中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫及气候效应的数值模拟

中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫及气候效应的数值模拟X 田 华 马建中 李维亮 刘洪利(中国气象科学研究院,北京100081)摘 要分析了M ODIS 卫星资料反演的2001年我国中东部地区气溶胶光学厚度的时空分布特征,并利用中尺度数值模式M M 5对该地区硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫及其气候效应进行了模拟。

结果表明:2001年四川盆地、长江中下游地区、黄淮一带及两广等地区气溶胶光学厚度较大。

各季光学厚度变化不同,全年以春季最大。

地面温度响应呈现出明显的区域季节变化特征,主要表现为冬、春、秋季南方降温幅度明显,夏季北方降温幅度明显。

就区域平均而言,2001年中东部地区晴空时气溶胶辐射强迫以春季最大,达-34.53W/m 2;夏季次之,达-22.76W /m 2;冬季再次,达-22.57W/m 2;秋季最小,达-20W/m 2。

地面降温则以冬季最大,达-0.65e ;秋季次之,达-0.37e ;春季再次,达-0.34e ;夏季最小,达-0.09e 。

关键词:气溶胶 M OD IS 硫酸盐 辐射强迫 气候效应引 言大气气溶胶是引起气候变化的一个重要因子,它通过直接辐射强迫和间接辐射强迫强烈地影响气候系统[1]。

Charlson 等[2]、Kiehl 等[3]、Hayw ood 等[4]对硫酸盐辐射强迫及其气候效应做了一定的研究并取得了一系列有意义的结果。

概括起来,这些研究大多是将三维化学输送模式同气候模式耦合,在全球尺度上进行数值模拟。

但由于气溶胶排放源的不均匀性以及生命期较短(约1周),气溶胶辐射强迫具有很大的区域差异性,为此在区域尺度上评估硫酸盐气溶胶的气候效应更具有意义。

20世纪90年代以来,国内外科学工作者对中国气溶胶区域气候效应产生了极大的关注。

赵凤生等[5]利用一维辐射对流模式,模拟了乡村型和城市型两类气溶胶的直接和间接效应,指出了气溶胶在地气系统辐射收支及全球温度变化中的重要作用。

王喜红等[6]利用三维区域欧拉型硫化物传输模式,研究了20世纪90年代中期东亚地区人为硫酸盐柱含量的分布,在此基础上,利用一个两层多次反射模式估算了东亚地区人为硫酸盐气溶胶直接辐射强迫,结果表明,东亚地区年平均的人为硫酸盐直接辐射强迫约为-0.7W/m 2。

胡荣明等[7]用中国大陆SO 2的排放分布,计算了中国地区人为扰动气溶第16卷3期2005年6月 应用气象学报JOU RNA L OF A PPL IED M ET EORO LOG ICA L SCIENCE Vol.16,No.3 June 2005X 国家自然科学基金项目(批准号:40121120826)资助。

2003-12-15收到,2004-06-17收到修改稿。

胶的辐射强迫,并用二维能量平衡模式计算了该种气溶胶引起的地面温度变化。

模式结果表明,最大辐射强迫和最大地面温度变化都集中在我国的沿海和四川地区。

上述研究在硫酸盐气溶胶区域气候效应方面进行了一些有意义的探索,但是他们基本上是借助简单的两层辐射模式和二维能量平衡模式,考虑的物理过程比较简单。

Qian 等[8]利用耦合的硫输送-区域气候模式对东亚地区1994年10月和1995年7月的气溶胶辐射强迫进行了模拟。

但是他们没有给出东亚地区人为硫酸盐气溶胶辐射强迫和气候响应的季节变化规律和年平均总体分布状况。

周秀骥等[9]利用太阳直接辐射日总量和日照时数资料,反演了气溶胶光学厚度平均值,并用其模拟了对中国气候的影响,取得了非常有意义的结果。

但利用地面资料反演得到的气溶胶信息在空间分辨率和时间变化特征的描述上还不能满足准确地研究气溶胶区域气候效应的需要。

M ODIS 是美国国家航空和宇宙航行局(NASA)为适应全球变化研究而启动的EOS (Earth Observation System)计划中Terra 卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪(Moderate -resolution Im aging Spectroradiometer)的简称,它可以每天覆盖全球一次,提供可见光、近红外和红外共36个通道的全球扫描数据,最高分辨率达到250m,扫描宽度可达2330km,为陆地气溶胶遥感提供了可行的手段[10]。

