人为排放气溶胶引起的辐射强迫研究
气候动力学-9-地气辐射平衡、辐射强迫与气候变化
地气系统的净辐射
地气系统的净辐射随季节、纬度、云量、云状、下垫面性质及大气成分等因素有变化。平 均而言，在两极和高纬度地区的净辐射为负，在赤道和热带地区正值。但在一个气候周 期，就整个地气系统而言，净辐射为零，地气系统的热状况没有明显变化，呈现出平衡的 状态。
辐射强迫与气候变化
• 什么是辐射强迫 • 温室气体与温室效应 • 气溶胶的辐射强迫 • 土地利用的辐射强迫 • 气候变化
地球-大气系统的总反照率称为行星反照率，它表示 入射地球的太阳辐射被大气、云及地面反射回宇宙 空间的总百分数。
目前认为全球的行星反照率数值可取0.31 地球表面的反照率 0.09 云、气溶胶和大气分子反照率 0.22
地表反照率
地表反射率的大小， 依赖于表面特性、 太阳天顶角和辐射 波长。
地表反照率 行星反照率
云-辐射相互作用
云除了通过反射、吸收和发射辐射直接影响大气的热状况外，云层中的辐射不稳定性和潜 热释放间的相互促进作用，对天气时间尺度及气候时间尺度过程都有影响。 云层能对气候系统的非绝热加热场起“修改”和再分配作用，从而影响气候的变化。一般 认为，这种影响可以归纳为如下基本过程： （1）通过潜热释放、蒸发以及感热和角动量的再分配，形成动力过程和水文过程的耦合。 （2）通过对辐射的反射、吸收和放射形成大气中辐射和动力-水文过程间的耦合。 （3）大气降水和地面水文过程的耦合。 （4）辐射和地面湍流输送的改变引起的大气和地面间的耦合。 （5）通过改变热通量影响海洋表面的能量平衡。 （6）改变到达海面的可见光辐射的比例，海洋吸收的辐射随即改变。 （7）改变冰雪区的热平衡。
Donohoe and Battisti, 2011, JC
云的反照率
通过云反照率效应使得部分 入射太阳辐射被反射回太空， 降低地气系统的温度。 云的反照率既依赖于云的厚 度、相态和含水量等云的宏 微观特性，而且和太阳高度 角也有关。
219477163_有效辐射强迫的概念及其最新估值：IPCC_AR6_解读
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气溶胶辐射效应
Fig. Automatic Sun Tracking Photometer CE-318 and laser radar CAMLTM CE 370-2
1. Aerosol observation
1.2 Airborne Measurement
间接效应
• 第二类间接效应：指由于云滴粒子减小伴随的云滴浓 度增大,而可能会减少降水概率,从而改变云的厚度及 生命周期。这种延长云的生命周期以及增大云覆盖率 的作用不仅会增强云的短波冷却辐射作用,也会增强长 波增暖辐射作用。但第二类作用主要还是影响低云,所 以低云的冷却效应成为主要作用,使得最终的净辐射作 用为一种冷却作用。另外,降水概率的减少可能会进一 步改变大气中水汽含量和热量的垂直分布,这将会改变 地球的水份循环。
气溶胶影响的不确定性因素
气溶胶辐射特性与粒子形状和尺度、 气溶胶辐射特性与粒子形状和尺度、垂直 分布、下垫面反照率、 分布、下垫面反照率、云与气溶胶的相互 作用等多方面因素有关。 作用等多方面因素有关。目前关于气溶胶 辐射特性定量化的结论仍有很大的不确定 性
• 散射相函数：散射辐射随角度的分布。 理论上,如果给定了球形气溶胶粒子的分 布,则可以利用Mie理论计算得到气溶胶粒 子的散射相函数。 在实际计算中,在大多数辐射传输模式中都 用近似的Henyey一Greenstein(HG)的散射 相函数。HG散射相函数较之精确的散射相 函数较为简单,是因为HG函数中只用一个参 数来定义各个方向的散射能量分布,即一不 对称因子g(Asymmetryfactor)。
•IPCC 1995年第一份评估报告 年第一份评估报告 全球变暖已经开始， 全球变暖已经开始，可能是由于人类温室气体的排放 •IPCC 1998年第二份评估报告 年第二份评估报告 证据的对比显示人类的行为对全球气候有可以辨别出的影响。 证据的对比显示人类的行为对全球气候有可以辨别出的影响。 •IPCC2001年第三份评估报告 年第三份评估报告 最近50年观测到的大部分变暖可能是由于温室气体浓度的增加。 最近 年观测到的大部分变暖可能是由于温室气体浓度的增加。 年观测到的大部分变暖可能是由于温室气体浓度的增加 IPCC 2007第四次评估报告： 第四次评估报告： 第四次评估报告 气候系统的变暖是毫不含糊的，目前从全球平均气温和海温升高、 气候系统的变暖是毫ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ含糊的，目前从全球平均气温和海温升高、 大范围雪和冰融化、 大范围雪和冰融化、以及海平面上升的观测中得到的证据支持了这一 观点。 观点。 观测到的20世纪中叶以来大部分的全球平均温度的升高，很可能是 观测到的 世纪中叶以来大部分的全球平均温度的升高， 世纪中叶以来大部分的全球平均温度的升高 由于观测到人为温室气体浓度增加所导致的。 由于观测到人为温室气体浓度增加所导致的。
短寿命气候污染物(SLCPs)的有效辐射强迫及对全球气候的影响研究
短寿命气候污染物（SLCPs）的有效辐射强迫及对全球气候的影响研究短寿命气候污染物（SLCPs）的有效辐射强迫及对全球气候的影响研究引言：全球气候变化已成为当今世界面临的一个重要问题。
气候变化对人类社会、经济和环境产生广泛影响，严重威胁着人类的生存和可持续发展。
作为全球气候变化的主要因素之一，人为活动导致的气候污染物排放成为科学界和政策制定者的研究重点。
短寿命气候污染物（SLCPs）作为一类对大气中短时间内产生重要影响的污染物，引起了广泛的关注。
本文旨在探讨SLCPs的有效辐射强迫及其对全球气候的影响研究。
一、短寿命气候污染物（SLCPs）的概念和特点短寿命气候污染物是指在大气中寿命较短的气体和颗粒物。
这类污染物包括臭氧（O3）、甲烷（CH4）、黑碳（BC）以及一些硫化物等。
SLCPs不仅对空气质量有直接影响，而且对全球和区域的气候产生辐射强迫效应。
其特点是短寿命和局地性的影响，因此对于减缓气候变化来说具有重要的意义。
二、SLCPs的有效辐射强迫有效辐射强迫是指影响地球能量平衡的冷却或加热效应。
SLCPs通过吸收和散射太阳辐射或转换为强温室气体而产生辐射强迫。
研究表明，SLCPs对全球地球总有效辐射强迫的贡献非常显著。
其中，黑碳是最重要的SLCPs之一，其具有高吸收太阳辐射能力，并且能够在大气中停留时间较长，对全球气候变化的影响尤为显著。
三、SLCPs对全球气候的影响1. 温室效应增强短寿命气候污染物主要是温室气体，它们的排放量增加导致温室效应的增强。
尤其是甲烷排放的增加，进一步加剧了气候变化。
2. 冰川融化加速SLCPs中的黑碳、臭氧和气溶胶颗粒物等，通过吸收太阳辐射、降低冰雪的反射能力，加速了全球冰川的融化。
这将导致海平面上升和水资源短缺等问题。
3. 气候极端事件增加短寿命气候污染物的排放导致全球平均气温上升，增加了气候极端事件的发生概率。
例如，严重的干旱、暴雨洪灾等极端事件频繁发生，给人类社会和生态环境造成了巨大破坏。
中国低碳路线图
价 ”管制． 第五， 中 国必须减少 Ｃ Ｏ ２ 排放造成 的大气污染． 循环利用 、可再生能源 和清 洁能源 的利用 都将有利 于减 少
污 染， 同时， 中国还要加强植树造林和生态系统 的建设．
曾现民 译 自 （ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ） ）， ２ ０ １ ３ ， ５ ０ ０ ： １ ４ ３ — １ ４ ５
中国环境科学
２ ０ １ ３ ， ３ ３ （ １ ２ ） ：２ ２ ８ ６
Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ Ｓ ｃ
自然源气溶胶对 间接强迫估计不确定性 的巨大贡献
人为源气 溶胶 对云滴浓度 和辐射性质 的影响是造成 工业时期气候辐 射强迫估计 不确定性 的最大 来源 之一， 这 种不确定性影响着我们对气候对温室气体变化敏感度 的估计 能力 ． Ｃ ａ ｒ ｓ ｌ ａ ｗ 等运 用全球气 候模 型对工业时期气溶胶 排放和变化过程的不确定性对云辐射强迫影响的敏感性进行定量分析． 结果表 明， 白１ ７ ５ ０年 以来， ４ ５ ％的气溶胶辐 射 强迫不确定性的增长来 自自然源排放（ 包括火 山二氧化硫 、海洋二 甲基硫化物 、生物源挥 发性有机碳 、生物 质燃烧 和海洋飞沫排放） 估计的不确定性； 相 比之下， 只有 ３ ４ ％的不确定性变化与人为排放源有关． Ｃ ａ ｒ ｓ ｌ ａ ｗ 等认为该研究说
其他地区 的森林损 失率增加抵消； 集约林业 的发展 使亚热带地区成为全球 森林覆盖变化率最大 的地 区： 北方森林 损
失主要 由森林火灾和林业活动 引起， 无论在绝对损 失量还是在损 失 比例上都仅次于热带地 区， 位居第二． 该研 究结果 描绘 了一个 兼具详细 局地变化特征 的全球森林覆 盖变化档 案，
空气污染-气候相互作用IPCC AR6的结论解读
空气污染-气候相互作用:IPCC AR6的结论解读作者：廖宏高瑜成陈东林代慧斌杜楠方力亢灵钱静秦卓凡王叶谢佩芙杨豪张丹瑜婷来源：《大气科学学报》2021年第05期摘要本文解讀最近发布的政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次气候变化评估报告（Sixth Assessment Report，AR6）关于空气污染-气候相互作用的主要新结论。
在大气污染物的气候效应方面，AR6估算了大气污染物或其前体物排放变化导致的有效辐射强迫值（Effective Radiative Forcing，ERF），对评估大气污染治理可能产生的气候效应具有启示性意义。
AR6也估算出1750—2019年间人为强迫导致的全球平均地表温度（Global mean Surface Air Temperature，GSAT）变化为1.29（0.99～1.65）℃，其中，均匀混合温室气体、臭氧、气溶胶导致的温度变化分别为1.58（1.17～2.17）℃、0.23（0.11～0.39）℃、-0.50（-0.22～-0.96）℃。
