改进高分辨气候系统模式（FGOALS-f）气溶胶方案研究气溶胶及其区域输送对青藏高原地区辐射收支的影响

The Tibetan Plateau, known as the “Third Pole”, is a sensitive region of global climate and environmental change. It is of importantly scientific significances to identify the effects of local and regional transport of aerosols and their synergies with cloud microphysics and radiation on the Tibetan Plateau’s radiation budgets. In this proposal, based on our climate system model named FGOALS-f, we will improve the multi-component aerosol module considering the dynamic processes of aerosol emission, transportation, and deposition. The interactions of aerosols, cloud microphysics, and radiation will also be considered. After validation and optimization of the aerosol model with satellite-based aerosol optical properties, we will further identify the effects of natural and anthropogenic emissions on the aerosol spatial-temporal distributions and radiation budgets over the Tibetan Plateau through sensitivity experiments. At last, the contributions of local and regional transport aerosols to the aerosol spatial-temporal distributions and radiation budgets over the Tibetan Plateau will also be separated. This study is an important aspect of the research and development of model physical processes and is expected to improve the simulation capabilities and precisions of aerosol-related processes with FGOALS-f. This work will also enhance the understanding of scientific issues such as natural and anthropogenic aerosol distributions and transportations over the Tibetan Plateau. Furthermore, our results are also very useful in the radiative forcing calculation and climate change research.

具有“第三极”之称的青藏高原是全球气候与环境变化敏感区，分离局地和区域输送气溶胶与云微物理和辐射协同作用对其辐射收支的影响具有重要的科学意义。我国自主研发的高分辨气候系统模式FGOALS-f采用描述的气溶胶场，缺乏气溶胶-云-辐射动态相互作用过程的模拟。本项目将改进FGOALS-f气溶胶方案，研发与之相适应的多成分气溶胶源排放、传输和沉降模块，实现对气溶胶过程的动态模拟及其与云微物理和辐射过程的相互作用，并结合卫星观测资料，验证和优化气溶胶动态过程参数化方案；进而基于敏感性试验，辨识自然和人为源排放对青藏高原地区气溶胶时空分布和辐射收支变化的影响，分离局地和区域输送的贡献。本研究属于模式物理过程研发一个重要方面，有望提高FGOALS-f气溶胶相关过程的模拟能力和精度，增强对青藏高原地区自然和人为气溶胶分布和输送科学问题的理解，进而推动气溶胶的辐射效应估算，深化气溶胶对气候的影响研究。

国产高分辨气候系统模式CAS FGOALS-f缺乏动态气溶胶过程及其与云微物理和辐射相互作用的参数化方案，严重制约了其对青藏高原地区气溶胶来源及其辐射效应量化研究，项目通过增加CAS FGOALS-f沙尘、海盐、碳质和硫酸盐等多组分气溶胶源排放、硫化学、输送和干湿沉降等气溶胶动态过程参数化模块，进而基于动态预报的多组分气溶胶质量浓度，结合其谱分布、复折射指数、吸湿增长特性和混合状态等参数，利用米散射程序建立了辐射模块RRTMG所需的不同化学组分气溶胶的宽带消光、单次散射比和不对称因子等参数，并通过加入气溶胶活化方案影响云滴有效半径和云降水转化效率，实现了气溶胶-辐射-云降水-动力过程的全耦合作用，模拟的全球气溶胶大气循环过程、光学特性等时空分布特征及其辐射气候效应与国际先进模式结果基本一致。.新发展的CAS FGOALS-f3模式结果表明青藏高原北部主要为粗颗粒的沙尘，南部以碳质和硫酸盐细颗粒气溶胶为主，气溶胶地表质量浓度、大气柱总量和AOD均呈夏季高冬季低的季节变化特征。青藏高原局地和周边自然源和人为源对碳质和硫酸盐气溶胶地表质量浓度的影响存在季节性差异，青藏高原周边人为源对其地表质量浓度的影响为75.2%，夏季达78.9%，高原本地人为源对其地表质量浓度的贡献约为13.5%，冬季达24.0%。高原周边人为源贡献AOD（大气柱浓度）高达87.3%（88.0%）。高原周边生物质燃烧自然源对青藏高原气溶胶地表质量浓度的影响约10%，春季达13.8%。.高分辨率CAS FGOALS-f3结果表明青藏高原地区大气顶和地表的年平均气溶胶直接辐射效应分别为-0.76 Wm-2和-8.22 Wm-2。沙尘气溶胶大气顶的直接辐射效应在春季为正值，在其他季节为负值。当水平分辨率从约100km增加到25km时，在全天条件下高分辨率模式模拟得到的青藏高原地区总气溶胶的冷却效应在大气顶和地表相对于低分辨率模式模拟的增强了56%和20%，主要受沙尘气溶胶直接辐射效应的变化。考虑到人为气溶胶，随着分辨率的增加，大气顶碳质气溶胶的增温效应和硫酸盐的冷却效应减弱了约25%，这与相应的AOD变化一致。.本项目研究增强对青藏高原地区自然和人为气溶胶分布和输送科学问题的理解，推动了气溶胶的辐射效应估算，深化了气溶胶对青藏高原气候的影响研究。