论文部分内容阅读
沙尘气溶胶是大气中一种重要的气溶胶。它们能够通过非均相化学过程和显著降低大气能见度来影响空气质量，通过吸收和散射太阳和红外辐射直接影响气候，也可以作为云凝结核(Cloud Condensation Nuclei，CCN)和冰核(Ice Nuclei，IN)间接的影响气候。前人的观测和模拟研究表明，中国沙尘气溶胶的浓度和辐射特性均有很大的波动范围，所以研究其不确定性是研究沙尘气溶胶环境和气候效应的基础。 首先，本文评估了7个国际大气化学-气候模式比较计划(AtmosphericChemistry and Climate Model Intercomparison Project，ACCMIP)模式中沙尘气溶胶浓度的不确定性，这些模式的模拟结果均被政府间气候变化委员会第五次报告(Intergovernmental Panel on Climate Change Fifth Assessment Report, IPCC-AR5)广泛采用。结果显示，中国沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tgy-1，年均地表浓度为41±27μg m-3，柱浓度为9±4 kg m-2，光学厚度为0.09±0.05。随后利用各ACCMIP模式模拟的沙尘气溶胶质量浓度，统一使用GISS GCMⅡ(GoddardInstitute for Space Studies General Circulation ModelⅡ)大气环流模式的辐射传输方案计算了中国沙尘直接辐射强迫的不确定性。得到中国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 Wm-2和0.2±0.2 Wm-2。以上结果说明，当今主流气候模式中中国沙尘浓度和辐射特性均存在较大不确定性。此外，还发现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。 其次，本文利用美国国家大气研究中心的地球系统交互模式（CommunityEarth System Model devploped by National Center for Atmospheric Research, NCARCESM)1.2.0版本研究了中国沙尘气溶胶吸收光学厚度（Absorption AerosolOptical Depth，AAOD）的不确定性。首先，得到了与沙尘AAOD密切相关的因子（气象场、土壤侵蚀度、起沙谱分布、传输谱分布、吸湿系数和复折射指数的敏感性）在中国观测值范围。再通过敏感性试验定量分析了沙尘AAOD对这些因子的敏感性。结果显示，中国沙尘AAOD对气象场的改变最为敏感，当中国年均10m风速增加40.2％时，年均沙尘AAOD增加了387.7％。和土壤侵蚀度、起沙谱分布和复折射指数基本呈线性关系，而对吸湿系数和传输谱分布的改变不敏感。最后，综合所有敏感性试验的结果，得到中国年均沙尘AAOD的范围是0.0040～0.0547，平均值为0.0130，不确定性是±52.9％（95％置信区间）。 随后，本文同样利用NCAR CESM计算了中国东部(104°～122°E，29°～41°N)细模态（直径≤1μm）沙尘气溶胶AAOD及其对总细模态气溶胶AAOD的贡献。其中，根据中国东部9个中国气象局大气观测网(Chinese MeteorologicalAdministration Atmosphere Watch Network，CAWNET)站点观测的细模态沙尘地表浓度调整了模拟的细模态沙尘气溶胶排放。结果显示，模拟的中国东部年均细模态沙尘气溶胶AAOD的值为3.6×10-3，其中季节平均AAOD的最大和最小值分别出现在春季和冬季。细模态沙尘气溶胶对总的细模态气溶胶（细模态沙尘、黑碳和有机碳气溶胶的总和）AAOD的贡献在春夏秋冬分别为25.2％、12.5％、14.9％和3.4％，年均值为15.1％。这些结果显示当利用气溶胶自动观测网(AerosolRobotic Network, AERONET)反演得到的细模态气溶胶AAOD来计算中国东部黑碳气溶胶的辐射强迫时，去除细模态沙尘粒子的影响显得尤为重要。 最后，本文利用由MERRA(Modern-Era Retrospective analysis for Researchand Application)再分析气象场驱动的NCAR CESM研究了2001～2012年中国沙尘地表浓度的年际变化。其中在沙尘源区，分别利用卫星搭载的多角度成像光谱仪(Multi-angle Imaging SpectroRadiometer，MISR)观测的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)和环保部站点观测的PM10地表浓度分别调整了模拟的细模态和粗模态沙尘粒子的排放。结果显示，模拟的沙尘气溶胶地表浓度在中国北方沙尘源区（中国西边界～110°E，36°N～中国北部边界）显示出了较强的年际变化，区域平均的偏离平均值的绝对百分比(Absolute Percent Departurefrom the Mean，APDM)在春夏秋冬分别为21.5％、21.4％、20.4％和41.7％。在中国北方的非沙尘源区（110°E～中国东边界，36°N～中国北部边界），沙尘地表浓度表现出了更强的年际变化，区域平均APDM最大值53.8％出现在冬季，其它季节为23.5％～29.0％。在中国其它区域，APDM值在四季为15％～60％。随后，利用敏感性试验研究了驱动中国沙尘地表浓度年际变化的因子。利用固定每年沙尘排放的敏感性试验，得到了中国北方平均传输的年际变化占春季总年际变化的81.5％，在其它季节约占69％。说明相对于排放的改变，传输的改变在中国沙尘地表浓度年际变化中起着更大的作用。利用剔除中国国内沙源排放的敏感性试验，得到国外沙尘气溶胶主要通过西部边界进入中国。国外沙源的年际变化对国内沙尘年际变化的贡献在中国北方四季均值均小于6％。说明中国沙尘地表浓度的年际变化是受国内沙源控制的。最后利用同时剔除国内沙源排放和固定每年沙尘排放的敏感性试验，得到当国内沙尘仅来自国外沙源时，中国北方传输的年际变化同样也占总年际变化的比例大于67.2％。