气溶胶历史变化的气候效应中，起决定性作用的是由SO2排放变化通过气溶胶-云相互作用所产生的ERF（高信度），从而部分抵消了人为排放温室气体所引起的变暖（高信度）。
在气候变化影响大气污染物方面，AR6首次评估获得了地表臭氧浓度对温度的敏感性，在偏远地区为-0.2 ～-2 nL·L-1·℃-1、在污染区为0.2 ～2 nL·L-1·℃-1。
在大多数陆地区域，关于气候变化是增加还是减少PM2.5，目前模式结果结论的一致性较低。
关键词大气污染;臭氧;PM2.5;气候变化大气污染物-气候系统相互作用同时涉及到大气环境、天气、气候变化这几个关系到国计民生和社会经济协调发展的重要研究领域。
大气中短寿命的化学物质臭氧和气溶胶（大气中液态或固态的颗粒物）对人体健康和生态系统有着直接的危害，是当前空气污染治理的主要对象（UNEP and WMO，2011）。
气溶胶变化对大气辐射强迫的影响研究
气溶胶变化对大气辐射强迫的影响研究随着人类活动的增加和工业化进程的发展，大气中的气溶胶排放量也在不断增加。
气溶胶作为大气污染物之一，其对大气辐射强迫的影响备受关注。
那么，气溶胶变化对大气辐射强迫的影响是什么样的呢？本文将从气溶胶的定义、形成原因、组成成分、作用机制等方面，探讨气溶胶变化对大气辐射强迫的影响。
一、气溶胶的定义及形成原因气溶胶是指在大气中悬浮的微小粒子，可分为自然气溶胶和人为气溶胶两类。
自然气溶胶主要来源于大气中的生物、火山喷发、沙尘暴等自然现象，而人为气溶胶则主要来源于工业污染、交通尾气、燃烧排放、农业活动等人类活动。
二、气溶胶的组成成分气溶胶的组成成分非常复杂，主要包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物质、黑碳等。
其中，硫酸盐、硝酸盐、铵盐是气溶胶中非常普遍的成分，其产生的主要原因是大气中混合气体和粒子之间的混合反应。
有机物质则主要来自于生物质燃烧和人类活动所排放的有机物质。
黑碳是指一种炭黑物质，其来源包括车辆尾气、燃煤和生物燃烧等。
三、气溶胶的作用机制气溶胶会对大气的辐射平衡产生重要影响。
气溶胶可散射、吸收和反射来自太阳和地球表面的辐射。
散射是指光线经过大气中的气溶胶时，由于气溶胶的直径比光波长小很多，导致光线的走向被改变，从而形成散射现象。
气溶胶的散射作用可以将地球表面反射上来的辐射散射回去，从而导致大气辐射平衡的变化。
吸收和反射则是指气溶胶在吸收或反射能量时，对大气辐射平衡的影响。
四、气溶胶变化对大气辐射强迫的影响气溶胶的变化对大气辐射平衡会产生显著影响。
当气溶胶浓度增加时，其对散射作用的贡献也会随之增加，从而导致大气辐射平衡向冷面倾斜。
相反，当气溶胶浓度减少时，大气辐射平衡会向暖面倾斜。
然而，气溶胶的影响并不是单一的，它可以与云、水汽一起影响大气辐射平衡。
云和水汽的存在会改变气溶胶的散射和吸收作用，从而影响大气辐射平衡。
因此，准确地评估气溶胶变化对大气辐射强迫的影响需要考虑多个因素的综合作用。
辽宁省沈文新高考研究联盟2024-2025学年高三上学期12月月考地理试题
辽宁省沈文新高考研究联盟2024-2025学年高三上学期12月月考地理试题本试卷满分100分考试时间75分钟【命题组织单位：辽宁沈文新高考研究联盟】第I卷（选择题，共48分）一、单选题（共16道小题，每小题3分，共48分）图示意某日亚洲东部局部地区等压线及6级以上大风区分布。
完成1-2题。
1．此时，甲地的风向最可能是A．东南风B．西北风C．东北风D．西南风2．与甲地相比，此时乙地A．因等压线密集而实际风力较大B．因等压线稀疏而实际风力较小C．因地面摩擦力较小而实际风力较大D．因地面摩擦力较大而实际风力较小在一些地势平缓地区，河流多成“S”形弯曲河道。
洪水泛滥时，河流可能冲断河曲的颈部，使弯曲部分与河道分离，河水径直流去，原来弯曲的河道被废弃，形成湖泊。
因为这种湖泊的形状恰似牛轭，所以称之为牛轭湖。
下图为牛轭湖形成示意图。
据此完成3-4题。
3．牛轭湖形成演变的时间顺序应为A．①④②③B．②③④①C．④①②③D．②①④③4．形成牛轭湖最主要的外力作用是A．流水侵蚀B．流水沉积C．流水搬运D．冰川侵蚀南北半球两个副热带高压带之间气压最低、气流汇合的地带称为热带辐合带，其主要分为季风辐合带和信风辐合带。
下面甲、乙两幅图示意世界某辐合带季节分布位置差异。
读图，回答5-6题。
5．图示现象主要影响的区域有①东热带太平洋②北美地区③东南亚④澳大利亚西北部A．①②B．②③C．③④D．①④6．图示辐合带控制地区A．海洋狂风巨浪B．遏制台风等的产生C．天气稳定少变D．形成绵延千里的云带2023年12月19日至22日，山东半岛部分地区出现“冷流降雪”（冷气流经过相对暖湿海域，在一定条件下形成降水）同时，山东烟台的莲菜海面出现了罕见的“海滋”奇观。
“海滋”是类似海市蜃楼的光学现象，当海水与水面的空气层出现较大温差时，光线通过密度不同的大气层发生折射，使岛屿等变形，形成奇异而变幻的画面。
读图，回答7-9题。
7．“冷流降雪”现象主要发生在山东半岛的A．偏北沿岸B．偏南沿岸C．偏东沿岸D．各沿岸均可发生8．本次“海滋”现象的发生条件是A．较暖气流流经较冷水面B．静风环境，海洋辐射降温C．冷气流过境后，水温高于气温D．暖气流过境后，暖湿气流冷却凝结9．大风吹来时“海滋”消失是因为大风A．破坏原有大气物理状态B．带来浓雾影响视线C．提高了表层海水的温度D．加剧大气垂直方向的对流采煤是一个高危险行业,稍微一点麻痹或者松懈就可能导致严重的安全事故。
中科院大气物理研究所大气物理1996-2014年考博试题及答案--自己总结
备注：红色字体P37表示在《大气物理学》书中第37页，另外本文档中试题答案为自己总结的。
中科院大气物理研究所大气物理1996-2014年考博试题及答案 2014年一、名词1、标准大气：（P37）标准大气，又称“参考大气”。
能够反映某地区（如中纬度）垂直方向上气温、气压、湿度等近似平均分布的一种模式大气。
它能粗略地反映中纬度地区大气多年年平均状况，并得到一国或国际组织承认。
2、天电：（P407）天电是指大气中放电过程引起的脉冲电磁辐射，其中闪电是主要的天电源。
3、莫宁-奥布霍夫长度：(P248)4、云凝结核：（P320）5、光化学烟雾：（P29）光化学烟雾是由汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物（HC ）和氮氧化物（NOx ）等一次污染物在阳光作用下发生复杂的光化学反应，生成臭氧、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯（PAN ）等二次污染物，这些一次污染物和二次污染物混合形成有害的光化学烟雾。
6、播撒云: “播种云一供应云”机制：高空对流泡中通过凝华和结淞增长大量冰晶，成为自然“播种云” ，冰晶降落到低层浓密的层状云中碰并水滴，从而将云水转化为雨水。
在低层，由中尺度抬升而产生的浓密的层状云为降落下来的降水粒子提供了丰富的云水，成为“供应云”。
高层播种云，一般是卷层云，在气旋云系中，高空对流泡是一种典型的播种云。
由于高空对流泡尺度小，可能同时存在好几个，因此，使地面降水存在着小尺度的不均匀结构。
供应云，一般指浓密的层状云，如高层云、雨层云、层积云或层云。
当供应云受到冰雪晶粒子的播种后，云内会通过云水碰冻→云冰碰连→雪晶的有效转化以及碰并等过程，使其降水强度明显增加。
7、冰雹的湿增长：（P348）8、普朗克定律（P68）：对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率符合以下关系:1/51152)1()1(2),(2---=-=T c Tk chB e c e h c T F λλλλπλ，其中c 1为第一辐射常数：24821107427.32-⋅⋅⨯==m m W h c c μπ；c 2为第二辐射常数：K m kch c ⋅==μ143882。
大气气溶胶对辐射强迫作用研究
大气气溶胶对辐射强迫作用研究近年来，大气气溶胶对气候变化的影响成为了科学界研究的重要课题。
大气气溶胶是指在大气中悬浮的微小粒子，其来源包括人类活动和自然源，例如燃烧排放物、沙尘暴、火山喷发等。
这些微小粒子的存在不仅对空气质量和人体健康产生直接的影响，还对大气辐射传输产生了复杂的影响。
辐射强迫是指气溶胶对地球辐射收支的影响量。
大气气溶胶能够散射、吸收和反射太阳辐射，进而改变大气实际辐射向地表的传输。
此外，它们还能够干扰地球辐射向外层空间的辐射传输。
因此，对大气气溶胶的辐射强迫作用的研究不仅对于气候模型的精确参数化具有重要意义，也有助于我们更好地了解全球气候变化的机制。
辐射强迫的研究需要从不同颗粒物的物理特性入手。
气溶胶的主要成分是硫酸盐和有机质，它们对辐射的吸收和散射有着不同的贡献。
硫酸盐是一种典型的散射剂，能够有效地将太阳辐射散射回太空；而有机质则对红外辐射和可见光吸收较强，能够将部分辐射转换为热能并带来温室效应。
此外，气溶胶的光学特性还受到粒子尺寸、体积浓度和复杂的呈现形态的影响。
为了研究气溶胶对辐射强迫的作用，科学家们进行了大量的实验和模拟研究。
他们使用精密的仪器和颗粒物模型，测量并模拟了不同气溶胶在大气中的特性。
其中，气溶胶的光学特性是研究的焦点。
通过实验和数值模拟，科学家们得出了一系列有关气溶胶对不同波长辐射的散射和吸收特性的数据，进一步推导出气溶胶辐射强迫的算法和参数。
辐射强迫研究的结果提示我们，大气气溶胶在气候变化过程中作用重要且复杂。
它们的存在可以减少太阳辐射的到达地表，从而对全球气候产生冷却效应；同时，它们还可以增加大气中的云量和云粒子的分布，从而影响到云的反照率和热力学性质。
这些变化将导致局部和全球尺度上的气温和降水的改变，进一步影响地球的气候系统。
然而，值得注意的是，目前对气溶胶辐射强迫的研究仍然存在一定的不确定性。
首先，气溶胶的成分和复杂的相互作用使得其辐射特性难以精确把握，需要更多的实验和观测数据来验证和调整现有的模型。
典型种类气溶胶的辐射强迫及其气候效应的模拟研究
典型种类气溶胶的辐射强迫及其气候效应的模拟研究气溶胶是指悬浮在大气中的微小颗粒物质,包括水分子凝华而成的水珠和空气中的灰尘、花粉等。
近年来,随着人类活动的影响不断扩大,气溶胶产生的辐射强迫也逐渐成为气象学领域的研究热点之一。
辐射强迫是指气溶胶中的放射性物质通过与大气中的水汽结合、运动和蒸发等过程,对大气中的温度、湿度、气压等气象参数产生影响的一种现象。
