中国区域夏季硫酸盐和黑碳气溶胶对气象要素影响的模拟研究

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硫酸盐和黑碳气溶胶是两种重要的大气污染物。它们能够直接危害人类身体健康,降低大气能见度,也可以通过改变地气系统的能量平衡从而影响气候变化。这两种气溶胶具有不同的光学特性:硫酸盐气溶胶散射太阳辐射,黑碳气溶胶同时散射和吸收太阳辐射,因此它们产生不同的直接辐射效应。此外,它们作为云凝结核,能够影响云的特性,从而产生不同的间接气候效应。观测表明中国的硫酸盐和黑碳气溶胶浓度非常高,因此评估硫酸盐和黑碳气溶胶对东亚地区的气候效应及云特性的影响是非常重要的。  论文首先评估了WRF-Chem(Weather Research and Forecasting model coupled withChemistry)模式对2006年8月1日-9月1日期间中国区域硫酸盐、黑碳气溶胶及云特性的模拟情况。模式评估利用了卫星和地面观测的气象要素、化学物质浓度、气溶胶光学特性和云微物理特性。模式性能评估表明模式能够较好地抓住气象要素(温度、降水、相对湿度和风速)的量级和空间分布特征。通过与地面观测和MODIS卫星数据对比,发现尽管模式模拟还存在偏差,但还是能够较好地模拟出气溶胶物种的地表浓度、气溶胶光学厚度(AOD)、云光学厚度(COD)、云量(CLDF)、云顶云滴有效半径(CER)和云水路径(LWP)。  其次论文利用WRF-Chem研究了硫酸盐的气候效应。通过关闭二氧化硫排放试验(CTL-0SO2),发现硫酸盐气溶胶导致的地面短波辐射通量和大气层顶向上的辐射通量都为负,其值在-5~-20Wm-2,并导致中国大部分区域降温0~0.3℃,降水区域的云量及降水增加。当增加三倍二氧化硫排放(3SO2-0SO2)后,发现温度、降水和云量的变化趋势与(CTL-0SO2)试验导致的变化趋势一致,但改变的幅度并不呈线性关系。  然后我们利用WRF-Chem研究了黑碳气溶胶的气候效应。通过增加三倍黑碳排放的敏感性试验,发现地表温度月均值在黄河以北的内蒙古、山西等地降低0~0.6℃,黄河以南的地区升高0~0.6℃,且沿海地区温度升高幅度比内陆地区高约0.2℃。全国大部分区域降水改变量为-0.2~+0.2mm d-1,但是北纬20N以南地区如广西贵州等地降水增加较多(增加幅度大于+0.2mm d-1),主要是由于这些地区温度升高较大,更有利于对流运动和水汽上升。  最后我们通过两个敏感性试验(分别增加三倍二氧化硫和黑碳排放),发现硫酸盐比黑碳更容易成为云凝结核。在我国东部,云顶云滴数浓度对二氧化硫排放增加的响应从北向南递增,这跟地面湿度分布有关。云滴有效半径对硫酸盐气溶胶的响应符合气溶胶第一间接效应的定义,即硫酸盐气溶胶增多,云滴数浓度增加,云滴有效半径减少。但是,云滴有效半径对黑碳气溶胶的响应在各区域不尽相同。我们还发现黑碳对云量的影响远大于硫酸盐的影响,这主要是由于黑碳气溶胶直接辐射效应(对太阳光的吸收)导致的云“燃烧”作用。
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