东亚干旱半干旱区空中水资源研究进展

系统回顾了近年来中外对东亚干旱半干旱区空中水资源方面的主要研究进展,主要包括大气水汽、云的分布特征、空中水资源的降水转化率及其影响因子等。东亚干旱半干旱区西部及东部水汽含量较中部高,背风坡水汽含量较迎风坡高,季风区及山脉地区云水资源高于盆地、沙漠上空。20世纪80年代中期以后,东亚干旱半干旱区对流层底部的水汽显著增多,其中夏季增加最为明显。在全球气候变化背景下,中国西北部分地区云水路径总体呈现上升趋势,同时呈现"东正西负"的东西向变化差异以及"北正南负"的反相位特征。大气环流、地表温度、下垫面地表特征等因子通过影响东亚干旱半干旱区的水汽输送及蒸散,进而改变东亚干旱半干旱区空中水资源,空中水资源的改变通过影响辐射收支、不同高度云量及第2次相变产生的云水含量进而对局地温度和降水产生影响。以往研究中,大部分主要针对东亚干旱半干旱区大气中的水汽含量和云平均状态的分布与变化特征,而与降水相关联的空中水资源的变化特征目前仍不清楚,有待系统深入地研究。      

华北地区气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响

在UWyo单组分气溶胶的绝热气块分档云模式基础上,发展了多种化学组分气溶胶的绝热气块分档云模式。利用2006年春季华北地区地面气溶胶分级采样的离子成分分析数据和同时段高空气溶胶、云微物理飞机观测资料,研究了气溶胶混合状态对暖云微物理特征的影响。模拟结果表明,华北地区气溶胶内部混合比外部混合有利于增加云凝结核数浓度、降低气块水汽最大饱和比、增加云滴数浓度。气溶胶的混合状态不同,形成的云滴谱的特征差异较大,主要体现在云滴谱的平均尺度和峰值的突出程度;云滴谱相对离散度在0.3附近变化,且随着云滴数浓度的增加,云滴谱相对离散度呈现减小的趋势。气溶胶混合状态能够影响暖云微物理特征,从而影响大气辐射和降水过程,在天气和气候变化的研究中应予以关注。     

云模式中气溶胶物理过程参数化方案研究概述

介绍了大气气溶胶的浓度、气溶胶的谱形等物理性质对云的微物理过程造成的影响以及目前云模式中常用到的一些气溶胶物理过程的体积水、分档等参数化方案，并评述了这些参数化方案各自的特点。提出了在设计气溶胶物理过程参数化方案时需要注意和有待解决的几个问题，建议在设计气溶胶-云相互作用的模式时，要根据不同的研究目的选择合适的参数化方案。     

一次沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理量和辐射强迫的影响

利用MOD IS Aqua卫星反演和装载在Aqua上的CERES仪器观测资料,讨论了我国北方地区2004年3月26~28日沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理特性和辐射强迫的影响。初步结果表明,沙尘气溶胶明显改变了云的物理特性,使云滴变小,含水量及光学厚度减少,减弱了云的净辐射强迫,云的冷却效应受到了抑制,相当于大气层顶沙尘气溶胶的增温作用。     

不同污染条件下气溶胶对短波辐射通量影响的模拟研究

将高光谱分辨率的气溶胶光学参数化方案应用于高精度的辐射传输模式BCC_RAD（974带）中,研究不同污染状况下气溶胶在地表与近地层大气中造成的直接辐射强迫与辐射强迫效率。发现气溶胶在地表产生的直接辐射强迫为负,在近地层大气中产生的直接辐射强迫为正,且随气溶胶浓度的升高变大,说明大气气溶胶的含量越高,单位气溶胶光学厚度产生的直接辐射强迫越大。将短波划分为3个波段:紫外、可见光和近红外,发现在紫外、可见光和近红外波段中,不同污染状况下气溶胶在地表造成的直接辐射强迫范围分别为:-1.36—-13.66、-3.03—-32.41和-2.74—-28.62 W/m2,在近地层大气中产生的直接辐射强迫范围分别为0.44—4.26、0.99—9.80和0.93—8.87 W/m2。通过进一步对比自然和人为气溶胶的影响,发现人为气溶胶在地表和大气层顶产生的负直接辐射强迫以及对整层和近地面大气造成的正直接辐射强迫均大于自然气溶胶的影响,且上述两种排放源的气溶胶对整层大气辐射收支的影响主要集中在800 hPa高度以下的大气中。按照地表直接辐射强迫大小来分析不同种类气溶胶的影响,结果为硫酸盐>有机碳>黑碳>海盐>沙尘;按照近地层大气直接辐射强迫大小排序则为黑碳>有机碳>沙尘>海盐>硫酸盐。最后,通过分析散射型气溶胶与吸收型气溶胶对辐射通量的影响,还探究了大气中散射与吸收过程的异同。      

