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气溶胶对气候的总效果是制冷,其影响气候的能力仅次于温室气体。气溶胶对气候的影响分为直接气候效应和间接气候效应。气溶胶间接气候效应是指气溶胶粒子通过影响云特性和水循环进而影响气候。气溶胶间接气候效应与气溶胶浓度、尺度分布、化学组成、混合状态有关,并受相对湿度、水平风场、垂直速度、大气辅合度等气象参数的影响。相关研究结果还存在很大不确定性,是气候预测不确定的主要影响因子之一。中国东部气溶胶浓度较高,成分复杂,属于复合型气溶胶,且受东亚季风气候影响,气溶胶间接效应可能表现特殊性,然而中国基于观测的气溶胶间接效应研究还很少。本文拟应用地面和卫星观测资料分别研究我国局地和区域气溶胶第一间接效应特征,并分析可能的影响因子。
首先,为了实施利用多光谱旋转遮蔽影带辐射计(MFRSR)和微波辐射计联合反演云滴有效半径,我们根据地面总辐射和散射辐射改进了云检测算法。与地面全天空成像仪的天空成像对比,改进的算法减小了以往算法中气溶胶和水汽含量日变化的影响,算法的适应范围由原来太阳天顶角45°以内扩大到75°以内,准确率可以达到90.9%。基于此算法计算了香河、太湖地区云地表短波辐射强迫。华北香河云地表短波辐射强迫年平均为-39.5 W·m-2,春夏秋冬季节平均分别为-25.9 W·m-2、-70.9 W·m-2、-51.1 W·m-2、-10.8 W·m-2。华东太湖云地表短波辐射强迫年平均为-66.2 W·m-2,四季平均分别为-84.6W·m-2、-89.1 W·m-2、-50.2 W·m-2、-44.1 W·m-2。
在此基础上,我们应用MFRSR的辐射观测、微波辐射计的液态水路径(LWP),参考Min and Harrison(1996)算法计算了云光学厚度(COD)和云滴有效半径(CER)。通过全天空成像仪、云高仪和微脉冲激光雷达判断云的相态,挑选出水层云的时段。对于夏季挑取的个例,CER、COD、气溶胶消光系数和LWP的平均值分别为6.47μm,35.4,595.9 mm-1,和0.19 mm,秋季为6.07μm,96.0,471.7 mm-1,和0.37 mm。我们比较了此期间CER和气溶胶散射系数的关系。结果表明,对于非降雨的暖层云,气溶胶在LWP小于0.2毫米时抑制云滴增长,而在LWP大于0.2毫米时促进云滴增长。因此,云中液态水是影响局地FAIE的重要因子。
鉴于地基观测的时空代表性有限,为得到我国东部较大范围内气溶胶第一间接效应的区域特征,我们应用2003至2012年MODIS(Moderate Resolution ImagingSpectroradiometer)的气溶胶光学厚度(AOD)、CER、COD、云量(CF)、云顶压强(CTP)观测进行相关性研究。首先,根据气溶胶的空间分布和区域气候特征将我国东部及沿海分为七个区域,然后分析各区域内参数的月变化以及各参数的相关性。AOD和CER的相关系数在东北、华北、华中、华南和黄海为正(0.43-0.91),而在东海和南海为负(-0.62,-0.81)。相关系数不仅表现区域差异还存在季节变化。通过分析污染和干净大气下的AOD、CER、CTP、大气相对湿度、风速风向,结果表明相对湿度和风场的变化影响了局地气溶胶浓度、云的特性及其相互作用。因此,在相对湿度和风场变化频繁的陆地表面气溶胶第一间接效应为正,而在这些气象要素变化少,相对比较稳定的海洋表面气溶胶第一间接效应为负,呈现Twomey效应特点。结合GEOS-Chem模式的不同种类气溶胶光学厚度和MODIS/CER观测相关研究表明气溶胶类型对区域FAIE影响较小。此外,各区域AOD和CF呈显著的正相关(0.9-0.99),AOD和CTP呈负相关(-0.83~-0.95),说明气溶胶不仅影响云滴尺度,还可以促进云的水平和垂直方向发展。