在气象学中,辐射强迫通常被用作天气预报和气候变化的监测和分析工具。
气溶胶中的辐射强迫受到多种因素的影响,如气溶胶中放射性物质的放射性活度、气溶胶的来源和分布等。
一般来说,气溶胶中的放射性物质含量较高时,其辐射强迫也会增强。
此外,气溶胶中的放射性物质还可以通过与大气中的水汽结合,形成放射性气溶胶颗粒,进一步加重辐射强迫的效果。
针对典型的气溶胶种类,例如水分子凝结而成的水珠和气溶胶颗粒等,可以通过模拟研究的方式来探究其辐射强迫及其气候效应。
具体而言,可以采用数值模拟方法,建立气溶胶辐射强迫与气候模型之间的联系,以探究不同气溶胶类型对气候参数的影响。
通过模拟研究,可以发现不同类型的气溶胶对气候参数的影响程度不同。
例如,气溶胶颗粒对气候参数的不利影响较为严重,而水分子凝结而成的水珠则对气候参数的不利影响较小。
此外,不同类型的气溶胶还可能对大气中的辐射传输产生影响,从而对气候产生影响。
除了数值模拟方法外,还可以通过实验研究的方式来探究不同类型的气溶胶对气候的影响。
例如,可以通过收集气溶胶样本,对其进行放射性检测,并测量其对气候参数的影响,从而进一步深入研究气溶胶辐射强迫及其气候效应。
气溶胶的辐射强迫及其气候效应是气象学研究的重要课题,对于天气预报和气候变化的监测和分析具有重要的指导意义。
未来,应进一步研究不同类型的气溶胶对气候的影响,为气象学及相关领域的发展做出更大的贡献。
气溶胶的辐射强迫效应
气溶胶的辐射强迫效应1. 什么是气溶胶？气溶胶，这个词听起来是不是有点高大上？别担心，简单来说，它就是空气中漂浮的微小颗粒物。
想象一下，阳光透过窗帘洒在你家里的时候，那些小小的灰尘在阳光下跳舞，实际上就是气溶胶的一种表现。
气溶胶可以是自然界的产物，比如海洋中的盐粒、火山爆发时的灰烬，当然也有很多是人类活动造成的，比如汽车排放的污染物。
总之，气溶胶就像是空气中的“隐形小伙伴”，虽然看不见，但它们的存在可不是开玩笑的！1.1 气溶胶的来源气溶胶的来源多种多样，咱们来细数一下。
首先，植物在生长过程中释放的挥发性有机化合物，可以转化为气溶胶。
其次，火灾和沙尘暴也会大量产生气溶胶，仿佛大自然在给我们上演一场视觉盛宴。
另外，工业活动和汽车排放的废气也是气溶胶的重要来源。
简单来说，气溶胶就像是空气中的调味料，让我们的环境变得丰富多彩，但有时候也会让人捂住鼻子。
1.2 气溶胶的种类气溶胶可不是单一的角色，它们可以分为很多种类。
比如，液态气溶胶和固态气溶胶。
液态气溶胶就像小水滴，而固态气溶胶则更像小小的灰尘。
还有一种叫“烟雾”的气溶胶，特别在雾霾天气里让人苦不堪言。
每一种气溶胶都有它独特的“性格”，有的温柔，有的却可能让你头疼不已。
2. 气溶胶的辐射强迫效应那么，气溶胶与气候又有什么关系呢？这就要提到一个词：“辐射强迫效应”。
听起来复杂，但其实是指气溶胶对地球辐射平衡的影响。
气溶胶能够反射和吸收太阳光，这就像是在给地球穿上了一层“防晒霜”。
有些气溶胶能把阳光反射回太空，降低地球表面的温度，而有些则吸收热量，让地球变得更加温暖。
就好像你在夏天选择穿短袖还是长袖，决定了你是想要凉快还是保暖。
2.1 反射效应气溶胶的反射效应可真是个“保护神”。
它们把太阳光反射回去，减少了地球吸收的热量，这样一来，全球变暖的速度就会减缓。
这就像是给炎热的夏天开了一扇窗，让清风进来，真的能让人舒爽。
不过，这种效果并不是长期的，毕竟气溶胶在空气中停留的时间有限，过不了多久，阳光又会“直冲”而来。
气溶胶辐射强迫理解
浅谈气溶胶辐射强迫气候变化由地一气系统的辐射平衡状况决定。
气候可以因太阳短波辐射及地一气系统长波辐射的变化而变化。
如气候系统处于平衡态，则其吸收的太阳短波辐射等于地一气系统向外发射的长波红外辐射，任何对这种平衡的扰动并因此使气候发生变化的因子均被称之为辐射强迫因子。
地—气系统的辐射强迫因子主要指入射太阳辐射以及大气中的温室气体、臭氧、云和气溶胶等。
气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物组成的体系。
大气气溶胶定义为那些悬浮在大气中直径为10-3—10um的微粒。
气溶胶种类较多，一般将其分为自然源和人为源两类。
自然源气溶胶(如沙尘、海盐粒子和海洋硫酸盐化合物等)在大气中的含量、分布和光学特性在一个较长的时间段内可以近似看做不变；火山爆发产生的气溶胶也不会有长期的效应。
对气候变化或气候强迫的研究而言，可以忽略这类气溶胶的影响。
而人为源气溶胶，如化石燃料燃烧产生的硫酸盐化合物以及石油燃烧产生的烟尘、沙漠化形成的土壤尘埃和生物体燃烧产生的烟雾等等，自工业革命以来在大气中的含量持续增加，尤其是本世纪50年代以来增长更加迅猛。
因此，人为气溶胶辐射强迫对气候变化的影响是不容忽视的。
大气气溶胶由不同相态物体组成，虽然其含量很少，但对大气中发生的许多物理化学过程都有重要的影响。
大气气溶胶对气候的辐射影响可分为直接和间接两部分。
气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射，从而直接改变地—气系统的能量收支，影响气候变化；气溶胶粒子还可以作为云的凝结核(CC:N)改变云的光学特性和生命期，而间接地影响气候。
此外，它还参于臭氧的非均相反应，影响臭氧平衡，间接地影响地气系统的能量收支。
但对这两方面影响的研究仍存着不少困难：（1）对于气溶胶直接辐射强迫及气候响应的研究，一方面，由于气溶胶特性及含量的时、空分布，在目前和不远的将来还无法较为准确地在全球范围由模式计算得到，使得难以准确地估计直接辐射强迫的大小和分布；另一方面，由于辐射强迫引起的温度变化可以使气候系统产生反馈，这又会加强直接辐射强迫的程度，并使其分布也发生变化。
气溶胶辐射强迫理解
浅谈气溶胶辐射强迫气候变化由地一气系统的辐射平衡状况决定。
气候可以因太阳短波辐射及地一气系统长波辐射的变化而变化。
如气候系统处于平衡态，则其吸收的太阳短波辐射等于地一气系统向外发射的长波红外辐射，任何对这种平衡的扰动并因此使气候发生变化的因子均被称之为辐射强迫因子。
地—气系统的辐射强迫因子主要指入射太阳辐射以及大气中的温室气体、臭氧、云和气溶胶等。
气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物组成的体系。
大气气溶胶定义为那些悬浮在大气中直径为10-3—10um的微粒。
气溶胶种类较多，一般将其分为自然源和人为源两类。
自然源气溶胶(如沙尘、海盐粒子和海洋硫酸盐化合物等)在大气中的含量、分布和光学特性在一个较长的时间段内可以近似看做不变；火山爆发产生的气溶胶也不会有长期的效应。
对气候变化或气候强迫的研究而言，可以忽略这类气溶胶的影响。
而人为源气溶胶，如化石燃料燃烧产生的硫酸盐化合物以及石油燃烧产生的烟尘、沙漠化形成的土壤尘埃和生物体燃烧产生的烟雾等等，自工业革命以来在大气中的含量持续增加，尤其是本世纪50年代以来增长更加迅猛。
因此，人为气溶胶辐射强迫对气候变化的影响是不容忽视的。
大气气溶胶由不同相态物体组成，虽然其含量很少，但对大气中发生的许多物理化学过程都有重要的影响。
大气气溶胶对气候的辐射影响可分为直接和间接两部分。
气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射，从而直接改变地—气系统的能量收支，影响气候变化；气溶胶粒子还可以作为云的凝结核(CC:N)改变云的光学特性和生命期，而间接地影响气候。
此外，它还参于臭氧的非均相反应，影响臭氧平衡，间接地影响地气系统的能量收支。
但对这两方面影响的研究仍存着不少困难：（1）对于气溶胶直接辐射强迫及气候响应的研究，一方面，由于气溶胶特性及含量的时、空分布，在目前和不远的将来还无法较为准确地在全球范围由模式计算得到，使得难以准确地估计直接辐射强迫的大小和分布；另一方面，由于辐射强迫引起的温度变化可以使气候系统产生反馈，这又会加强直接辐射强迫的程度，并使其分布也发生变化。
大气气溶胶辐射强迫及气候效应的研究现状
大气气溶胶辐射强迫及气候效应的研究现状大气气溶胶是指悬浮在大气中的各种颗粒物，包括自然来源和人为来源。
这些颗粒物对地球的气候有着重要的影响，因为它们可以吸收和散射太阳辐射，进而影响地球表面的温度和气候。
近年来，大气气溶胶辐射强迫及气候效应的研究取得了显著的进展。
首先，关于气溶胶的辐射强迫效应，已有大量的研究通过各种手段对气溶胶第一间接辐射强迫进行了定量评估。
然而，基于数值模拟和卫星观测的RFaci之间仍存在巨大差异。
卫星观测估算的RFaci通常介于-0.2瓦特每平方米至-0.6瓦特每平方米之间，而模式模拟的RFaci 在-0.3瓦特每平方米到-1.8瓦特每平方米之间，强度远大于前者。
这表明我们仍需要进一步研究和理解气溶胶的辐射强迫效应。
其次，人为活动对大气气溶胶的影响日益明显。
工业活动、农业活动和能源消耗等人类活动源源不断地向大气中排放颗粒物，这些颗粒物会吸收和散射太阳辐射，导致地表温度上升或下降，从而影响气候。
近年来，科学家们正在努力研究这些人为活动对大气气溶胶的影响及其对气候的影响。
此外，由于气溶胶的直接和间接辐射强迫效应，它们对区域和全球气候变化有着显著的影响。
例如，黑碳气溶胶可以吸收太阳的短波辐射并加热大气，同时也可以通过云-气溶胶相互作用影响云的形成和演变。
这些影响在全球范围内产生显著的气候效应，包括温度变化、降水分布变化和极端气候事件频率的变化等。
然而，尽管我们已经知道气溶胶对气候有着重要的影响，但是对其具体的作用机制和影响程度的理解仍然有限。
这主要是因为气溶胶在大气中的分布和变化具有很大的空间和时间尺度，同时它们与云、降水等气候系统的相互作用也非常复杂。
因此，需要进一步的研究来理解这些复杂的相互作用和反馈过程。
总的来说，大气气溶胶辐射强迫及气候效应的研究仍然是一个活跃且重要的领域。
我们需要进一步的研究来理解气溶胶对气候的影响机制和影响程度，以帮助我们更好地预测和理解全球和区域的气候变化。
华北地区沙尘天气垂直气溶胶直接辐射强迫