黄山地区春夏季气溶胶离子组分及其对云微物理特征的影响

利用2009年5-8月在华东地区高山——黄山顶取得的气溶胶和云微物理参数观测资料以及同期气溶胶离子成分数据,结合多种化学组分气溶胶绝热气块分档云模式,研究了黄山地区多化学组分气溶胶对云凝结核和云微物理特征的影响.气团轨迹和气溶胶离子成分的分析结果表明,3种气团影响着黄山地区气溶胶的化学组分,即北方大陆气团气溶胶富含CaCO3,局地污染气团气溶胶以可水溶性无机盐((NH4)2SO4、NH4 NO3)为主,而变性混合海洋性气团气溶胶中NaCl较多.数值模拟结果显示,在气溶胶谱一定时,不同天气形势下黄山气溶胶的化学组分的差异会对云微物理特征产生不同的影响.同一上升速度下实际多组分气溶胶模拟的云滴数浓度大于纯硫酸铵,主要体现在云滴谱第1个峰值3.3 μm之前;气块上升速度低于0.7 m/s时,含有较多不可水溶物质的混合气溶胶对云滴数浓度的影响较大;上升速度大于0.7 m/s时,气块中可凝结水增多,海盐对云滴数浓度增加的效果更显著.多组分气溶胶模拟云滴谱较纯硫酸铵窄,其中,北方气团方案造成云滴谱变窄的程度高于混合气团方案;而模拟的云滴数目增多,造成云滴有效半径减小,云光学厚度和反照率增加,将会对暖云降水及辐射效应产生不同的影响.     

沙尘气溶胶对半干旱区微气象学特征影响的初步研究

沙尘气溶胶通过改变地表—大气间的短波及长波辐射从而对地气间热量传输产生影响,进而影响到地表能量收支平衡以及近地面层气象要素的分布。半干旱区是我国干旱化表现最为剧烈的地区,也是沙尘暴频发地区和主要源区之一。本文利用吉林通榆半干旱区国际协调强化观测计划基准站2006年4～6月近地层微气象、地表辐射通量和沙尘气溶胶浓度观测资料,对比分析了该地区在典型沙尘暴天气、扬沙天气和晴朗天气等不同天气状况下近地层各气象要素、地表能量平衡及辐射收支的变化特征。结果表明,沙尘气溶胶对半干旱地区地面微气象学特征及辐射收支具有明显的影响,且表现出不同于干旱区的若干特性:半干旱区沙尘天气下的平均风速比晴天高约2m.s-1,而相对湿度则降低了约35%。相对而言,气温和浅层地温的变化对沙尘的影响响应较弱。半干旱区在沙尘天气时地表净辐射小于晴天,感热/潜热通量分别约占净辐射的55%和30%,分别远大于/远小于晴天时的情形。该地区气溶胶质量浓度与日均感热、相对湿度、潜热等要素具有明显的相关,相关系数分别高达0.70、-0.75和-0.62。相比之下,干旱区沙尘天气时的感热通量要小于晴天时的值,而且气象要素的响应更加剧烈。     

基于沙尘气溶胶识别的中国北方地区MODIS云检测产品的改进研究

美国国家航空航天局(NASA)的MODIS业务云检测产品MOD35是其他大气产品和陆地产品反演的辅助数据,也是目前很多云检测研究的检验依据。为研究MODIS云检测业务产品MOD35的监测效果,分析了中国北方地区有沙尘暴天气的MOD35产品,发现产品易将沙尘气溶胶区域误判为云。为了区分沙尘和云,对中国北方地区白天4次沙尘过程数据进行散点图分析,并通过计算损失率得到沙尘气溶胶的11μm、12μm通道亮温差特征和11μm通道、3.7μm通道的亮温范围,改进了MODIS监测沙尘气溶胶的算法。应用此算法对MODIS云检测产品中的沙尘气溶胶污染进行判别,分析结果与国家气象卫星中心发布的沙尘监测一致。改进的算法能有效地监测出MOD35产品中误判为云的沙尘区域,结合MOD35自身的厚气溶胶标记,改进了云检测产品的效果。     

