气溶胶辐射效应
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气溶胶的气候效应
第二讲 气溶胶的气候效应及不确定性
1. Aerosol observation
1.1 Ground-base Measurement
Fig. Automatic Sun Tracking Photometer CE-318 and laser radar CAMLTM CE 370-2
CALIPSO, MODIS, and PARASOL TES, MLS, OMI CERES
1. Aerosol observation
Fig. CALIPSO Level 1 profile data on 9 June 2006 provided by NASA Langley Dave Winker
气溶胶的辐射特性
• 直接效应：从北非东传的沙尘气溶胶导致 印度次大陆吸收大量太阳辐射，促使附近 的空气变暖和海陆热力差异加大 • 沙尘气溶胶对半干旱区地表能量平衡和对 我国极端高温产生潜在影响。 • 间接效应： • 半直接效应：改变云的宏观和微观特性对 地-气产生辐射影响
间接效应
• 第一类间接效应：由于气溶胶粒子增加,在水汽含 量一定时,使云滴增加而云滴粒子减小的作用；在 低层大气中,水汽凝结在悬浮在空气中的气溶胶粒 子上,就形成了云滴。所以,气溶胶粒子(云凝结核 CNN)的浓度、大小以及吸湿性都会对云滴的浓度和 大小有直接影响。这些影响进一步改变云的短波辐 射效应。特别应指出,当增大凝结核的浓度时,云滴 的浓度会随之增大,从而增大了云的短波反照率。 所以第一类间接又可以被称为“云反照率”作用。
气溶胶直接辐射强迫
• 气溶胶粒子会通过散射和吸收太阳辐射来 直接的影响地球辐射平衡 • 存在的问题：量化这个影响值的过程却进 展缓慢,并且至今并未很好的得到解决. • 区域气溶胶直接辐射强迫主要是由其粒子 的光学特性、区域地表反照率以及沙尘垂 直分布所决定的,当气溶胶类型为吸湿性粒 子,还和当地水汽含量有关。
气溶胶粒子的光学特性
• 单次散射反照率:气溶胶粒子散射系数与消 光系数的比值;这是决定气溶胶粒子吸收、 散射的一个重要参数。在试验中选取的气 溶胶50Onm的SSA基准值为0.79。 • 单次散射反照率,是区域直接辐射强迫值的 主要决定因子。但一些研究发现对于吸收 性气溶胶,当在气溶胶粒子单次散射反照率 一定的情况下,在地表反照率较大的地区为 正的辐射强迫而在低反照率地区则为负的 辐射强迫.
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)。
CloudSat MLS AMSR MODIS CloudSat PARASOL CloudSat AMSR
Aerosol optical property
O2 CALIPSOA-band MODIS PARASOL OMI
Cloud optical property Chemical Radiance flux
气溶胶粒子的光学来自百度文库性
• 三个变量 气溶胶光学厚度,单次散射反照率 三个变量:气溶胶光学厚度 单次散射反照率 气溶胶光学厚度 单次散射反照率, 散射相函数。 散射相函数。 • 气溶胶光学厚度：单位面积的大气柱内的 气溶胶光学厚度： 气溶胶消光截面的总和,用来表示由于气溶 气溶胶消光截面的总和 用来表示由于气溶 胶粒子对太阳光的吸收和散射而造成的消 通常沙尘的光学厚度范围为O一 光。通常沙尘的光学厚度范围为 一 1.0(SO0nm),但发生强沙尘暴时在 但发生强沙尘暴时在500nm 但发生强沙尘暴时在 波段的光学厚度也会超过3。 波段的光学厚度也会超过 。
1. Aerosol observation
1.1 Ground-base Measurement
Fig. Distribution of 180 global sun photometers
在过去十年中， 在过去十年中，气候科学领域的研究揭示了很多地球气候系统的 变化和人类活动之间的因果关系
全球变暖
• • • • • • • 间冰期 工业革命 土地私有化 耕地面积增加 CO2升高 气候变暖 水循环加快 云和水汽增多 冰川融化 海平面升高
气溶胶类型
黑炭 沙尘 城市气溶胶（硫酸盐） 城市气溶胶（硫酸盐）
第四次IPCC报告指出,目前模式估算全球平均 的辐射强迫： • • • • • • 硫酸盐: 硝酸盐: 化石燃料: 化石燃料的黑碳: 生物质燃烧: 矿物粉尘: 0.4士0.2wm-2; -0.1士0.lwm-2; -0.05士0.05wm-2; +0.2士0.15Wm-2; +0.03士0.12wm-2, -0.1士0.2wm-2;
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。