NASA 建立的M ODIS 资料业务处理系统提供了分辨率为10km 的气溶胶产品。

本文利用M ODIS 月平均气溶胶光学厚度产品,首先分析了中国中东部地区2001年气溶胶光学厚度的月平均分布特征,然后结合中尺度气象模式MM 5模拟硫酸盐气溶胶辐射强迫及其气候响应,分析其地理分布特点和季节演变规律。

1 资料和模式简介1.1 气溶胶资料本文采用的气溶胶光学厚度资料是由MODIS LEVEL 2获得的2001年月平均资料,资料的分辨率为0.25b @0.25b ,范围是22b ~46b N,105b ~122b E,覆盖了中国东部地区。

由于我国近海岸地区海水泥沙大,故NASA 气溶胶产品海上算法不适用,得到的结果精度较差,海上资料取为缺测。

李成才等[11]利用地基太阳光度计资料对2001年起的M ODIS 气溶胶产品进行了验证,认为NASA 依赖目前暗背景算法取得的MODIS 产品在中国东部地区具有一定的精度,能够满足气候和环境研究的要求,且由于具有较高的空间分辨率和较大的空间覆盖,所以具有从前任何数据所无法比拟的优势。

1.2 MM5模式简介模拟采用的是美国国家大气研究中心(NCAR)1997年底在网上释放的第5代中尺度气象模式第2版本(MM5V 2)。

模式水平方向共有53@44个格点,模式水平范围为21.75b ~39.98b N,102.15b ~123.18b E,中心点坐标(31b N,116b E),格距为45km 。

水平差分格式选用ARAKAWA -B 方案。

垂直方向采用D 坐标,从地面到模式顶(100hPa)分成27层,使用蛙跳差分格式。

时间差分相似于蛙跳格式,积分步长为90s 。

模式所用的物理框架包括显式的Graupel 水汽方案、Grell 积云参数化方案、Blackadar 边界层方案,详细情况可参阅文献[12]。

323 3期 田 华等:中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫及气候效应的数值模拟324应用气象学报16卷原有MM5V2采用的辐射方案是CCM2,我们将CCM3[13]辐射方案耦合到MM5V2中。

CCM3辐射方案的改进之处是在CCM2辐射方案的短波辐射参数化中增加了气溶胶的散射效应,在长波辐射参数化中考虑了一些痕量气体(包括CH4,N2O,CFC11, CFC12)的辐射效应并考虑了冰云的辐射特征,区分了在暖云中海洋性和大陆性有效粒子的大小。

这些改进可减少模式在气候模拟中的偏差。

模式所需的初始场和边界场为2001年NCEP逐日分析资料,每天两个时次,分别为00:00(世界时,下同)和12:00。

网格距为1b@1b,主要的物理量有u、v水平风,温度,相对湿度,位势高度。

2气溶胶光学厚度季节变化特征分析图1是2001年1、4、7、10月4个月M ODIS光学厚度转换成模式格点的晴空气溶胶月平均光学厚度图。

有关MODIS气溶胶光学厚度反演的晴空选取标准可参见文献[14]。

从图中可以看出,2001年气溶胶光学厚度的大值区主要分布于四川盆地、长江中下游地区、黄淮及两广地区等,而福建全省、云贵高原附近、太行山以北等地气溶胶光学厚度全年较低。

