中国典型地区气溶胶光学特性及其对地—气能量交换的影响研究

Aerosols influence the Earth's radiative balance directly by scattering and absorbing incoming shortwave radiation, and indirectly through its influence on cloud microphysics. These direct and indirect effects are considered to be one of the largest uncertainties in projections of climate change, because the radiative forcing of aerosols is very difficult to estimate due to the large spatial variability of aerosols and the lack of an adequate database on their radiative properties. Thus, the observations of aerosol properties and aerosol radiative effects are urgently required. This project is to study several typical aerosol optical characteristic parameters, analyse the differences and similarities of these parameters through aerosol, land surface process and meteorological observation sites at Lanzhou,Xi`an and Nanjing that respectively representing different typical regions of China with the aid of satellite remote sensing data（e.g., MODIS). Vertical distribution model of several typical aerosol optical characteristic parameters will be established by observation data. Based on radiative transfer simulations of the RTTOV model, aerosol radiative forcing will be obtained and spatial-temporal feature of radiation can be studied based on the simulation results. A relationship model between different types of aerosols and surface radiation (direct, diffuse and global radiation) will be established under different atmospheric conditions by adopting mathematical statistics. The ultimate purpose of the project is to reveal the influence mechanism of aerosols on regional energy exchange and temperature change by investigating the relationship between vertical variation of aerosol radiative forcing and land-atmosphere energy distribution using sensitivity testing experiments.

气溶胶辐射强迫会对地-气能量交换产生影响，地-气能量通量变化会影响区域或全球大气环流调整及气候态的转变，因此，研究气溶胶辐射特性与地-气能量交换的定量关系意义重大。目前，由于气溶胶及其相关观测资料有限，对其辐射效应的量化存在很大不确定性。本项目依据在兰州、西安、南京开展的气溶胶综合观测、陆面过程观测及气象观测，结合TOMS、MODIS等卫星资料反演的气溶胶光学和陆面过程参数，对比研究典型地区气溶胶光学特性参数，建立典型地区气溶胶光学参数的垂直分布模型；采用RTTOV等辐射传输模式模拟计算气溶胶辐射强迫，研究辐射量的时空演变特征；利用观测资料，采用统计方法分不同类型气溶胶和大气状况，研究气溶胶对辐射各分量的影响，建立关系模型；采用敏感性试验方法研究气溶胶辐射强迫变化与地-气能量分配之间的关系，揭示气溶胶对能量交换、温度变化等的影响机理。

气溶胶辐射强迫会对地-气能量交换产生影响，从而影响气候，因此，研究气溶胶及其与地-气能量交换的关系意义重大。本项目在典型地区开展了气溶胶光学物理特性、辐射观测，收集了相关气象、地-气系统能量参数和卫星资料，开展了典型地区气溶胶光学物理特性研究、气溶胶辐射强迫估算及相关参数分析及气溶胶对地-气系统能量平衡影响研究。. 对卫星MODIS/AOD反演产品进行了适用性评估，分析了全国气溶胶光学特性的分布及变化趋势，夏季AOD变化趋势低海拔上升、高海拔下降，低海拔地区AOD随海拔变化的幅度远高于高海拔地区。冬季AOD变化趋势垂直廓线与夏季相似，但冬季AOD趋势由正转负的高度低，吸收性气溶胶作用明显。. 依据观测资料完成了气溶胶光学厚度、波长指数、大气可降水量、气溶胶单次散射反照率及气溶胶消光系数垂直分布的反演，分析了其特征及变化趋势。西安气溶胶消光系数垂直廓线季节差异明显；沙尘期间，近地面气溶胶消光系数远小于非沙尘期间，而高空消光系数变化相反。西安<100nm粒子数浓度高值主要出现在8月，>100nm数浓度高值则出现在12月，夏季新粒子生成事件较多。. SBDART模式模拟表明关中气溶胶在地表、大气顶和大气中引起的辐射强迫年均值分别为-37.19、-13.72和23.47W/m2，分析了地表辐射强迫季节变化。建立了关中地区气溶胶辐射强迫的参数化模型，模式对地面直接辐射强迫模拟结果与参数化模型计算结果相当。关中气溶胶直接辐射强迫高于北方郊区，与太湖地区相当。探空资料分析表明，对流层500hPa附近气温直减率与同高度和低层大气温度呈正相关，且与大气水汽含量、气溶胶含量呈负相关。. 对不同污染状况下的气溶胶廓线以及气溶胶引起的辐射加热率分析发现，在不同污染情况下，边界层底部和上部气溶胶浓度呈反相位变化，且最大加热率所在位置不同，并探讨了气溶胶对能量平衡的影响以及对空气温度变化影响的物理机理。.本研究结果对于深入认识典型地区气溶胶特性，探讨雾霾形成、气溶胶对地-气能量的影响及对大气温度垂直变化影响具有重要意义。