中国环境科学 2020,40(12)：5169~5181 China Environmental Science 华北地区沙尘天气垂直气溶胶直接辐射强迫侯灿1,2,张峰3,黄勇1,2,吴文玉1,2,邓学良1,2,陶明辉4*(1.安徽省气象科学研究所,大气科学与卫星遥感安徽省重点实验室,安徽合肥 230031；2.寿县国家气候观象台,中国气象局淮河流域典型农田生态气象野外科学试验基地,安徽寿县232200；3.复旦大学大气与海洋科学系,大气科学研究院,上海 200438；4.中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院,关键带演化实验室,湖北武汉 430074)摘要：利用CALIOP数据和SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)辐射传输模式研究了2013~2016年华北地区8d沙尘天气气溶胶及其直接辐射强迫垂直分布特征,分析了气溶胶垂直分布和光学特性对直接辐射强迫的影响.结果表明,气溶胶集中分布在地表及以上3km范围,其中纯净沙尘型和污染沙尘型气溶胶位于上层,污染大陆型气溶胶和烟雾位于下层.大气层顶、地表和大气层的日均气溶胶直接辐射强迫分别是-38.41~-88.44,-74.03~-225.86,9.06~137.42W/m2.0~8km高度范围气溶胶直接辐射强迫是负值,且随着高度的增加绝对值逐渐减小.气溶胶垂直分布对大气层顶、地表和大气层的直接辐射强迫影响较小,但对直接辐射强迫垂直分布影响较大,由气溶胶廓线差异造成的同一高度层气溶胶直接辐射强迫最大差值能达到31.18W/m2.气溶胶光学厚度和单次散射反照率对直接辐射强迫影响明显.消光能力相同时,吸收性气溶胶对短波太阳光的衰减作用大于散射性气溶胶,后向散射比例大的气溶胶大于后向散射比例小的气溶胶.关键词：气溶胶直接辐射强迫；垂直分布；辐射传输模式；华北地区；沙尘天气中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2020)12-5169-13Vertical distribution of aerosol direct radiative forcing in dust events over north China. HOU Can1,2, ZHANG Feng3, HUANG Yong1,2, WU Wen-yu1,2, DENG Xue-liang1,2, TAO Ming-hui4* (1.Anhui P rovince Key Laboratory of Atmospheric Sciences and Satellite Remote Sensing,Anhui Institute of Meteorological Sciences, Hefei 230031, China；2.Huai River Basin Typical Farm Eco-meteorological Experiment Field of China Meteorological Administration, Shouxian National Climatology Observatory, Shouxian 232200, China；3.Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, Institute of Atmospheric Sciences, Fudan University, Shanghai 200438, China；boratory of Critical Zone Evolution, School of Geography and Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China). China Environmental Science, 2020,40(12)：5169~5181Abstract：Using CALIOP data and SBDART (Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer) model, the vertical distribution of aerosols and their direct radiative forcing in 8 dusty days between 2013 and 2016 in north China were studied. The effects of vertical distribution and optical properties on aerosol direct radiative forcing were also analyzed. The results showed that, the aerosols are concentrated from the surface to 3km, in which the dust particles are in the upper layer, while polluted continental aerosols and smoke are in the lower layer. The daily mean of aerosol direct radiative forcing is in -38.41 ~ -88.44 W/m2 at the top of the atmosphere, and -74.03 ~ -225.86W/m2 at the surface and 9.06 ~ 137.42W/m2 in the atmosphere, respectively. The aerosol direct radiative forcing is negative at 0~8km, and the magnitude gradually decreases as altitude. Vertical distribution has little effect on the magnitude of direct aerosol radiative forcing, but exhibits great influence on its vertical characteristics. The maximum difference of aerosol direct radiative forcing at the same altitude caused by the difference of aerosol profile can reach 31.18W/m2. The influence of aerosol optical depth and single scattering albedo on aerosol direct radiative forcing is obvious. When the extinction ability is the same, the attenuation effect of absorbing aerosols or with large backscattering ratio on short-wave sunlight is greater than that of scattering aerosols or with small backscattering ratio.Key words：aerosol direct radiative forcing；vertical distribution；radiative transfer model；north China；dust events气溶胶在影响地球能量平衡和全球气候变化中起着重要作用,主要体现在气溶胶吸收、散射短波和长波辐射对气候产生直接影响[1-3],以及气溶胶作为云凝结核影响云微物理特性,如云滴数密度、云滴尺度和云生命周期等,对气候产生间接影响[4].气溶胶辐射强迫可以评估气溶胶对气候变化的影响程度.但众多的气候变化影响因子中,最不确定和亟待深入认识的是人类活动产生的气溶胶辐射影响[5].收稿日期：2020-04-19基金项目：国家重点研发计划专项(2016YFC0201900);安徽省重点研究与开发计划(202004b11020012);国家自然科学基金面上项目(41675003) * 责任作者, 教授,*************.cn5170 中国环境科学 40卷为减小估算气溶胶辐射强迫的不确定性,国内外实施了多个气溶胶观测计划,利用地基观测和卫星遥感手段得到气溶胶光学参数.然而,利用这些数据作为输入参数研究气溶胶辐射效应和气候效应仍具有很大的不确定性.气溶胶生命周期短,自身的物理化学性质时空分布变化大是原因之一,另一个重要原因是气溶胶垂直分布不均匀,难以参数化[6-7]. Meloni等[8]指出气溶胶垂直分布是估算气溶胶直接辐射强迫不确定性的最大来源之一.Chung等[9]估算出气溶胶垂直分布会对全球总气溶胶直接辐射强迫产生0.5W/m2的不确定性.针对这一现象,众多学者开展了大量研究工作,结果发现不同地区和种类的气溶胶垂直分布特征及其对直接辐射强迫的影响存在明显差异[10-14],且由于观测数据的限制,中国地区的相关研究不够充分.华北地区人口的大量聚集使得该地区的气溶胶尤其是人为气溶胶的含量一直居高不下[15].目前,华北地区已经是影响全国乃至全球的气溶胶辐射效应和气候效应不确定性的主要区域之一[16].本文以沙尘天气为切入点,筛选出2013~2016年华北地区(34°N~41°N,114°E~120°E)8d沙尘天气污染个例,在地基AERONET数据的数值约束下,利用CALIOP 数据和SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)辐射传输模式研究了华北地区沙尘天气气溶胶垂直分布特征,估算气溶胶直接辐射强迫廓线,探讨气溶胶垂直分布和光学特性对气溶胶直接辐射强迫的影响.1 研究数据及方法1.1研究数据主要用到的研究数据有AERONET气溶胶地基遥感观测网数据(),用来提供气溶胶光学和辐射特性信息;CALIOP卫星数据(https:///project/calipso/calipso_ table),用来提供气溶胶垂直分布信息.1.1.1 AERON ET地基观测站网 AERON ET利用CIMEL CE-318全自动太阳光度计测量340,380, 440,500,675,870,940,1020,1640nm通道的太阳直接和散射辐射,其中940nm通道用于观测水汽柱含量,其余通道用于观测气溶胶光学厚度(AOD)和Ångström指数(AE).