玛干沙漠地区最弱,分别为-54.7,37.3,-17.4W/m².     

基于TUV模式的对流层光解速率影响因子的研究

应用TUV辐射传输模式进行了一系列的敏感性试验,以期确定影响对流层O₃和NO₂光解速率的关键性因子.结果表明,气溶胶的光学性质对光解速率的影响存在明显差异.在气溶胶光学厚度（AOD）一定的情况下,散射性越强,近地面光解速率越大;当AOD从0.5增加至2.5,J[O¹D]和J[NO₂]极大值分别下降30.3%和13.1%.光解速率对较小的云光学厚度的变化比较敏感.云对J[NO₂]的影响存在明显的时间差异,在早晨和傍晚,J[NO₂]的衰减可以达到12%,而午时,J[NO₂]的衰减不足4%;在垂直方向上,云层的存在能够减小通过云层的光化辐射通量,有效降低云下光解速率,而云滴的后向散射特性能增大云上的光解速率.臭氧能够吸收300nm左右的紫外辐射,因而臭氧柱浓度变化对J[O¹D]有显著的影响,臭氧柱浓度从200DU增加至400DU,J[O¹D]极大值下降了53.1%,J[NO₂]极大值仅降低了1.0%.同时发现,气溶胶和云相对位置的改变对光解速率的垂直分布有较大的影响,气溶胶在云上时,高层的光解速率明显增大,且气溶胶的散射性越强,光解速率的增幅越大;当吸收性气溶胶位于云上时,使得高层光化辐射通量大量衰减,此时云层对于光解速率的影响比较微弱.     

环境气象学

X16 2(X)么犯661硫酸盐气溶胶直接和间接辐射气候效应的模拟研究/吴涧…(南京大学大气科学系)//环境科学学报/中科院生态环境研究中心一2(X犯,22(2)一129一134,环图X一9 将大气化学模式引人到区域气候模式中,实现同步计算大气化学成分和气象要素,以中国地区1994年1、4、7、10月为研究对象,模拟了4个月的气候变化,通过分析发现:硫酸盐气溶胶的直接和间接辐射效应都使大气顶产生负的辐射强迫,使地面气温下降;间接效应的引人加剧了辐射强迫和地面降温,是一个不可忽视的重要过程,在模拟中同时考虑直接和间接效应是必须的。图5表l参11X162田202…     

黑碳气溶胶的研究现状:定义及对健康、气候等的影响

空气污染造成的健康和环境影响日益严重.黑碳（black carbon,BC）作为环境空气细颗粒物的重要组成成分,会影响大气辐射强迫,造成气候变化,同时还会引发人体呼吸系统、心血管系统及神经系统疾病等,逐渐受到广泛关注.但在科学研究中,黑碳常易与其他碳质气溶胶名称相混淆.通过文献整理及内容对比等方式,厘清黑碳与炭黑、元素碳、碳烟等碳质气溶胶在定义、产生方式、组成成分、测定方法等方面的异同;明确黑碳在人体中诱导自由基反应、引起氧化应激等致病机理,以及对肺功能、呼吸功能、心血管功能、神经功能的短/长期健康效应的不良影响;梳理黑碳对气候变化的影响机制,如辐射强迫（直接效应、半直接效应、间接效应）和其他云效应影响等;发现黑碳会间接对人体产生健康影响,其与能见度、农作物产量、贫困地区经济水平均存在关联.研究显示:黑碳可吸附较多有毒物质,能作为载体进入人体产生各类不良健康影响;黑碳是颗粒物的重要成分之一,对太阳辐射有强吸收作用,但其辐射强迫值难以准确估算.      

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.     

东南亚生物质燃烧输送影响我国西南气溶胶辐射特性研究

利用2013年地基CE-318太阳光度计观测数据,结合中分辨率成像光谱仪（MODIS）遥感产品和HYSPLIT后向轨迹分析,研究了一次东南亚生物质燃烧污染长距离输送至中国西南昆明站点过程（2013年4月5~8日）中,气溶胶光学特性和辐射特性的变化及其可能来源.结果表明,此次污染过程期间,我国西南地区生物质燃烧活动较少,而中南半岛地区生物质燃烧活动显著.4月5~7日,昆明站点气溶胶光学厚度（AOD）升高,消光波长指数（EAE）和吸收波长指数（AAE）均增大.此外,依据EAE和AAE分类方法,5~6日昆明站点以城市工业气溶胶为主,7~8日以生物质燃烧气溶胶为主,其细模态峰值半径（0.11μm）小于5~6日（0.15μm）,7日细模态粒子体积浓度峰值（约为0.16μm³/μm²）是5日的2倍.气溶胶直接辐射强迫（ARF）日变化结果表明4月7日气溶胶对地表的降温效应达到最大,对大气的加热作用最强.气溶胶直接辐射强迫效率值（ARFE）的变化表明生物质燃烧气溶胶对大气顶的降温作用减弱.MODIS遥感以及HYSPLIT模式后向轨迹表明,此次昆明站点生物质燃烧气溶胶主要来源于东南亚地区（主要是印度北部、印缅北部和不丹地区）.     

硫酸盐气溶胶直接和间接辐射气候效应的模拟研究

将大气化学模式引入到区域气候模式中，实现同步计算大气化学成分和气象要素，以中国地区1994年1、4、7、10月为研究对象，模拟了4个月的气候变化。通过分析发现，硫酸盐气溶胶的直接和间接辐射效应都使大气顶产生负的辐射强迫，使地面气温下降；间接效应的引入加剧了辐射强迫和地面降温，是一个不可忽视的重要过程，在模拟中风吹草动时考虑直接和间接效应是必须的。