Li, H., A. Dai, Tianjun Zhou, J. Lu, 2010: Responses of East Asian summer monsoon to historical SST and 20 atmospheric forcing during 1950-2000, Climate Dynamics, 34, 501–514
1. Aerosol observation
1.2 Airborne Measurement
A－Train satellites －
化学成分 dynamics
极化 多角度
气溶胶廓线 厚云 细雨 云顶高度 CERES: TOA 通量 MODIS: 云的re, τ AMSR: LWP
Ice cloud and water cloud Cloud physical property precipitation
•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不含糊的，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。
(Meehl et al. 2009)
温室气体和硫酸盐含量是基于观测资料得到的， 温室气体和硫酸盐含量是基于观测资料得到的，对流层和平流层臭氧为观测资料 和模式模拟的综合结果(Kiehl et al. 1999)，火山气溶胶为 和模式模拟的综合结果 ，火山气溶胶为Ammann et al. (2003) 重建资料， 重建资料，太阳辐射数据是基于五个太阳活动指数计算得到的 (Dai et al. 2001; Meehl et al. 2003; Collins et al. 2006)。 。
大气成分（温室气体和气溶胶等） 大气成分（温室气体和气溶胶等）和气溶胶变化对 东亚夏季风的影响？ 东亚夏季风的影响？ ATM（IPCC atmospheric radiative forcings） （ ） 大气辐射强迫试验，采用逐年变化IPCC大气辐射 大气辐射强迫试验，采用逐年变化 大气辐射 强迫场， 为气候平均场； 强迫场，SST为气候平均场； 为气候平均场 DAER（direct aerosol forcing）为逐年变化气 （ ） 溶胶（包括硫酸盐、黑碳和有机碳）强迫， 溶胶（包括硫酸盐、黑碳和有机碳）强迫，其他 大气辐射强迫场取1990年值，SST取气候平均场， 年值， 取气候平均场， 大气辐射强迫场取 年值 取气候平均场 只考虑气溶胶直接效应。 这里只考虑气溶胶直接效应 这里只考虑气溶胶直接效应。
第二讲 气溶胶的气候效应及不确定性
1. Aerosol observation
1.1 Ground-base Measurement
Fig. Automatic Sun Tracking Photometer CE-318 and laser radar CAMLTM CE 370-2
CALIPSO, MODIS, and PARASOL TES, MLS, OMI CERES
1. Aerosol observation
Fig. CALIPSO Level 1 profile data on 9 June 2006 provided by NASA Langley Dave Winker
气溶胶的辐射特性
• 直接效应：从北非东传的沙尘气溶胶导致 印度次大陆吸收大量太阳辐射，促使附近 的空气变暖和海陆热力差异加大 • 沙尘气溶胶对半干旱区地表能量平衡和对 我国极端高温产生潜在影响。 • 间接效应： • 半直接效应：改变云的宏观和微观特性对 地-气产生辐射影响
间接效应
• 第一类间接效应：由于气溶胶粒子增加,在水汽含 量一定时,使云滴增加而云滴粒子减小的作用；在 低层大气中,水汽凝结在悬浮在空气中的气溶胶粒 子上,就形成了云滴。所以,气溶胶粒子(云凝结核 CNN)的浓度、大小以及吸湿性都会对云滴的浓度和 大小有直接影响。这些影响进一步改变云的短波辐 射效应。特别应指出,当增大凝结核的浓度时,云滴 的浓度会随之增大,从而增大了云的短波反照率。 所以第一类间接又可以被称为“云反照率”作用。
气溶胶直接辐射强迫
• 气溶胶粒子会通过散射和吸收太阳辐射来 直接的影响地球辐射平衡 • 存在的问题：量化这个影响值的过程却进 展缓慢,并且至今并未很好的得到解决. • 区域气溶胶直接辐射强迫主要是由其粒子 的光学特性、区域地表反照率以及沙尘垂 直分布所决定的,当气溶胶类型为吸湿性粒 子,还和当地水汽含量有关。
气溶胶粒子的光学特性
• 单次散射反照率:气溶胶粒子散射系数与消 光系数的比值;这是决定气溶胶粒子吸收、 散射的一个重要参数。在试验中选取的气 溶胶50Onm的SSA基准值为0.79。 • 单次散射反照率,是区域直接辐射强迫值的 主要决定因子。但一些研究发现对于吸收 性气溶胶,当在气溶胶粒子单次散射反照率 一定的情况下,在地表反照率较大的地区为 正的辐射强迫而在低反照率地区则为负的 辐射强迫.
