中国地区沙尘气溶胶的间接气候效应研究

作     者：沈凡卉 

作者单位：南京大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王体健

授予年度：2011年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：中国地区 沙尘气溶胶 辐射强迫 气候效应 起沙模型 

摘      要：沙尘气溶胶又称为矿物质气溶胶,是大气气溶胶中重要的组成部分,在气候系统中扮演重要角色。沙尘气溶胶可以吸收和散射太阳辐射,参与暖云的过程,影响暖云的光学特性、降水特征以及云的寿命,同时还可以充当冰晶对冷云过程产生影响,从而改变气候系统的辐射平衡,产生直接和间接气候效应。中国是沙尘气溶胶的重要源区,近年来沙尘暴频发,因此对中国地区沙尘气溶胶的间接气候效应研究具有重要的科学意义。本文以中国地区沙尘气溶胶为研究对象,利用耦合的区域气候化学模式系统(RegCCMS)模拟沙尘气溶胶的浓度以及光学特性参数的时空分布,定量研究沙尘气溶胶对暖云的影响,包括第一间接效应、第二间接效应和巨核效应,进一步考虑了沙尘气溶胶对冷云的影响,并估算其气候效应。主要研究内容和结果如下： 1.对区域气候化学模式系统加以改进,在其中添加了四种起沙模型,利用不同起沙方案对2010年3月21日一次沙尘暴过程进行了数值模拟,通过与观测的比较,选取GEATM起沙模型用于沙尘气溶胶间接气候效应的模拟研究。同时选取气溶胶-巨核和冰核参数化方案,用于估算沙尘气溶胶影响暖云和冷云产生的气候效应。 2.通过对2003-2007年3、4、5月的模拟,发现中国地区的沙尘气溶胶主要集中在西北地区的新疆、蒙古、甘肃等,同时在四川、重庆地区也存在高浓度集中区,3、4、5月最大地面浓度达到2200ng/m3、2700μg/m3、3500μg/m3,3月份最低,5月份最高,柱含量分布与地面浓度具有类似的特征,3、4、5月柱含量的最高值分别为2400mg/m2、4000mg/m2、6000mg/m2。 3.研究了沙尘气溶胶对暖云的影响及气候效应。考虑沙尘气溶胶存在可溶部分,可以充当云凝结核(CCN),使得云滴数浓度增加30m-3、云滴有效半径减小0.18μm,沙尘气溶胶的第一间接辐射强迫在对流层顶和地面具有较好的一致性,平均达到-1.98W/m2,主要集中在中国的西南部地区,尤其是四川、重庆以及贵州青海等地区辐射强迫较高。第二间接效应主要表现为对降水的影响,使得降水转化率减少2.83×10-9Kg/Kg/s,云量增加0.05%,云水含量增高,云液水路径增加,整个对流层净吸收的太阳辐射强迫减少1.75W/m2,同时地表降温,降水减少。由于沙尘气溶胶中存在大量的粗粒子,有利于云滴的有效碰并,对降水有促进作用,降水转化率增大8.25×10-12Kg/Kg/s,地面降水增加0.13mm/day,云量减少0.188%,云液水路径减少0.1437g/cm3,整层大气净吸收的太阳辐射增加2.89W/m2,到达地表的能量增多,地面温度升高0.56K,地面比湿增大,增加幅度为0.17g/Kg。 4.研究了沙尘气溶胶对冷云的影响及气候效应。由于沙尘气溶胶的水平传输距离较远,垂直方向可以达到3-4km,其中部分不可溶的沙尘粒子可以充当冰核,参与冷云作用,沙尘气溶胶增加了冰晶数浓度,减小了冰晶有效半径,因此冰云光学厚度增加0.021,使得对流层净吸收的太阳辐射减少17.0W/m2,地表温度降低0.84K。此外,还可以影响到暖云降水,使得暖云降水减少0.22mm/day。