黑碳和沙尘气溶胶光学特性及全球辐射强迫的模拟研究

摘要

本文采用GADS(全球气溶胶数据集)中黑碳和沙尘气溶胶资料，分析了黑碳和沙尘气溶胶的辐射特性及其在全球的分布特征；并利用Zhang et al.改进的BSTAR5C/CCSR/NCC辐射传输模式模拟研究了全球范围内黑碳和沙尘气溶胶的辐射强迫、探讨了可能导致辐射强迫不确定性的原因，得出了一些有意义的结论。 本文的主要工作可以概括为以下几个方面： 1.利用GADS，分析黑碳和不同沙尘气溶胶的复折射指数，以及消光系数、单次散射反照率和非对称因子等辐射特性，结合黑碳和沙尘气溶胶的浓度资料，计算冬夏两季黑碳和沙尘气溶胶的光学厚度，分析光学厚度在全球的时空分布特征。研究结果表明：(1)黑碳气溶胶光学厚度全球分布与人类活动区域密切相关，其对太阳辐射以吸收为主、呈现出后向散射为主的特性；(2)4个主要沙尘区域是北非，中亚地区，澳大利亚西部和北美地区西部。沙尘气溶胶对<8 μm的辐射的吸收作用很弱，沙尘气溶胶对波长8～11μm范围内的辐射有明显吸收作用，在<0.8岬波段范围内，沙尘气溶胶呈现出前向散射为主的特性。 2.利用Zhang et al.改进的BSTAR5C/CCSR/NCC辐射传输模式，估算冬夏两季黑碳和沙尘气溶胶的晴空辐射强迫，并通过一系列敏感性试验讨论气溶胶地表反照率和太阳高度角等因素对晴空辐射强迫的影响，并讨论了黑碳气溶胶辐射强迫的纬向平均的变化。结果表明：(1)由黑碳气溶胶引起的冬季对流层顶辐射强迫的全球平均值为0.085W/m<'2>，夏季为0.155 W/m<'2>；冬季地面辐射强迫全球平均值为-0.37W/m<'2>，夏季为-0.626W/m<'2>。黑碳气溶胶在对流层顶正的辐射强迫和在地面负辐射强迫的绝对值随太阳天顶角的余弦线性增加；地表反照率会对黑碳气溶胶造成的辐射强迫的强度和分布产生重要影响。(2)沙尘气溶胶可以吸收和散射太阳辐射和地面长波辐射，由沙尘气溶胶引起的冬季对流层项辐射强迫的全球平均值为-0.07W/m<'2>，夏季为-0.02W/m<'2>：冬季地面辐射强迫全球平均值为-0.85W/m<'2>，夏季为-0.98 W/m<'2>。对短波辐射强迫而言，地表反照率会对沙尘气溶胶造成的辐射强迫的强度和分布产生重要影响，在对流层项沙尘气溶胶造成的辐射强迫和在地面造成的负的辐射强迫的绝对值随地表反照率的增加线性增大。天顶角对沙尘气溶胶对流层顶和地面短波辐射强迫的影响也比较大，对于相同浓度的沙尘气溶胶，在不同的季节，对地气系统热力和动力结构造成的影响不同。 3.采用国际卫星云气候学计划(ISCCP)云覆盖资料，加拿大J.Li的云诊断方案，模拟估算了黑碳和沙尘气溶胶的云天辐射强迫，通过与晴空辐射强迫对比，分析了云对对流层顶和地面辐射强迫的影响。研究结果显示：(1)云对黑碳气溶胶辐射强迫的影响以中低云为主。云层不改变黑碳气溶胶地面辐射强迫的符号，使负的地面辐射强迫减小。(2)就沙尘气溶胶晴空对流层顶短波辐射强迫而言，云的存在，会使较高地表反照率上空的沙尘气溶胶的直接辐射强迫减弱，而使较低的地表反照率上空的沙尘气溶胶直接辐射强迫增加。云的存在使区域平均对流层项短波辐射强迫显著减小，对长波辐射强迫也有减弱作用，但影响比短波辐射强迫小。云同样能够减弱沙尘气溶胶地面辐射强迫，但地面所受影响比对流层顶小。

目录

文摘

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第一章绪 论

1.1引言

1.2黑碳气溶胶

1.2.1黑碳和有机碳气溶胶

1.2.2黑碳气溶胶的混合方式

1.2.3黑碳气溶胶的观测研究

1.2.4黑碳气溶胶的辐射强迫

1.3沙尘气溶胶

1.3.1沙尘气溶胶的长距离输送

1.3.2近年来国内学者对沙尘气溶胶进行的观测分析

1.3.3沙尘气溶胶的辐射强迫

1.3.4国内在数值模拟方面的工作

1.4论文的主要内容

第二章 黑碳和沙尘气溶胶质量浓度的资料来源及全球分布分析

2.1引言

2.2黑碳和沙尘气溶胶浓度资料来源

2.3黑碳气溶胶质量浓度全球分布

2.4沙尘气溶胶质量浓度全球分布

2.5本章小结

第三章 黑碳和沙尘气溶胶光学厚度的全球分布及分析

3.1引言

3.2数据集简介

3.3黑碳气溶胶光学厚度分布特征及其原因分析

3.3.1黑碳气溶胶光学厚度全球分布特征

3.2.2冬季黑碳气溶胶吸收系数和散射系数的全球分布

3.2.3黑碳气溶胶的其它物理和光学参数

3.4沙尘气溶胶总光学厚度全球分布特征

3.3.1 4种类型沙尘气溶胶光学厚度全球分布特征

3.3.2 4种沙尘气溶胶的其他物理和光学参数

3.5本章小结

第四章 辐射传输模式的介绍及检验

4.1引言

4.2辐射传输模式的介绍

4.3辐射传输模式的检验

4.4用该辐射传输模式计算黑碳和沙尘气溶胶光学厚度的全球分布

4.5本章小结

第五章全球黑碳和沙尘气溶胶晴空辐射强迫的数值模拟

5.1引言

5.2晴空辐射强迫的计算方案

5.2.1黑碳和沙尘气溶胶晴空直接辐射强迫的定义

5.2.2地面反照率

5.2.3太阳天顶角

5.2.4辐射强迫计算流程

5.3辐射强迫模拟结果

5.3.1黑碳气溶胶辐射强迫以及敏感性研究

5.3.2沙尘气溶胶辐射强迫以及敏感性研究

5.4本章小结

第六章云对黑碳和沙尘气溶胶直接辐射强迫的影响

6.1引言

6.2云资料及云方案

6.3 云对黑碳和沙尘气溶胶直接辐射强迫的影响

6.3.1云对黑碳气溶胶短波直接辐射强迫的影响

6.3.2云对沙尘气溶胶直接辐射强迫的影响

6.4本章小结

第七章 结论与讨论

7.1本文研究的主要结论

7.2存在的问题

7.3对今后工作的展望

参考文献

发表论文

致谢