【摘 要】
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青藏高原(Tibet Plateau,TP)作为世界上海拔最高的高原,被誉为“亚洲水塔”,高大的地形通过动力和热力强迫影响着当地的水文循环和气候变化。同时,青藏高原也是全球气候变化最敏感的区域之一。因此,高原上的气溶胶-云相互作用(ACI,Aerosol-Cloud Interactions)是一个重要的物理过程。本文聚焦于高原上气溶胶、云和降水的时空变化以及它们之间的相互作用。用主成分法将气溶胶
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青藏高原(Tibet Plateau,TP)作为世界上海拔最高的高原,被誉为“亚洲水塔”,高大的地形通过动力和热力强迫影响着当地的水文循环和气候变化。同时,青藏高原也是全球气候变化最敏感的区域之一。因此,高原上的气溶胶-云相互作用(ACI,Aerosol-Cloud Interactions)是一个重要的物理过程。本文聚焦于高原上气溶胶、云和降水的时空变化以及它们之间的相互作用。用主成分法将气溶胶对云-降水-辐射系统的影响从气象场的影响中分离了出来,实现青藏高原上气溶胶对云特性及降水影响的量化。从而为数值模式中的气溶胶-云相互作用的参数化方案提供了参考依据。主要结论如下:(1)MERRA2(The Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications,Versions 2)数据对于气溶胶类型的区分更为清晰和明确,更好的反演了高原上的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)。高原北侧和西南侧主要是沙尘,东侧和南侧是硫酸盐气溶胶和有机碳。高原上北部是沙尘,东部边缘有的少量硫酸盐气溶胶。高原上AOD的日变化非常小,两个峰值一个出现在深夜11:00,另一个出现在凌晨2:00。季节变化上,AOD从大到小依次为:春季>夏季>秋季>冬季,分别贡献了全年的35.7%、30.6%、18.5%和15.2%,在5月AOD达到了全年的峰值。从年际变化来看:高原上的总气溶胶光学厚度随着时间的推移在逐渐减少。(2)青藏高原上的平均总云量在50%左右,主要分布在海拔6-9 km之间,高原内外的云量有明显的差别,高原上要显著大于周边地区。高原上主要的云类型为高层云,由冰相云主导。高原降水表现出从东南向西北递减、南多北少的分布形式。高原外缘附近的区域,降水量最大值基本上都出现在当地时间的夜间,而高原上除了柴达木盆地以外,最大降水量发生的时刻几乎都出现在白天。降水量的日变化呈现出单峰形式,降水峰值在当地时间15:00-20:00之间。降水量最大的季节是夏季,平均降水量为425.2 mm,贡献了全年降水的60%。近14年来高原年降水量呈现出增加趋势,高原平均以5.9 mm/年的速度在变湿。(3)使用主成分分析法(PCA)对250h Pa的温度、250h Pa相对湿度和250h Pa对流稳定度,以及300h Pa的U风风速和300h Pa垂直速度提取主成分后,发现第一主成分(PC1)越小,对应着温度越低,相对湿度越小,对流稳定,U风风速大,盛行下沉运动,不利于对流发生的气象场,因此不利于上层高云的形成。但是反过来,第一主成分的值越大,代表着低层温度越高,相对湿度越大,U风风速较小,对流不稳定,垂直速度大,上升运动剧烈,对流发展的非常旺盛,因此上层非常有利于高云的发生发展。同时,我们使用偏相关分析,表明气象场对于云宏观形态的变化起着主导作用。而对于云微物理量和云辐射特性来说,气溶胶光学厚度对它们的影响似乎要比气象场更大一点。在极不利的气象条件下,气溶胶在高原边缘地区对云-降水-辐射系统有明显的促进作用。而在极有利的条件下,增加气溶胶会产生大量的降水,降水对气溶胶起到湿清除作用,反过来又对云-降水-辐射系统产生了抑制,主要发生在高原中西部地区。在冰水路径(IWP)非常小的情况下,气溶胶对高原北部以及东部边缘部分地区的云-降水-辐射系统有促进作用。当冰水路径达到一定程度后,同样由气溶胶诱发的降水会清除大量气溶胶,从而抑制了云-降水-辐射系统的发展,而此时再增加冰水路径时,气象场对整个系统起主导作用,所以各个参量对气溶胶的响应非常微小。与此同时,我们也对气溶胶的辐射效应进行了量化,云光学厚度(COD)、红外发射率(IRE)、云量(HCF)和冰水路径(IWP)四部分的变化解释了气溶胶对大气层顶长波辐射强迫(CRF)影响的79%。云顶红外发射率效应和云光学厚度效应对长波辐射强迫是负贡献,而云量效应和冰水路径效应则对长波辐射强迫是正的贡献。
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