基于国际大气化学-气候模式比较计划模式数据评估中国沙尘气溶胶直接辐射强迫

目前气候模式对沙尘气溶胶直接辐射强迫模拟仍有很大不确定性,多模式对比有助于定量评估不确定范围。国际大气化学—气候模式比较计划（Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project,ACCMIP）旨在评估当前模式对短寿命大气成分辐射强迫和气候效应的模拟能力。基于7个ACCMIP模式模拟的中国地区沙尘气溶胶浓度,我们评估了中国区域沙尘气溶胶直接辐射强迫和不确定性范围。结果显示,中国区域沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tg a-1,区域年均地表浓度为41±27 μg m-3,柱浓度为9±4 kg m-2,光学厚度为0.09±0.05。中国区域年均沙尘气溶胶产生的大气顶短波、长波和总辐射强迫分别为-1.3±0.8 W m-2、0.7±0.4 W m-2和-0.5±0.7 W m-2;地表短波、长波和总的辐射强迫值为-1.5±1.0 W m-2、1.8±0.9 W m-2和0.2±0.2 W m-2。沙尘气溶胶长波辐射强迫对沙尘浓度的垂直分布敏感。高层沙尘气溶胶浓度越大,其在大气顶产生更强的正值长波辐射强迫。然而,沙尘气溶胶短波辐射强迫主要受整层沙尘柱浓度控制,对沙尘浓度的垂直分布较不敏感。本文结果可为中国沙尘气溶胶的气候模拟提供参考。     

沙尘气溶胶对大气冰相过程发展的敏感性试验

利用分档云动力学模式,研究了沙尘气溶胶输送过程中在不同大气背景环境条件下对云内冰相粒子形成、发展和降水过程的影响.通过敏感性试验发现:在背景气溶胶浓度不断增加的情况下,冰相降水率以及冰相降水在总降水量中的比例逐渐减小;只有在大陆性云和污染严重的地区,含有一定比例可溶性物质的沙尘粒子提高了大气中的巨核浓度,使云中冰相降水质粒提前出现,有利于降水的形成.另一方面,当把不可溶矿物气溶胶粒子作为有效的大气冰核参与云降水形成的物理过程时,由矿物气溶胶引起的大气冰核浓度增加在一定程度上抑制云中冰相降水质粒的发展,部分抵消巨核对降水的促进作用.     

Temporal and spatial variations of global deep cloud systems based on CloudSat and CALIPSO satellite observations

ABSTRACT The spatial and temporal global distribution of deep clouds was analyzed using a four-year dataset （2007-10） based on observations from CloudSat and CALIPSO. Results showed that in the Northern Hemisphere, the number of deep cloud systems （DCS） reached a maximum in summer and a minimum in winter. Seasonal variations in the number of DCS varied zonally in the Southern Hemisphere. DCS occurred most frequently over central Africa, the northern parts of South America and Australia, and Tibet. The mean cloud-top height of deep cloud cores （TDCC） decreased toward high latitudes in all seasons. DCS with the highest TDCC and deepest cores occurred over east and south Asian monsoon regions, west-central Africa and northern South America. The width of DCS （WDCS） increased toward high latitudes in all seasons. In general, DCS were more developed in the horizontal than in the vertical direction over high latitudes and vice versa over lower lat- itudes. Findings from this study show that different mechanisms are behind the development of DCS at different latitudes. Most DCS at low latitudes are deep convective clouds which are highly developed in the vertical direction but cover a rela tively small area in the horizontal direction; these DCS have the highest TDCC and smallest WDCS. The DCS at midlatitudes are more likely to be caused by cyclones, so they have less vertical development than DCS at low latitudes. DCS at high latitudes are mainly generated by large frontal systems, so they have the largest WDCS and the smallest TDCC.     

