东亚地区沙尘气溶胶对云、降水及辐射的影响

Some important dust sources locate in the East Asia, which influence the global environment and climate. There is a large uncertainty in the impact of the dust aerosol on cloud and radiation. Combing the satellite data analysis with numerical simulation, this project focuses on the transportation process of dust aerosol in East Asia, estimate the influence of dust on microphysics properties of cloud and precipitation, and reveal the difference of the impact of dust aerosol, cloud and radiation budget over different region in East Asia. This project induces a 3-dimenssional radiative transfer model of dust for the first time to simulate the direct, indirect and semi-direct effect of dust. The impact of dust aerosol on the cloud microphysics will be studied through explicit express on the relationship between dust particles and ice nucleation. The research of this project will contribute to improving the understanding to the mechanism of the temperature and precipitation variation over East Asia.

东亚地区分布着若干重要的沙尘源区，对全球环境和气候变化有着举足轻重的影响。该地区地表类型复杂，不同区域大气中水汽条件差异显著，沙尘气溶胶对云及降水的影响仍存在很大的不确定性。本项目拟将卫星资料分析与数值模拟相结合，选取东亚地区具有代表性的典型区域进行重点研究，定量估算东亚地区不同大气背景下沙尘气溶胶影响云滴数浓度、云水路径、冰水路径等云微物理特性的差异，揭示东亚地区沙尘气溶胶影响云、降水及辐射的特征。项目首次将气溶胶三维辐射传输模式引入东亚地区不同大气条件下的沙尘气溶胶直接、间接及半直接辐射效应研究中，并首次通过显式地建立沙尘气溶胶和云中冰核浓度之间的关系，定量研究沙尘气溶胶对云中冰水路径、冰晶粒子浓度等微物理特性的影响。通过本项研究，将有助于提高对东亚地区沙尘气溶胶影响云、降水和辐射收支机理的认识，为揭示东亚沙尘气溶胶在区域及全球气候变化中的作用提供有力的科学依据。

本项目针对项目研究目标，将卫星资料与数值模拟相结合，开展了烟尘气溶胶对中国北方地区的影响、青藏高原沙尘气溶胶、云的辐射气候效应以及江淮流域的气候响应等方面研究。基于卫星资料，项目对青藏高原上空的气溶胶特性进行了分析，并利用已调试好的首次耦合在区域气候模式中三维气溶胶辐射传输模式（SPRINTARS），研究了典型沙尘事件中青藏高原夏季沙尘气溶胶光学厚度及柱浓度等特性参数在青藏高原的区域分布特征。同时通过云气溶胶激光雷达和红外探测卫星观测（CALIPSO）资料挑选典型个例，利用云和地球的辐射能量系统（CERES）和CloudSat 2B-FLXHR-LIDAR观测数据对模式模拟结果进行验证，模拟了沙尘气溶胶的直接辐射强迫和加热率。研究发现，青藏高原北坡分布着大量沙尘气溶胶，青藏高原和东部地区分布着大量人为气溶胶（碳和硫酸盐）；高原上空气溶胶的辐射效应和大气加热率结果表明，沙尘气溶胶具有较显著的吸收作用，对大气具有加热作用；加热率的大小取决于沙尘气溶胶的浓度，其瞬时加热率可达5.5 K/day。同时，利用已有的卫星资料和站点资料，研究了青藏高原地区云、气溶胶与高原地区气候变化的关系；另外，也利用CMIP5和CRU等模拟和观测的气候资料，研究了模式对青藏高原地区的模拟性能。利用中国气象局（CMA）观测资料分析了相较于20世纪末以来全球气候出现的增暖停滞青藏高原地区的异常气候变化，通过结合国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）和CERES资料，探讨了云对青藏高原地区2000-2015年快速增温的原因，结果表明云在调节高原增温方面发挥着重要作用。 总体而言，沙尘气溶胶主要通过改变短波辐射来影响青藏高原地-气系统的辐射能量收支和大气热力结构。研究也发现，中云的反照率效应下降和高云的长波温室效应增加可能部分促进了高原持续变暖。同时，基于CMIP5模型的分析表明，减少的中云比增加的高云在调节高原加速变暖上作用更为显著。本项研究取得的研究结果有助于提高对东亚地区沙尘气溶胶、云、降水和辐射收支的认识，为揭示东亚沙尘气溶胶、云在区域及全球气候变化中的作用提供有力的科学依据。