此外,可反演得到440,675, 870,1020nm波段的复折射指数、单次散射反照率(SSA)、不对称因子(ASY)和短波辐射通量等参数[17-19].数据产品分为Level 2.0、Level 1.5、Level 1.0 共3个等级.研究过程中,Level 2.0数据质量最高, Level 1.5次之,Level 1.0不予使用.本文使用AERON ET Version 2 Inversions的Level 2.0数据,缺测时以Level 1.5数据补充,数据时间分辨率为15min.用到的华北地区站点有北京、北京-CAMS、北京_RADI、香河、徐州.使用到的具体参数是440,675,870nm波段的气溶胶光学厚度、单次散射反照率、不对称因子,440~870nm的Ångström指数,太阳天顶角和水汽柱含量,用于输入SBDART辐射传输模式计算气溶胶直接辐射强迫;大气层顶、地表向下和向上短波辐射通量,用于验证SBDART辐射传输模式模拟结果.站点详细信息见表1.表1华北地区AERONET站点信息Table 1 The information of AERONET sites in north China站点经纬度高程(m) 等级时间范围北京 (116.38°E,39.98°N)92 2.0 2013-01~2016-12北京-CAMS(116.32°E, 39.93°N)106 2.0 2013-01~2016-12北京_RADI(116.38°E, 40.00°N)59 1.5 2013-01~2016-12香河 (116.96°E,39.75°N)36 2.0 2013-01~2016-12徐州 (117.14°E,34.22°N)59 1.5 2013-07~2016-121.1.2 CALIOP卫星遥感数据 CALIOP搭载在2006年发射的CALIPSO卫星上,通过发射532nm和1064nm的激光脉冲,可以得到1064nm通道后向散射信号和532nm 2个正交偏振(平行和垂直)通道后向散射信号,从而提供全球高分辨率的气溶胶和云的垂直分布信息,包括后向散射系数、退偏比、色比和消光系数等光学参数[20-22].CALIOP每16 d可以获得一次全球气溶胶和云层的三维信息.本文使用CALIOP V4.10版本Level 2.0气溶胶廓线数据、Level 2.0气溶胶垂直特征数据(VFM)和Level 1.0数据.Level 2.0气溶胶廓线数据的水平分辨率是5km,垂直分辨率是60m(-0.5~8.2km高度范围),提供的参数有地表高程数据、532nm和1064nm 气溶胶消光系数、532nm和1064nm气溶胶后向散射系数和质量控制参数等.利用532nm气溶胶消光系数表示气溶胶垂直分布信息,对数据进行质量控制的方法和Winker等[23]类似,主要有:①无云;12期 侯 灿等：华北地区沙尘天气垂直气溶胶直接辐射强迫 5171②AVD =3;③CAD_Score 10002−≤≤−;④Ext_QC =0,1;⑤-1532nm 0Ext_Coef 1.25 km ≤≤;⑥0Ext_≤-1532nmCoef_Unc 99.9km ≤.其中,AVD =3表示是气溶胶;CAD_Score 用于评价云-气溶胶识别算法的可信度;Ext_QC 用于评价气溶胶消光系数的数据质量;532nm Ext_Coef 是532nm 气溶胶消光系数;532nm Ext_Coef_Unc 是532nm 气溶胶消光系数的不确定度.对数据进行质量控制后,垂直方向上进行五点平滑,以增加信噪比,并将垂直分辨率插值到0.3km.Level 2.0气溶胶垂直特征数据(VFM)和Level 1.0数据的水平分辨率为333m,垂直分辨率为30m (-0.5~8.2km 高度范围),利用Level 1.0数据的Total Attenuated Backscatter 532参数识别云、气溶胶和气体分子,进而利用Level 2.0气溶胶垂直特征数据(VFM)的Feature Classification Flags 参数识别气溶胶具体类型,分析气溶胶垂直分布特征. 1.2 区域划分和个例选择研究华北地区沙尘天气垂直气溶胶直接辐射强迫,需满足条件:(1)SBDART 辐射传输模式的关键输入参数存在观测数据;(2)440AOD 0.4≥,确保AERONET 反演单次散射反照率和复折射指数时误差小[18-19];(3)过境的CALIOP 气溶胶廓线数据在质量控制之后,0~8km 高度范围气溶胶垂直分布信息尽可能完整,减小估算垂直气溶胶直接辐射强迫的误差;(4)沙尘天气,即CALIOP 的VFM 数据识别出大量纯净沙尘型气溶胶或者污染沙尘型气溶胶.CALIOP 数据时间分辨率低,重返周期约16d,以表1中地基站点为中心选取半径为50 km 或者100km 圆域内卫星过境数据,卫星过境天数过少,无法选出同时满足上述4个条件的日期开展研究.为提高数据的利用率,将地基站点附近研究区域扩大,参考CALIOP L3全球数据是1.0×2.5 deg grid,华北地区有AERONET 站点的格点区域为(39°N~40°N, 115°E~117.5°E)和(34°N~35°N,115°E~117.5°E).北京、北京-CAMS 、北京_RADI 、香河4个站点位于(39°N~40°N,115°E~117.5°E)区域内,徐州站点位于(34°N~35°N,115°E~117.5°E)区域内.针对(39°N~40°N,115°E~117.5°E)和(34°N~ 35°N,115°E~117.5°E),CALIOP 卫星过境数据分别有17,19d,去除OMI 、MODIS 、AERONET 数据缺测和440AOD 0.4<的情况,分别有10,15d 可选择.CALIOP 数据质量控制之后会剔除部分数据,从这10,15d 中选择质量控制之后0~8km 高度范围CALIOP 数据完整且是沙尘天气的日期开展研究.满足条件的日期是2013年3月17日、2013年10月27日、2014年4月14日、2015年3月7日(39°N ~40°N,115°E~117.5°E);2014年4月7日、2015年4月10日、2016年4月12日、2016年5月5日(34°N ~35°N,115°E~117.5°E).为研究华北地区沙尘天气垂直气溶胶直接辐射强迫的共性,这8d 沙尘天气均保留.这8d 卫星过境时间均为夜间且1d 只有1条卫星过境数据.气溶胶垂直分布白天和夜间存在差异,但由于CALIOP 数据量过少,忽略气溶胶垂直分布的日际变化,以1.0×2.5 deg grid 区域内卫星过境数据作为当天气溶胶垂直分布信息. 1.3 研究方法1.3.1 气溶胶直接辐射强迫和直接辐射强迫效率计算方法 气溶胶直接辐射强迫是指晴空条件下有无气溶胶的净辐射通量的差值.给定高度Z 、大气层顶(TOA)、地表(SFC)的气溶胶直接辐射强迫(ADRF)计算公式为[13,24]: aer noaerADRF =NF NF Z Z Z − (1) aer noaer TOA TOA TOA ADRF =NF NF − (2)aer noaerSFC SFC SFC ADRF =NF NF − (3)down up NF =F F − (4)式中:F down 和F up 分别是向下和向上辐射通量.辐射通量是指单位时间内通过任意表面的辐射能量[25].在大气辐射传输过程中,以向下为正方向,向上为负方向.以大气层顶为例,向下辐射通量表示进入地气系统的辐射能量,向上辐射能量表示反射回外太空的辐射能量;aer NF 和noaer NF 分别是有气溶胶和无气溶胶时的净辐射通量;ADRF 是气溶胶直接辐射强迫.大气层的气溶胶直接辐射强迫是大气层顶(TOA ADRF )和地表气溶胶直接辐射强迫(SFC ADRF )的差值[26-27],即ATM TOA SFC ADRF =ADRF ADRF − (5) 气溶胶直接辐射强迫效率定义为单位气溶胶光学厚度的气溶胶直接辐射强迫,即550ADRF/AOD ,去除了气溶胶直接辐射强迫对气溶胶光学厚度的依赖性,便于分析气溶胶光学特性对气溶胶直接辐射强迫的影响.由于AERONET 数据没有550nm 气溶胶光学厚度,利用440,870nm 气溶胶光学厚度和5172 中 国 环 境 科 学 40卷440~870nm 的Ångström 指数插值得到550nm 气溶胶光学厚度,插值方法为[28]1232AE23AOD AOD (/)λλλλλλ−=× (6)1212-12AE (ln(AOD /AOD ))/ln(/)λλλλλλ=− (7) 式中:1λ,2λ,3λ分别为440,870,550nm.1.3.2 SBDART 辐射传输模式模拟 SBDART 辐射传输模式是一个用于计算晴空和有云条件下地球大气和地表的平面平行大气辐射传输的程序包[29].本文使用版本2.4进行模拟计算,该版本采用离散纵坐标法,LOWTRAN -7或者MODTRAN -3以及米散射计算大气辐射传输,提供了高达6组大气廓线,40个辐射传输流,65个大气层,波长范围覆盖红外、可见光和紫外波段,计算结果和地基观测数据吻合较好,相对误差小于3%[30-31].本文利用SBDART 辐射传输模式计算晴空条件下0.25~4.0um 短波波段的从大气层顶到地表的有无气溶胶的向下和向上辐射通量.有气溶胶时,运行SBDART 辐射传输模式采用四流近似,45个大气层,垂直分辨率设为0.3km .模式的关键输入参数有:整层气溶胶光学特性(440,675,870nm 气溶胶光学厚度、单次散射反照率、不对称因子和440~870nm 的Ångström 指数),气溶胶垂直分布信息(532nm 气溶胶消光系数),水汽柱含量,太阳天顶角,臭氧柱含量,地表反照率.整层气溶胶光学特性、水汽柱含量和太阳天顶角数据均来自AERON ET Version 2 Inversions 数据集,可以用来控制整层估算误差.单次散射反照率、不对称因子利用440,675,870nm 处数值线性内插或者外插到整个短波波段,气溶胶光学厚度利用440,675,870nm 处数值对数内插到440~ 870nm 范围内,结合Ångström 指数外插到440~ 870nm 范围外波段.气溶胶垂直分布信息来自CALIOP Level 2.0气溶胶廓线数据.