鲁西北52年日照变化特征及原因

通过分析德州市1954-2005年日照、云量、霾、雾、沙尘等资料，用最小二乘法计算气候倾向率。结果表明，德州市日照时数平均10年减少105．0小时，日照百分率平均10年降低2．4％。总云量平均10年减少0．03戍。沙尘暴、扬沙、浮尘日数呈明显减少趋势。低云量和霾、轻雾、雾日数呈增加趋势，尤其是自1990年代中后期明显增加，与德州市自1990年代中期开始经济规模快速增长相对应，说明鲁西北日照减少主要是由于低云量增加和人类活动特别是工业排放污粢物急剧增长导致的大气气溶胶增多造成。     

华北地区气溶胶垂直分布特征的观测与分析

利用2006 2013年CALIOP激光雷达Level 1B数据的气溶胶衰减后向散射系数、退偏比和色比观测,分析了华北地区大气气溶胶光学特性的垂直分布特征。统计结果显示:2010-2013年,华北地区4-8 km高度范围内衰减后向散射系数均值呈减小的趋势,而0-4 km高度范围内衰减后向散射系数均值呈增长趋势。说明2010年以后近地面层(0-2 km)气溶胶散射作用逐渐增强,高层(4-8 km)气溶胶散射作用逐渐降低,这与近年华北地区霾天气(颗粒物主要聚集在近地层)日趋增加、沙尘天气(沙尘气溶胶层经常存在于4-8 km的范围)有所减少相吻合。20062013年,华北地区冬季0-4 km高度范围内衰减后向散射系数均值最大,近地面层气溶胶散射作用最大,这与该地区冬季取暖燃烧排放增加有关。春、秋两季4-8 km高度范围内衰减后向散射系数均值较大,夏季0-8 km各高度范围内衰减后向散射系数均最小,说明春、秋季节的气溶胶散射贡献主要来自4-8 km的对流层上部大气。春季对流层上部的高后向散射系数与华北地区春季频发的沙尘天气有关,秋季对流层上部的高后向散射系数与华北收获季节的生物质燃烧有关。2008年以后,华北地区2-8 km范围内各高度层的退偏比均值逐年减小,这说明规则的球形气溶胶粒子在近几年有所增加。0-4 km范围的低层大气,2009年后色比均值缓慢增加。而6-8 km范围内的色比均值从2008年后一直都是减小的,说明2008年后对流层上部大气(4-8 km)气溶胶粒子的尺度在减小,这也与近几年沙尘天气减少、霾天数增加的现象是一致的。0-8 km各个高度范围内的退偏比和色比均值春季最大,且退偏比随着高度的增加而增加,再次证明春季华北受沙尘天气影响,不规则的粗粒子气溶胶最多。夏、冬季节近地面层(0-2km)退偏比和色比均值略大于2-4 km高度层的,夏、冬两季近地面主要以人为活动排放的气溶胶为主,冬季除了汽车尾气排放和工业排放外,还有取暖增加的排放。近地面层易受人为活动影响混合一些不规则气溶胶。     

北京地区对流层中上部云和气溶胶的激光雷达探测

介绍了近年来研制的一台多波长激光雷达及其探测对流层高云和气溶胶的实验,并依据探测结果重点分析了北京2000年1月至4月对流层上部云和气溶胶在532 nm波长的消光系数分布特征.结果表明:从6 km至11 km的气溶胶光学厚度值在0.0152至0.0284之间变化,均值为0.0192.从6 km至11 km的云光学厚度值在0.014至0.23之间变化.观测到的单层高云的厚度最大为6 km.4月6日,近年来最强的一次沙尘暴袭击北京.4月7日北京地区无可见云,激光雷达探测结果表明,从4 km至10 km高度范围内,存在一层厚度约为6 km的气溶胶粒子层,消光系数峰值处于8 km附近,比晴天无云时的消光系数值约大一个数量级.估计这是一层沙尘气溶胶,系由远距离输送至北京形成的.     

合肥上空卷云和沙尘气溶胶退偏振比的激光雷达探测

研制了一台L300偏振激光雷达,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究.介绍了偏振激光雷达的探测原理,叙述了L300偏振激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法.初步的探测结果表明,合肥西郊上空高度在10 km左右的卷云的退偏振比在0.4～0.5之间,沙尘气溶胶的退偏振比在0.2～0.3范围内,但是剧烈沙尘暴的气溶胶的退偏振比可达到0.4左右.     