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)。
CloudSat MLS AMSR MODIS CloudSat PARASOL CloudSat AMSR
Aerosol optical property
O2 CALIPSOA-band MODIS PARASOL OMI
Cloud optical property Chemical Radiance flux
气溶胶粒子的光学来自百度文库性
• 三个变量 气溶胶光学厚度,单次散射反照率 三个变量:气溶胶光学厚度 单次散射反照率 气溶胶光学厚度 单次散射反照率, 散射相函数。 散射相函数。 • 气溶胶光学厚度：单位面积的大气柱内的 气溶胶光学厚度： 气溶胶消光截面的总和,用来表示由于气溶 气溶胶消光截面的总和 用来表示由于气溶 胶粒子对太阳光的吸收和散射而造成的消 通常沙尘的光学厚度范围为O一 光。通常沙尘的光学厚度范围为 一 1.0(SO0nm),但发生强沙尘暴时在 但发生强沙尘暴时在500nm 但发生强沙尘暴时在 波段的光学厚度也会超过3。 波段的光学厚度也会超过 。
1. Aerosol observation
1.1 Ground-base Measurement
Fig. Distribution of 180 global sun photometers
在过去十年中， 在过去十年中，气候科学领域的研究揭示了很多地球气候系统的 变化和人类活动之间的因果关系
全球变暖
• • • • • • • 间冰期 工业革命 土地私有化 耕地面积增加 CO2升高 气候变暖 水循环加快 云和水汽增多 冰川融化 海平面升高
气溶胶类型
黑炭 沙尘 城市气溶胶（硫酸盐） 城市气溶胶（硫酸盐）
第四次IPCC报告指出,目前模式估算全球平均 的辐射强迫： • • • • • • 硫酸盐: 硝酸盐: 化石燃料: 化石燃料的黑碳: 生物质燃烧: 矿物粉尘: 0.4士0.2wm-2; -0.1士0.lwm-2; -0.05士0.05wm-2; +0.2士0.15Wm-2; +0.03士0.12wm-2, -0.1士0.2wm-2;
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。
Li, H., A. Dai, Tianjun Zhou, J. Lu, 2010: Responses of East Asian summer monsoon to historical SST and 20 atmospheric forcing during 1950-2000, Climate Dynamics, 34, 501–514
1. Aerosol observation
1.2 Airborne Measurement
A－Train satellites －
化学成分 dynamics
极化 多角度
气溶胶廓线 厚云 细雨 云顶高度 CERES: TOA 通量 MODIS: 云的re, τ AMSR: LWP
Ice cloud and water cloud Cloud physical property precipitation
•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不含糊的，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。
(Meehl et al. 2009)
温室气体和硫酸盐含量是基于观测资料得到的， 温室气体和硫酸盐含量是基于观测资料得到的，对流层和平流层臭氧为观测资料 和模式模拟的综合结果(Kiehl et al. 1999)，火山气溶胶为 和模式模拟的综合结果 ，火山气溶胶为Ammann et al. (2003) 重建资料， 重建资料，太阳辐射数据是基于五个太阳活动指数计算得到的 (Dai et al. 2001; Meehl et al. 2003; Collins et al. 2006)。 。
大气成分（温室气体和气溶胶等） 大气成分（温室气体和气溶胶等）和气溶胶变化对 东亚夏季风的影响？ 东亚夏季风的影响？ ATM（IPCC atmospheric radiative forcings） （ ） 大气辐射强迫试验，采用逐年变化IPCC大气辐射 大气辐射强迫试验，采用逐年变化 大气辐射 强迫场， 为气候平均场； 强迫场，SST为气候平均场； 为气候平均场 DAER（direct aerosol forcing）为逐年变化气 （ ） 溶胶（包括硫酸盐、黑碳和有机碳）强迫， 溶胶（包括硫酸盐、黑碳和有机碳）强迫，其他 大气辐射强迫场取1990年值，SST取气候平均场， 年值， 取气候平均场， 大气辐射强迫场取 年值 取气候平均场 只考虑气溶胶直接效应。 这里只考虑气溶胶直接效应 这里只考虑气溶胶直接效应。