臭氧柱含量数据来自OMI 传感器的Daily L3 Global 0.25*0.25 deg grid 数据[32-33].地表反照率数据来自MODIS 的日均融合产品MCD43D51[34-35].整层气溶胶光学特性、水汽柱含量和太阳天顶角一天多组数据,8d 沙尘天气共有65组数据,以1.0×2.5deg grid 区域内各站点瞬时值输入SBDART 模式.气溶胶垂直分布信息、臭氧柱含量和地表反照率一天一组数据,以1.0×2.5 deg grid 区域内水平方向的平均值输入SBDART 模式.无气溶胶时,运行SBDART 辐射传输模式将气溶胶输入参数关闭,即无整层气溶胶光学特性和气溶胶垂直分布信息,其他输入参数保持不变.利用式(1)~式(5)计算得到高度Z 、大气层顶、地表、大气层的瞬时气溶胶直接辐射强迫,进而计算得到瞬时气溶胶直接辐射强迫效率和日均气溶胶直接辐射强迫.SBDART 模式给出的气溶胶垂直分布是假定气溶胶消光系数随高度指数下降,将上述模拟过程中气溶胶垂直分布信息改为SBDART 模式给出的气溶胶垂直分布,其它输入参数保持不变,计算得到高度Z 、大气层顶、地表、大气层的瞬时气溶胶直接辐射强迫,进而计算得到日均气溶胶直接辐射强迫.对比两种模拟结果,探讨气溶胶垂直分布对大气层顶、地表、大气层的气溶胶直接辐射强迫和气溶胶直接辐射强迫垂直分布特征的影响. 2 结果和讨论2.1 气溶胶垂直分布特征已有研究表明,532nm 总衰减后向散射系数为4.5×10-3~0.1km -1⋅sr -1的部分代表的是云,即图1中红色至白色区域;0.8×10-3~4.5×10-3km -1⋅sr -1的是气溶胶粒子,即绿色至橙色区域;0.1×10-3~0.8×10-3km -1⋅sr -1的是气体分子,即蓝色区域[36-38].由图1可以看出,CALIOP 过境的格点区域地表及以上3km 范围有明显的绿色至橙色区域,气溶胶粒子集中分布在该高度范围,4~5km 范围存在气溶胶粒子,但含量较少,5km 以上绿色至橙色区域已不明显,气溶胶粒子含量很少.计算CALIOP 过境的格点区域内卫星数据水平方向的平均值,以532nm 气溶胶消光系数廓线表示气溶胶垂直分布.图2可以看出,气溶胶消光系数垂直分布特征明显,并非SBDART 模式假定的气溶胶消光系数随高度指数衰减的特征.高值区在3km 以下,最大值能达到1.38km -1,近地层污染严重,3km 以上气溶胶消光系数数值小于0.2km -1.2013年3月17日和2016年4月12日气溶胶消光系数垂直方向上为双峰型结构,峰值分别为(0.6km,0.86km -1)、(3.9km,0.18km -1)和(0.6km,0.51km -1)、(3.0km,0.32km -1).2013年10月27日、2014年4月7日和2015年4月10日3.5km 以下气溶胶消光系数随高度增加而减小,3.5km 以上气溶胶消光系数趋近于12期 侯 灿等：华北地区沙尘天气垂直气溶胶直接辐射强迫 51730.2015年3月7日气溶胶消光系数垂直方向上为单峰型结构,峰值为(1.2km,0.54km -1).2014年4月14日和2016年5月5日气溶胶消光系数垂直方向上波动性变化.图1 CALIOP 532nm 总衰减后向散射系数垂直剖面(km -1⋅sr -1)Fig.1 CALIOP altitude -orbit cross -section of total 532nm attenuated backscattering ( km -1⋅sr -1)左右列白色直线划定范围分别表示CALIOP 过境的格点区域(39°N~40°N,115°E~117.5°E)和(34°N~35°N,115°E ~117.5°E);红色实线表示地表高度;(a)2013-03-17,(c)2013-10-27,(e)2014-04-14,(g)2015-03-07;(b)2014-04-07,(d)2015-04-10,(f)2016-04-12,(h)2016-05-05图2 CALIOP 532nm 气溶胶消光系数区域平均廓线Fig.2 CALIOP area averaged prifiles of 532nm aerosol extinction coefficient(a)(39°N~40°N,115°E~117.5°E),(b)(34°N~35°N,115°E ~117.5°E)5174 中 国 环 境 科 学 40卷由图3可见,这8d 以纯净沙尘型气溶胶和污染沙尘型气溶胶为主,污染大陆型气溶胶和烟雾为辅.纯净沙尘型气溶胶和污染沙尘型气溶胶位于上层,低层为污染大陆型气溶胶和烟雾,且污染大陆型气溶胶集中在0~1km 范围,烟雾高度相对较高,这一结论与Tao 等[39-40]给出的华北地区灰霾天气气溶胶分层结论类似.图3 CALIOP 气溶胶垂直特征掩模数据垂直剖面Fig.3 CALIOP altitu de -orbit cross -section of aerosol vertical feature mask data左右列白色直线划定范围分别表示CALIOP 过境的格点区域(39°N~40°N,115°E~117.5°E)和(34°N~35°N,115°E~117.5°E);(a)2013-03-17,(c)2013-10-27,(e)2014-04-14,(g)2015-03-07;(b)2014-04-07,(d)2015-04-10,(f)2016-04-12,(h)2016-05-052.2 气溶胶直接辐射强迫和垂直分布影响 2.2.1 结果验证与误差分析 利用SBDART 模式计算晴空条件下有气溶胶时0.25~4.0um 短波波段大气层顶和地表瞬时向下、向上辐射通量,与AERONET 反演结果进行对比(图4).大气层顶向下辐射通量的回归参数R 2为0.998,平均误差为-3.41W/m 2,平均相对误差是0.98%,地表向下辐射通量的回归参数是0.998,平均误差为-6.86W/m 2,平均相对误差为2.13%.向下辐射通量的模式模拟结果和AERONET 的反演结果可以很好的吻合. AERONET 的反演算法中,大气辐射传输模式也是离散纵坐标法[18],而且SBDART 模式模拟和AERONET 反演辐射通量时的输入参数气溶胶光学特性、水汽柱含量和太阳天顶角的数据均来自AERONET,输入数据相同,因此向下辐射通量的验证精度很高.大气层顶向上辐射通量的回归参数为0.972,平均误差为-4.78W/m 2,平均相对误差为2.89%,地表向上辐射通量的回归参数为0.861,平均误差为-7.12W/m 2,平均相对误差为13.73%.向上辐射通量的模式模拟结果和AERONET 的反演结果也可以很好的吻合,但相比向下辐射通量的验证结果,向上辐射通量的拟合效果相对较弱.这是因为SBDART 模式模拟时的地表反照率数据来自MODIS,而AERONET 反演时的地表反照率数据是经过多次检验的气候均值.地表反照率在大气辐射传输过程中对向上辐射通量的影响大于对向下辐射通量的影响,而且对地表的影响最强.整体来说,利用SBDART 模式模拟的结果精度高,向下辐射通量的平均相对误差不超过3%,向上辐射通量的平均相对误差不超过14%.12期 侯 灿等：华北地区沙尘天气垂直气溶胶直接辐射强迫 5175图4 SBDART 模式模拟和AERONET 反演辐射通量对比结果Fig.4 Comparisons between the SBDART simulated and AERONET inversion products of SW fluxes(a)大气层顶向下辐射通量,(b)地表向下辐射通量,(c)大气层顶向上辐射通量,(d)地表向上辐射通量2.2.2 日均气溶胶直接辐射强迫和垂直分布影响 由图5可以看出,日均550nm 气溶胶光学厚度为0.66~2.17,输入CALIOP 气溶胶廓线模拟得到的大气层顶、地表和大气层的日均气溶胶直接辐射强迫分别为-38.41~-88.44,-74.03~-225.86,9.06~ 137.42W/ m 2.大气层顶和地表的日均气溶胶直接辐射强迫为负值,大气层的日均气溶胶直接辐射强迫为正值,说明气溶胶在地气系统和地表产生冷却效应,在大气层产生增温效应.气溶胶吸收和散射入射的短波太阳光,使得入射太阳光部分能量留在地球大气中,到达地表的能量被衰减,从而气溶胶在大气层产生增温效应,在地表产生冷却效应.大气层增温,地表降温,会影响大气温度层结,有利于逆温层的产生,从而可能导致局地大气环流发生变化[41].由表2可知,本文模拟的气溶胶直接辐射强迫绝对值偏高.气溶胶直接辐射强迫绝对值随着光学厚度的增大而增大,考虑到本文的气溶胶光学厚度数值偏高,结合短波辐射通量的验证效果好,认为本文模拟的大气层顶、地表和大气层的气溶胶直接辐射强迫结果合理.Yu 等[42]的研究结果和本文接近,两者均模拟的是华北地区春季沙尘个例,气溶胶来源和组分接近,而其他研究结果和本文存在一定的差异,尤其是西北地区大气层顶气溶胶直接辐射强迫出现正值,这是因为大气层顶气溶胶辐射强迫对气溶胶吸收特性最为敏感,西北地区研究时段的气溶胶粒子吸收性较强.0.511.522.532013-03-172013-10-272014-04-142015-03-072014-04-072015-04-102016-04-122016-05-05日期550n m 气溶胶光学厚度5176中 国 环 境 科 学 40卷-120-90-60-3002013-03-172013-10-272014-04-142015-03-072014-04-072015-04-102016-04-122016-05-05日期日均气溶胶直接辐射强迫(W /m 2)-300-250-200-150-100-5002013-03-172013-10-272014-04-142015-03-072014-04-072015-04-102016-04-122016-05-05日期日均气溶胶直接辐射强迫(W /m 2)501001502002013-03-172013-10-272014-04-142015-03-072014-04-072015-04-102016-04-122016-05-05日期日均气溶胶直接辐射强迫(W /m 2)图5 日均550nm 气溶胶光学厚度和大气层顶、地表、大气层的气溶胶直接辐射强迫Fig.5 Daily average values