典型站点气溶胶对云特性的影响

结合Cloud Sat对云的主动观测和MODIS(MODerate-Resolution Imaging Spectroradiometer)对气溶胶的被动反演,研究了典型站点气溶胶对云的宏观、微观和辐射特性的影响。结果表明,气溶胶对大陆性和海洋性站点的云均有显著影响。1)随气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)增加,水汽含量较弱站点的低层(高层)云量呈减小(增加)趋势,而水汽条件较强站点的各层云量均增大,且具有较高(较低)云顶的云层发生概率在各个站点都呈增加(减小)趋势。2)AOD的增大导致各站点云滴和冰晶粒子的有效半径均减小、大气层顶的短波和长波云辐射强迫均增强、短波云辐射强迫绝对值的加强更显著、长波云辐射强迫增加的幅度相对更大。3)气象要素在AOD大(小)值情况下的变化表明,大尺度动力条件并不能解释云的上述特性随AOD的显著改变。     

气溶胶核化清除的化学效应 I：云滴化学非均匀性的研究

本文将水汽在云滴上凝结增长的物理过程与气溶胶、气体的化学过程相结合，对气溶胶核化清除的化学效应进行了研究。 计算结果表明:气溶胶的核化清除造成了云滴化学成分随云滴大小分布的非均匀性，这种非均匀性又对云滴内发生的气体吸收、液相氧化产生影响。 本文还比较了不同污染状况下，不同大小的云滴内气溶胶核化清除与液相氧化对云滴化学的相对贡献的差异。 因此，这种云滴化学的非均匀性(云微化学)的研究对于云化学的野外观测及数值模拟都是重要的。     

The chemical fractionation of atmospheric aerosol as a result of snow crystal formation and growth

The relationships between the physical and chemical properties of mixed-phase clouds were investigated at Storm Peak Laboratory (3220m MSL) located near the continental divide in northwestern Colorado. Interstitial aerosol particles, cloud droplets and snow crystals were concurrently collected when the laboratory was enveloped by a precipitating cloud. All samples were analyzed for trace elements, soluble anions, electrical conductivity and acidity.The results show average trace constituent concentration ratios of cloud water to snow water range from 0.4 to 26. All but six of the 32 elements and ions measured had ratios greater than one. This result suggests a chemical species dependency of in-cloud aerosol particle scavenging processes. Evidence of a decrease of in-cloud aerosol particle scavenging efficiency by snow due to increases in aerosol concentration is also presented.Differences between the chemical composition of cloud water and snow water are manifested most strongly when snow crystals grow by vapor deposition. In-cloud scavenging efficiencies by snow crystals for most aerosol particle chemical species are dependent on the growth of the snow crystals by accretion of cloud droplets. This chemical fractionation of the atmospheric aerosol by snow crystal formation and growth should be most active where narrow, continental cloud droplet size distributions and low liquid water contents are prevalent, enhancing the probability of snow crystal growth by diffusion.     

Model Analysis of the Anthropogenic Aerosol Effect on Clouds over East Asia

A coupled meteorology and aerosol/chemistry model WRF-Chem(Weather Research and Forecast model coupled with Chemistry) was used to conduct a pair of simulations with present-day(PD) and preindustrial(PI) emissions over East Asia to examine the aerosol indirect effect on clouds.As a result of an increase in aerosols in January,the cloud droplet number increased by 650 cm-3 over the ocean and East China,400 cm-3 over Central and Southwest China,and less than 200 cm-3 over North China.The cloud liquid water path(LWP) increased by 40-60 g m-2 over the ocean and Southeast China and 30 g m-2 over Central China;the LWP increased less than 5 g m-2 or decreased by 5 g m-2 over North China.The effective radius(Re) decreased by more than 4 μm over Southwest,Central,and Southeast China and 2μm over North China.In July,variations in cloud properties were more uniform;the cloud droplet number increased by approximately 250-400 cm-3,the LWP increased by approximately 30-50 g m-2,and Re decreased by approximately 3 ?m over most regions of China.In response to cloud property changes from PI to PD,shortwave(SW) cloud radiative forcing strengthened by 30 W m-2 over the ocean and 10 W m-2 over Southeast China,and it weakened slightly by approximately 2-10 W m-2 over Central and Southwest China in January.In July,SW cloud radiative forcing strengthened by 15 W m-2 over Southeast and North China and weakened by 10 W m-2 over Central China.The different responses of SW cloud radiative forcing in different regions was related to cloud feedbacks and natural variability.