中国典型地区气溶胶光学特性及其气候效应

摘要

气溶胶在大气中的含量相对较少，但它在全球及区域气候的变化中起着非常重要的作用，这种作用称之为气溶胶的气候效应。一般来说，气溶胶在大气中具有冷却效应，会使得气候变冷，因此研究气溶胶的气候效应对分析全球变暖背景下的“暖洞”现象(负温度趋势)的形成原因有着重要意义。人工增雨(雪)是缓解水资源短缺难题的一项有效途径，其奥妙就在于增加云中的凝结核，而气溶胶不仅可通过吸收和散射太阳辐射而直接影响气候，也可通过作为云凝结核或冰核而改变云的微物理和光学特性以及降水效率，从而间接地影响气候，因此研究气溶胶的间接辐射强迫过程也对制定人工降雨方案具有重要科学指导意义。同时，考虑到气溶胶粒子的气候效应在很大程度上依赖于气溶胶时空分布状况的了解和光学特性的准确分析和计算，因此有必要对气溶胶的光学特性进行充分的了解。此外，利用气溶胶资料可以反演行星边界层高度，且目前缺乏对区域甚至全球边界层高度的探测，利用CALIPSO气溶胶遥感资料结合最新的方法可以反演高质量的连续的长期全球边界层高度。 本论文基于长期的多源卫星遥感资料(CALIPSO、ISCCP、CERES、MODIS和TRMM)，NIES激光雷达资料，CMIP5模式资料，NCEP再分析高空资料及地面资料(AERONET资料、地面台站常规观测资料、CRU高分辨率格点资料、NCEP再分析资料)，综合运用遥感和统计学等方法，以气溶胶为主体，首先研究了以京津冀为中心的高污染华北地区气溶胶的时空分布规律及其光学特性，然后分析了中国地区气溶胶的气候效应，包括干旱半干旱的青藏高原地区云-降水的时空分布特征及其对地气系统的影响、包含华北地区和青藏高原地区在内的中国八个典型地区气溶胶对云和降水的影响以及在全球变暖背景下基于CMIP5模式的中国“暖洞”现象及其与气溶胶和水汽的关系，最后基于CALIPSO气溶胶资料反演了全球白天行星边界层高度。主要结果如下： （1）中国气溶胶光学厚度高值区主要集中在塔克拉玛干沙漠、华北平原、四川盆地、长江三角洲和珠江三角洲地区，低值区主要集中在青藏高原和东北平原上；气溶胶光学厚度春季最大，夏季次之，秋、冬季最小；夏季华北平原地区气溶胶光学厚度平均值最大。 （2）华北地区气溶胶粒子532nm总后向散射系数、退偏振比和色比范围依次为0.5?10-3-8.0?10-3km-1sr-1、0.14-0.3和0.6-2.0，且具有显著的季节和高度变化特征；能见度<5km时粒子散射能力最强，非球形最弱，粒径最小，能见度>10km时相反；大气AOD与能见度之间存在着特定的关系，能见度大时，AOD小，而能见度小时，AOD大；污染沙尘、沙漠沙尘、污染大陆气溶胶和洁净海洋气溶胶集中在0-2km，出现的频率依次为13.81%、8.48%、5.45%和1.22%。 （3）青藏高原地区云量分布整体呈自东向西减少的态势，出现最多的是卷云，最少的是冰层云、冰层积云、冰积云和冰雨层云，水积云、水高积云、水高层云、卷云和卷层云的云量多寡与降水多寡一致；近20年，中高云量在青藏高原地区呈上升趋势(4.40%和1.63%)，低云量则呈明显下降趋势(4.71%)，该结果可能导致青藏高原地区地面气温升高；青藏高原地区云的短波辐射强迫主导着云的净辐射强迫效应，且具有显著的季节变化；青藏高原地区上空的云水资源具有较大的开发潜力，年降水效率为32.2%。 （4）气溶胶粒子对云的微物理特性有着显著影响，云光学厚度和云水路径均随气溶胶光学厚度的增加而增加；云滴粒子有效半径与气溶胶光学厚度关系比较复杂，受水汽影响较大，在云层含水量较低的情况下，冰云(水云)有效粒子半径与气溶胶光学厚度呈负(正)相关，而在云层含水量较高的情况下，二者呈正(负)相关。 （5）气溶胶的增加抑制了干燥的塔克拉玛干沙漠地区的夏季降水，而促进了其它典型区域的降水；整体来看，气溶胶促进了中国地区的夏季降水，气溶胶的增加主要影响的是大雨发生率。 （6）“暖洞”与气溶胶和水汽之间存在这样一种关系：随着气溶胶的增加，云凝结核增多，云量和云光学厚度增加，云的短波辐射强迫减少，温度降低，同时，大气水汽减少，其作为一种重要的温室气体，也会导致温度降低；CMIP5多模式集合平均结果没有很好地抓住“暖洞”的空间分布，而很好地模拟了“暖洞”随时间变化的符号，同时保守地估计了“暖洞”随时间变化的大小；21世纪中国“暖洞”能否再现与将来排放情景有关。 （7）CALIPSO卫星气溶胶资料反演的全球边界层高度75%集中在2km高度以下，集中在0.50-0.75km最多；全球年平均边界层高度为1.49km，春季、夏季、秋季和冬季全球平均边界层高度依次为1.46km、1.46km、1.51km和1.54km；全球陆地上边界层高度以及季节变化趋势都明显高于海洋，且呈现相反的变化趋势。