of aerosol optical depth at 550 nm, aerosol direct radiative forcing at TOA, at the surface, and in theatmosphere黑色斜线为输入CALIOP 观测的气溶胶廓线的模拟结果,黑色网格为输入SBDART 模式的气溶胶廓线的模拟结果表2 中国地区气溶胶光学厚度和大气层顶、地表、大气层的气溶胶直接辐射强迫(W/m 2)Table 2 Aerosol optical depth, aerosol direct radiative forcing at TOA, at the surface, and in the atmosphere (W/m 2) in China站点 区域 类型时间 AOD ADRF(T OA) ADRF(SFC) ADRF(A T M) 参考文献-塔克拉玛干沙漠 沙尘气溶胶 2006-07-26~310.4~0.9 (532nm) 14.11 -64.72 78.83 [43] 太湖 长江三角洲沙尘和沙尘、人为污染混合气溶胶2009-03-14~17和 2009-04-25~260.61±0.21和0.79±0.23(440nm) -13.6 和-21.4 -36.8 和-48.223.2 和26.8[44]敦煌 西北 沙尘气溶胶 2001-04~05 0.05~1.38 (500nm)-1.96~-63.26-4~-163.35 1.45~122.99 [27]民勤和SACOL 西北 沙尘气溶胶 2010-04-24~300.20~0.65 5.93~35.7 -6.3~-30.94 16.77~56.32 [45]SACOL西北局地沙尘和人为污染混合气溶胶 2012-09-03、04、21、280.270~0.423(440nm)-12.71-25.40 12.69 [46]12期 侯 灿等：华北地区沙尘天气垂直气溶胶直接辐射强迫 5177续表2站点 区域 类型 时间 AOD ADRF(T OA) ADRF(SFC) ADRF(A T M) 参考文献敦煌 西北 沙尘气溶胶 2012-04-01~06-12 0.28±0.21 (500nm) -25.2~11.9 -3.2~-79.4 2.2~25.1 [47] SACOL 西北 沙尘气溶胶(沙尘暴) 2007-03-28 全天最大值2.15(440nm) 39.04-146.54 185.58 [48]北京 华北 沙尘气溶胶 2001-2014年春季沙尘个例1.42~2.32 (440nm) -65.88~-115.65-166.66~-236.02 86.72~133.67 [42] 北京、香河、徐州华北沙尘和沙尘、人为污染混合气溶胶#0.66~2.17 (550nm)-38.41~-88.44-74.03~-225.86 9.06~137.42本文注:#具体时间为2013-03-17、2013-10-27、2014-04-14、2015-03-07(39~40°N,115~117.5°E)和2014-04-07、2015-04-10、2016-04-12、2016-05-05 (34~35°N,115~117.5°E)由表3可见,大气层顶、地表、大气层的日均气溶胶直接辐射强迫的两种模拟结果数值接近,相对误差绝对值基本在3%以内,气溶胶垂直分布对大气层顶、地表、大气层的气溶胶直接辐射强迫影响很小.以往研究有类似结论,但同时指出强吸收性气溶胶粒子垂直分布对大气层顶气溶胶直接辐射强迫影响明显[8,11].本文沙尘天气多为纯净沙尘型、污染沙尘型、污染大陆型气溶胶和烟雾的混合物,440nm 单次散射反照率大于0.8,气溶胶吸收性弱,气溶胶垂直分布对大气层顶气溶胶直接辐射强迫影响小.表3 日均气溶胶直接辐射强迫误差(W/m 2)和相对误差(%) Table 3 The error (W/m 2) and relative error (%) of dailyaverage values of aerosol direct radiative forcing日期误差(大气层顶) 误差 (地表) 误差(大气层)相对误差 (大气层顶) 相对误差(地表)相对误差(大气层)2013-03-17 1.41 0.20 1.21 -1.59 -0.090.88 2013-10-27 0.29 0.06 0.23 -0.53 -0.030.19 2014-04-14 1.33 0.10 1.23 -1.57 -0.05 1.21 2015-03-07 0.54 0.09 0.45 -1.01 -0.080.69 2014-04-07 0.80 0.06 0.74 -1.76 -0.05 1.08 2015-04-10 -0.49 -0.09 -0.40 1.28 0.10-0.752016-04-12 1.42 -0.13 1.55 -2.15 0.1717.11 2016-05-05 -0.30 0.04 -0.34 0.68 -0.05-1.13由图6可见,日均气溶胶直接辐射强迫为负值,整体趋势是随着高度的增加绝对值逐渐减小.在大气辐射传输过程中,向下辐射通量和向上辐射通量均是从大气层顶到地表逐渐减小.气溶胶的吸收散射作用使得向下辐射通量的衰减增强,减小向下辐射通量,且大多情况气溶胶使得向上辐射通量增大,从而使得同一高度层净辐射通量减小,因此从大气层顶到地表的气溶胶直接辐射强迫基本是负值.同时,气溶胶对向下辐射通量的影响一般大于对向上辐射通量的影响,从大气层顶到地表,向下辐射通量的累积衰减作用逐渐增强,气溶胶直接辐射强迫的绝对值从大气层顶到地表逐渐增大.对比输入2种气溶胶廓线的0~8km 日均气溶胶直接辐射强迫廓线,气溶胶垂直分布对直接辐射强迫垂直分布特征影响明显.同一高度日均气溶胶直接辐射强迫最大差值能达到31.18W/m 2,最小差值能达到-18.86W/m 2.相比较输入CALIOP 观测的气溶胶廓线的模拟结果,输入SBDART 模式的气溶胶廓线模拟的直接辐射强迫垂直方向上平滑,这是因为SBDART 气溶胶廓线的气溶胶消光系数从地表到大气层顶随着高度增加指数衰减,也进一步说明了气溶胶垂直分布对直接辐射强迫垂直分布特征的影响.2468-250-200-150-100日均气溶胶直接辐射强迫(W/m 2)高度(k m )02468-120-100-80-60日均气溶胶直接辐射强迫(W/m 2)高度(k m )。
大气气溶胶对气候变化的影响与调控
大气气溶胶对气候变化的影响与调控大气气溶胶是指悬浮在大气中的小颗粒，包括尘埃、硫酸盐、胶体等。
它们在大气中的存在对气候变化产生深远影响，既可以导致全球变暖，也可以对降水模式产生影响。
然而，通过调控大气气溶胶的排放和浓度，我们可以减缓气候变化的进展，为人类创造更好的生活环境。
首先，大气气溶胶对气候变化的影响主要体现在它们对太阳辐射的散射和吸收上。
当气溶胶颗粒位于大气中时，它们会散射太阳辐射，使得一部分辐射被反射回太空，从而减少地表的辐射能量。
这样，气溶胶会对地表温度产生降低的效应，抵消一部分温室气体的增温作用，形成“气溶胶直接辐射强迫”。
同时，气溶胶还可以吸收太阳辐射，使得大气层内部产生热量，这被称为“气溶胶吸收辐射强迫”。
这两个方面共同决定了气溶胶的辐射强迫效应。
其次，大气气溶胶对降水模式也有一定的影响。
气溶胶颗粒可以充当云凝结核，促使水蒸气在大气中凝结成云和降水。
此外，气溶胶还能改变云的光学性质，影响云的持续时间、空间分布和降水强度。
例如，气溶胶的存在可以增加云的反射能力，导致云更容易形成和维持，减弱降水过程。
这种现象被称为“间接效应”，它使得有些地区的干旱现象加剧，而另一些地区的降水增多。
然而，虽然大气气溶胶对气候变化产生了不可忽视的影响，但我们可以通过调控气溶胶的排放和浓度来减缓其对气候系统的影响。
首先，在工业生产和能源利用方面，我们可以采取灵活的措施，如加强污染物排放的控制，提高能源利用效率，推动清洁能源的发展。
这些措施既能减少大气气溶胶的排放，又可以降低温室气体的排放，从而减缓全球变暖。
其次，在农业和土壤利用方面，我们可以提倡可持续的农业生产方式和土地管理措施。
减少农业活动产生的粉尘和化学物质的排放，可以有效降低气溶胶的浓度。
同时，合理利用水资源、保护湿地和森林等生态系统，有助于增加降水量和改善降水模式，减轻干旱和洪涝灾害的风险。
此外，国际合作也是解决气溶胶问题的关键。
各国应加强信息共享和技术交流，共同制定和执行减排措施，以减缓大气气溶胶对气候变化的影响。
气溶胶直接辐射效应
气溶胶直接辐射效应
气溶胶直接辐射效应是指气溶胶颗粒直接吸收和散射太阳辐射和地球辐射的能量，并将部分能量转化为热能，使得大气温度和辐射场分布发生变化。
气溶胶直接辐射效应对气候变化和环境污染具有重要影响。
气溶胶是一种微小颗粒状物质，其直径范围在几纳米到几微米之间。
气溶胶颗粒来源多种多样，包括天然源和人为活动源。
天然源包括远洋海盐，沙漠中的沙尘，森林和草原火灾所产生的烟雾等。
人为活动源包括工业排放，交通尾气，农业喷洒和开采等。
这些气溶胶颗粒吸收和散射来自太阳的辐射和地球的辐射，影响大气能量平衡和化学组成。
气溶胶对太阳辐射的直接辐射效应主要有两个作用：吸收和散射。
气溶胶颗粒吸收太阳辐射的能量，将部分能量转化成热能释放到周围气体中，形成温度升高；同时，气溶胶颗粒也会将太阳辐射散射到周围区域，使得一部分辐射能量不再进入大气层内，减少地表接收的太阳辐射。
另一方面，气溶胶对地球辐射的直接辐射效应表现为温度升高和相应的辐射场分布变化。
气溶胶颗粒吸收地球辐射的部分能量，升高周围气体的温度，从而造成大气温度上升和辐射场分布变化。
与太阳辐射不同，气溶胶对地球辐射的影响更加复杂，需要考虑辐射场的反馈和动力学过程。
气溶胶直接辐射效应的影响不仅仅局限于大气层内，也会影响冰川、海洋、陆地和生态系统的温度和水文循环。
气溶胶的浓度和分布在不同时期、不同地点和不同高度上有显著差异，因此气溶胶直接辐射效应的影响具有时空分布的复杂性和不确定性。
根据不同的气象条件和大气成分变化，气溶胶对大气层的辐射场和能量平衡产生的影响也有所不同。
