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伴随经济的发展,东亚地区有着高浓度的种类复杂的大气气溶胶污染物。气溶胶的直接和间接效应,能够改变地球生态系统的能量收支,对气象要素以及气候变化产生影响。
本文使用区域模式Weather Research and Forecasting(WRF)-Chem模拟2008年东亚地区气溶胶的时空分布;估算人为气溶胶,硫酸盐气溶胶和黑碳气溶胶的直接辐射强迫;估算人为气溶胶和黑碳气溶胶的直接和间接效应对云、辐射、温度和降水的影响。该模式在线模拟气象场和化学场,包含了气溶胶活化为云凝结核、气溶胶光学特性影响辐射以及气象场影响气溶胶浓度的描述。
与EANET站点、通榆站、Hedo站、张掖站的观测数据比较,模式可以再现PM10、SO42-、NO3-、NH4+、BC的质量浓度的变化特征,可以捕捉到沙尘过程;与AERONET、MFRSR、MODIS、MISR观测值对比,模式可以较好的模拟AOD、SSA的时间变化和水平分布特征。夏季,气溶胶浓度在中国北部、中部和四川盆地较高,其他季节在中国巾部和四川盆地较高。高浓度的NH3是东亚地区高浓度的NO3-形成的重要原因。
晴空条件下人为气溶胶净直接辐射强迫在大气层顶约为-5～20 W m-2,在地表约为-10～-40 W m-2,在大气层中约为5～30 W m-2。夏季与冬季的不同是中国东南部的人为气溶胶直接辐射强迫在夏季显著下降。人为气溶胶在大气层中的正的直接辐射强迫主要是由BC引起的,在大气层顶和地表的负的直接辐射强迫主要是由SO42-等反射性气溶胶引起的。
与ISCCP卫星观测值相比,模式可模拟出东亚地区6～8月云量和液态水路径的分布特征及其在6～8月的变化;与SURF_RAD、SLJRF_TEMP、SEVP_PREP观测值以及不包含气溶胶间接效应的模拟结果相比,包含气溶胶直接间接总效应后,模式更好的模拟了2008年6～8月的总辐射、温度和降水的分布特征以及降水带从6月到8月的移动特征。
6～8月,人为气溶胶的直接问接效应致使850hpa云滴数浓度增加约70～80%,850hpa云凝结核浓度增加约70～90%,850hPa云滴有效半径减少约50～60%;850hPa云量的变化为-20～10%,液态水路径(LWP)的变化为-10～40%,这两者在30°N到35°N之间的中国中东部增加,在中国北部和南部减少。云的辐射强迫的增强和减弱则和LWP的增加和减少一致。人为气溶胶导致的6～8月地表温度在30°N和35°N之间的中国中东部降低最多,约为1～2 K;6～8月降水率在30°N和35°N之间中国东部、东北部沿海区域、北部小部分区域和南部沿海区域增加约0.5～3mm/day,在中国北部、东南部、西南部和南部减少约0.5～3mm/day。
6、7月,500hPa以下,人为气溶胶导致的气温在35°N～40°N之间增加,在35°N以南减少。8月,500hPa以下,气温在24°N到28°N之间有微弱增加,在其他纬度处减少。6～8月,人为气溶胶导致的850hPa以下的总的非绝热加热在35°N～40°N和25°N～30°N之间增加,在30°N～35°N之间减小;850hPa以上的总的非绝热加热则是在30°N～35°N之间增加,在其他纬度处减少。分解的各项非绝热加热的变化表明850hPa以下的总的非绝热加热的增加是由于短波辐射加热的增加,减少则是由于长波辐射加热以及垂直扩散加热的减少;850hPa以上的非绝热加热的变化由凝结加热和对流加热决定。人为气溶胶对对流层低层非绝热加热的影响会改变对流层低层的气温垂直分布,继而对空气的垂直和水平运动产生影响,使得对流层上层的凝结加热和对流加热发生改变。人为气溶胶导致地表感热通量的减少和增加与地表温度的减少和增加一致,导致地表潜热通量在大部分区域降低,可供降水的能量减少。
BC的直接间接效应致使东亚地区6～8月的850hpa云滴数浓度减少10～40%,850hPa云凝结核浓度减少了约5～20%,850hPa云量的变化为-40～20%,LWP的变化为-15%～10%,850hPa云量和LWP在大部分区域是减少的。BC对云滴有效半径的影响不明显。BC导致云的净辐射强迫在大部分区域减弱,在中国东北部、北部、中部、东南部和西部有微弱增强。BC导致的6～8月地表温度在中国大部分区域增加约0.2～1 K,在少部分区域减少;导致的降水率的增加和人为气溶胶导致的降水率的增加较为一致。
BC导致的850hPa以下的总的非绝热加热在35°N～40°N和25°N～30°N之间增加,在其他纬度处变化不明显;850hPa以上的总的非绝热加热则是在30°N～35°N之间增加,在其他纬度处减少或变化不明显。因此,人为气溶胶对短波辐射加热、凝结加热和积云对流加热的影响主要是由BC引起的。人为气溶胶在地表造成的垂直扩散加热的减小则更多是由于散射性气溶胶所致。BC导致大气温度的增加要多于其导致的地表温度的增加,因此地表感热通量在27°N以北减少;地表潜热通量的变化则和降水率的变化一致。
夏季,晴空条件下,人为气溶胶直接间接总辐射强迫在大气层顶约为-5～-15Wm-2,在地表约为-15～-30 W m-2,在大气层中约为5～30 W m-2;BC直接间接总辐射强迫在大气层顶约为2～20 W m-2,在地表约为-2～-15 W m-2,在大气层中约为5～30 W m-2。