构建分档模式的云模型研究太阳粒子辐射影响全球变化的机制

Solar particle radiation-aerosol-cloud-climate is a possible mechanism through wich solar activity can affect global change, and there is plenty of observational evidence in sensitive regions such as polar and North Atlantic to support this theory. The core of this mechanism is that the global atmospheric current charges aerosols and then affects microphysical processes in clouds. However, it is very difficult to directly observe this process so far that this mechanism has been controversial. The numerical simulation of this key process can link theory with observation, but due to the lag of parameterization, the numerical simulation has not made much progress. The research group of the applicant has completed the calculation and parameterization of the collision efficiency between charged particles in the cloud in the past two years, which provides the conditions for numerical simulation of global atmospheric current affecting microphysical processes in the cloud. In response to this major challenge, the applicant is committed to establishing a bin cloud model to integrate the parameterized results of collision efficiency between charged particles in the cloud. On this basis, we will quantitatively analyze the response of cloud macro-characteristics in polar and North Atlantic regions to global atmospheric current, reveal the amplification principle of weak solar input signals, break through the bottleneck problem of solar particle radiation-aerosol-cloud-climate mechanism, and provide scientific basis for studying global change.

太阳粒子辐射--气溶胶--云--气候是太阳活动影响全球变化的一种可能机制，极区和北大西洋等敏感区域有大量观测证据支持该理论。全球大气电流使气溶胶带电进而影响云内微物理过程是该机制的核心环节，但目前直接观测该过程十分困难，以至于该机制一直存在争议。针对这个关键过程的数值模拟工作可以将理论和观测联系起来，但由于参数化工作滞后，数值模拟工作一直停滞不前。申请人所在课题组近两年完成了云内带电粒子间碰并效率的计算和参数化工作，这为数值模拟全球大气电流影响云内微物理过程提供了条件。申请人针对这一重大挑战，致力于建立一个分档模式云模型将云内带电粒子间碰并效率的参数化结果整合进来。在此基础上，定量分析极区和北大西洋区域内云的宏观特征对全球大气电流的响应，揭示微弱的太阳输入信号的放大原理,突破太阳粒子辐射—气溶胶--云--气候机制的瓶颈问题，为研究全球变化提供科学依据。

在当前全球变暖背景下，太阳活动与气候变化的关系受到持续关切。太阳辐射—气溶胶--云--气候机制是本项目的研究对象，但目前相关研究仍不充分。该机制的核心环节是太阳活动通过影响全球大气电流使云内气溶胶带电，进而影响云内微物理过程。本项目的主要研究内容是通过数值模拟和观测阐明云微物理过程响应太阳活动的原理和过程。.首先，本项目发现太阳风磁场东西分量(IMF_By)和夜光云之间存在相关性，找到了太阳活动影响云内微物理过程的新路径。通过分析在2007-2017年期间AIM卫星观测的夜光云数据，发现在南半球夜光云冰晶半径与IMF_By正相关，而在北半球呈负相关。时序叠加分析还表明，在IMF_By方向反转前后夜光云冰晶粒子半径变化约0.73nm。我们提出了一个太阳影响夜光云的新路径:太阳风对极区电离层电势的影响导致全球大气电流的变化，由太阳辐射控制的中间层大气电导率具有陡峭的垂直梯度，当垂直电流变化时积累净电荷并附着在气溶胶上；中间层顶的大气充满由流星烧蚀灰尘组成的气溶胶，这些电中性的气溶胶太小难以成为冰晶粒子的凝结核；太阳活动诱导中间层气溶胶带电，促进夜光云中的成核过程，改变冰晶粒子半径以及反照率。.其次，本项目发现全球雷电活动与太阳活动具有显著相关性。通过对70个宇宙线福布稀下降事件进行时序叠加分析，我们发现期间TRMM卫星观测到的全球雷电活动减少约10%并持续约3天，该结果说明太阳活动可能影响全球雷暴活动的起电过程。.另外，本项目发现北极地区对流层云量和太阳风磁场东西分量(IMF_By)具有一定的相关性，该成果支持太阳活动通过云内电荷影响云微物理过程。.总之，上述基于卫星和地面观测的成果进一步证实了太阳活动可以通过全球大气电流在中低纬度、极区、中间层等敏感区域影响云内微物理过程。本项目的成果对于深入认识太阳辐射—气溶胶--云--气候机制具有重要科学意义，为进一步研究全球变化提供了依据。