华北地区除山东半岛、泰山附近光学厚度较低外,大部分地区光学厚度值较高。

由图还可知,同一年中气溶胶光学厚度分布随季节的变化呈现以下特征:冬季(1月),气溶胶光学厚度以四川盆地、湖北南部、淮河流域、黄河中下游地区为大值区,大值中心分别位于山东半岛北部地区和阜阳附近,光学厚度达0.8以上,26b N以南地区气溶胶光学厚度较小。

北方气溶胶光学厚度较大的主要原因是北方气候干燥、风速大,有利于本地土壤扬尘天气的产生。

春季(4月),光学厚度有3个明显的高值区,分别位于四川盆地、长江中游地区和广西东南部地区,大值中心分别位于重庆、武汉和南宁东部,中心值达0.9以上,相对冬季光学厚度大值区南移。

夏季(7月),四川盆地、长江中下游地区和两广地区的光学厚度变小,可能是由于夏季这些地区降水频繁,雨水的清除或湿沉降缩短了气溶胶的生命期。

华北地区、西安到汾河一带以及中原郑州一带为气溶胶光学厚度的大值区,中心值可达0.7以上。

这可能是因为该地区夏季湿度较高,有利于/气-粒0转化过程的发生,从而有利于气溶胶的形成。

秋季(10月),从两广地区到长江中游南部直至淮河北部地区为光学厚度的大值区,大值中心位于广东南部地区,达0.7以上。

总的来说,2001年我国中东部地区气溶胶光学厚度季节变化特征是:春季,光学厚度普遍偏高,除华北地区黄河中下游流域春、夏、冬季相当外,全国大部分地区达到全年最高值;夏季,华北地区、西安到汾河一带以及中原郑州一带升高,而四川盆地、长江流域下降,广西高值区消失;秋季,长江中下游地区和两广地区上升,全国其他地区下降;冬季,四川盆地、长江流域,黄河以北地区上升,南部普遍下降。

从以上的分析可知,气溶胶光学厚度分布图中存在的大值中心基本上是我国工业发达、人口稠密、经济快速发展的地区,这也表明中东部地区气溶胶的产生和人类的活动密切相关。

本文结论与罗云峰等[15]利用地基观测得出的结果类似,而且由于卫星资料分辨率高,本文给出的气溶胶的空间分布特征更为详细。

图1 2001年M ODIS 光学厚度转换成模式格点的晴空气溶胶月平均光学厚度图(a)1月,(b)4月,(c)7月,(d)10月3 气溶胶直接辐射强迫的模拟3.1 实验方案设计本文主要讨论硫酸盐气溶胶的辐射强迫及其气候效应,参照文献[16]取单散射反照率X =0.9999,比实际观测得到的中国临安地区X =0.93[17]偏小。

Bergstrom 等[18]曾估计如果有1D 的不确定性,那么北大西洋气溶胶X (0.55L m )变化0.07时,相应的模式顶净通量变化的不确定性为21%。

所以X 对辐射强迫的影响不容忽视,还需进一步深入研究。

本文在辐射方案中通过在太阳短波区0.2~0.7L m 波段晴空部分改变地-气系统的行星反照率来表征大气气溶胶的直接辐射效应。

将气溶胶放置在近地面层,根据气溶胶325 3期 田 华等:中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫及气候效应的数值模拟直接辐射强迫的定义为有气溶胶时与无气溶胶时模式顶太阳短波辐射净通量之差,我们共做了3个实验,con为无气溶胶时的控制实验,opt1为加入1倍气溶胶时的敏感性实验, opt2为加入2倍气溶胶时的敏感性实验,分别用Case1和Case2表示opt1-con、opt2-con。

3.2C ase1结果分析3.2.1晴空气溶胶直接辐射强迫的季节变化图2所示为2001年晴空时气溶胶辐射强迫的月平均变化,即晴空大气顶太阳短波净通量的变化。