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收稿日期:1997-08-28第一作者:男,1962年生,硕士*国家重点科技项目(96-911-01-02B)**任阵海为中国工程院院士人为排放气溶胶引起的辐射强迫研究*高庆先 任阵海**姜振远(国家环保局气候变化影响研究中心,北京 100012)摘 要 利用建立的大气气溶胶辐射强迫模式,对我国历年大气气溶胶(TS P 和硫酸盐气溶胶)引起的直接辐射强迫进行了计算,并给出其全国分布。
得到了一些有意义的结果:我国大气气溶胶引起的辐射强迫与我国能源,特别是燃煤的消耗量密切相关,随着消耗量的增加,大气气溶胶(T SP 和硫酸盐气溶胶粒子)引起的辐射强迫也增加;指出在利用辐射模式讨论大气气溶胶引起的直接辐射强迫时,不能忽视扬尘和沙尘的作用;我国由于大气气溶胶引起的直接辐射强迫主要集中在工业比较发达的城市或地区,四川盆地由于其特殊的地理位置和气候条件,在该地区因大气气溶胶产生的辐射强迫始终比较大。
关键词 大气气溶胶 辐射强迫 人为排放R esearch on Radiation Forcing C aused by Man -made Emission of Atmosph eric AerosolGAO Qingxian REN Zhenhai JIANG Zheny uan(Center fo r Climate Change Impact Research,N EPA ,Beijing 100012)Abstract T he dir ect radiatio n forcing (RF )caused by atmospher ic aerosol (T SP and sulfate aerosol)over t he years was calculated t hrough using t he built RF model of atmospher ic aerosol,and the g eogr aphic distribution w as also g ot.T he RF had close r elation with t he energy consumption in China,especially with her coal consumption.With the incr ease of coal consumption,the RF also increased.It w as pointed out that fine sand and raise dust can not be ignored when discussing the RF by using RF models.T he high v alues of RF in China were mainly located in those industry-developed regions and cities.T he RF value in Sichuan Basin was larger all the time due to its special g eog raphic and climate condit ions.Keywords Atmospheric aerosol;R adiation forcing;M an-made emission人为排放大气气溶胶的气候效应和环境生态效应是当前环境科学和大气科学界普遍关注的热门课题,已引起各国政府和联合国IPCC 组织的高度重视。
不仅仅是因为气溶胶的强迫作用会改变(或影响)区域乃至全球的气候和环境生态系统,更重要的是为了要实现可持续发展和保护人类所共同拥有的自然生态环境,必须进行减缓向大气排放气溶胶。
这就涉及到各国的国民经济发展和工农业生产的发展,是摆在各国政策制定者面前的一个严肃课题。
大气气溶胶主要来源是化石燃料的燃烧、生物物质的燃烧和人为不适当活动导致的沙尘、扬尘等途径。
对流层气溶胶已直接导致了全球减少015%的太阳辐射,并可能间接导致同样的负强迫。
尽管这一辐射强迫主要集中于特定的区域和次大陆地区,但它对半球乃至全球的气候将产生一定的影响[1]。
目前,国际上有关气溶胶对气候和生态环境效应的研究相对较多。
Chuang (1997)应用耦合的气候/化学模式,并取云核化过程参数化,以局地气溶胶数密度、人为硫酸盐质量浓度和上升气流速度作为输入,研究人为硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫和间接辐射强迫。
研究表明气溶胶全球直接辐射强迫约为-014W/m 2,最大值出现在人为硫发射最强的亚洲,间接辐射强迫约为-016~-116W/m 2,主要出现于大陆上空,间接强迫最大值位于北美和大西洋沿岸。
气溶胶辐射强迫具有明显的不确定性,其主要原因在于人为硫酸盐气溶胶的大气负荷的变化,起源于硫酸盐气溶胶相对短的滞留时间(约一周),还随大气中的降水过程的湿沉降而变化,表现为明显的空间不均匀性和时间变率大。
可以认为气溶胶的第11卷 第1期环 境 科 学 研 究Research o f Environmental SciencesV ol.11,No.1,1998强迫作用的不确定性是工业化地区上空气溶胶辐射强迫的最大不确定性(Schw antz,1996)。
实际监测表明,工业发达地区的上空比其他地区上空的大气气溶胶浓度大,Ball和Robinson (1982)发现美国东部地面太阳辐射近年来平均降低率约为715%。
IPCC根据1990~2100年间人口和经济增长、土地利用、技术发展、能源开发和利用等情况,已设计了一套未来温室气体和气溶胶前体物的排放构想方案,依据各个构想排放方案,可以预测大气中温室气体和气溶胶的浓度以及它们对自然界的辐射强迫程度。
我国曾有过关于火山爆发和科威特油井燃烧的气候变化专题研讨会,对火山爆发和科威特油井燃烧对气候影响的事实的监测和研究进行了广泛的探讨。
1模型介绍虽然对气溶胶粒子的间接强迫作用,目前只能作出定性的估计,但通过建立简单的人为排放大气气溶胶的直接辐射强迫模型,可以对其直接影响作用做深入的了解。
气溶胶的平均总量,即在大气平均垂直气柱中的气溶胶总量T a可由下式定量估计[2],即T a=Q a S aA(1)式中:T a)))硫酸盐气溶胶的平均总量,g/m2;Q a)))源强,g/(m3#s);S a)))气溶胶粒子在空气中的生命期,s;A)))地球的面积,m2。
为了寻找T a与大气中太阳辐射量的关系,引入方程:D a T a =Q]0R a(z)d zQ]0m a(z)d z(2)式中:D a)))气溶胶的平均光学厚度;R a(z))))在高度z处的消光系数,m-1;m a(z))))在高度z上的硫酸盐气溶胶质量浓度,g/m2。
积分式(2)可得D a T a=R a1m a=A a(3)式中:A a)))气溶胶的消光因子(也称为气溶胶的质量散射系数),m-1。
从式(3)可以看出气溶胶的光学厚度是气溶胶的质量散射系数与气溶胶的平均总量之积。
地球表面的太阳辐射强迫与大气上界的入射太阳辐射之间的关系为:II0=e-D a(4)即I=I0e-D a由式(4)方程可以导出气溶胶的光学厚度A a,并可得到地表面的太阳辐射强度。
气溶胶的光学厚度是吸收和散射光学厚度之和,即D a=D aa+D as(5)但是,由于硫酸盐气溶胶对太阳辐射基本不吸收,故取近似为D a U D as,通常气溶胶的光学厚度小(D a n1),可以忽略其多次散射,将其视为薄层。
此时气溶胶散射通量P s和入射通量P i之比可表示为:P sP i=S e-Dasec H U D a sec H(6)式中:H)))太阳的天顶角。
引入向后散射系数B:B(H)=14P Q10Q2PP(L U cos H)d U d L(7)式中:P(LU cos H))))气溶胶粒子的散射相函数。
大气气溶胶的反射率可表示为:R a=B#F sF i=B D a sec H(8)在计算气溶胶层引起的行星反照率增量$R p 时,必须对下垫面反照率R s,上层大气透过率T i和云量A c进行订正,按照简单的多层反射模式可得气溶胶-地表系统的反照率R as,即R as=R a+T2a R s[1-R a R s+(R a R s)2+,] U R a+T2a R s1+R a R s(9)其中T a=1-R a。
由于气溶胶层而引起的系统反照率的变化为$R as=R as-R s=R a+(1-2R a)R s(1-R a R s)-R sU R a(1-R s)2(10)考虑到云量的订正,可以得到$R p,即$R p=T i$R as(1-A c)U T2i(1-A c)(1-R s)2B D a sec H(11)当忽略了T i,A c,R s,B和D a之间的相关性,计算太阳反射辐射通量的增量可近似地表示为:6环境科学研究第11卷$F R=0.5S0T2i(1-A c)(1- R s)2 B D a(12)式(12)中的因子015是考虑到地球上任一地区均有一半的时间接受到太阳照射。
S0为太阳常数(文中取S0=1367W/m2)。
B是B cos H对cos H的平均。
B=Q01B(cos H)sin H d H(13)将上述所讨论的关系推广到整个气溶胶,并考虑气溶胶的吸收作用,则可将式(11)改写为:$R p=T2i(1-A c)D a[B W0(1-R s)2-2(1-W0)R s](14)式中:W0)))气溶胶的单次散射反照率,并在方程(14)中假定取平均太阳天顶角。
2资料和参数选取211气溶胶资料的选取利用我国辐射观测站的晴天太阳辐射资料,通过辐射传输模式得到了我国1959~1979年T SP的反演分布,并在此基础上计算了TSP引起的辐射强迫;利用1992年7月~1993年6月的污染源排放资料和同期实际的气象观测资料,通过建立的酸沉降模式[3]得到了1992年7月~1993年6月我国硫酸盐的时空分布,利用辐射模式计算了硫酸盐气溶胶引起的辐射强迫;根据国家能源发展规划方案,经过详细的调研,在分析研究的基础上,得到了我国未来在2000,2020和2050年的SO2和TSP的排放状况,并已划分到1b@1b的基本网格点网上。
据此,对硫酸盐气溶胶和TSP可能造成对气候的直接辐射强迫效应作了初步的探讨,并绘出了其分布图。
212参数的选取式(12)中云量A c的资料和地表反照率R s的资料均取自我国气象台站1959~1979年20a气候整编资料的实际观测资料,并内插到1b@1b的经纬网格点上。
其他参数取自文献[4]。
3计算结果及其分析通过计算得到了我国建国以来历年大气气溶胶直接引起的辐射强迫。