西北地区气溶胶特征及其直接辐射强迫的观测模拟研究

【摘要】：我国西北地区对流层中沙尘气溶胶含量丰富而且具有较大的时空分布特征,在长距离传输过程中可能与其他人为气溶胶叠加混合,使得该地区的气溶胶类型更为复杂,对区域气候和环境变化有重要影响。但由于受到先进探测技术的限制,缺乏详细、准确的西北地区气溶胶光学、吸收特性的数据集,使得这一地区气溶胶直接辐射强迫的研究工作进展不大,而区域模式中的输入参数具有较大的不确定性,不具有长期气候变化的代表意义。兰州大学半干旱气候变化创新团队以SACOL平台长期观测为基础,从2006年开始,在我国黄土高原半干旱地区开展了气溶胶光学、理化特征及其辐射特性的长期连续观测研究,并分别于2008年、2010年和2012年春季分别在景泰农田、张掖戈壁、民勤沙漠和敦煌戈壁站开展了多次沙尘气溶胶加强观测实验,以更加丰富我国西北干旱半干旱区气溶胶光学、吸收特性和理化特征的地面观测资料,进一步加深气溶胶对该地区辐射能量平衡和区域气候变化相对贡献的理解。通过多年的分析研究,得到以下主要结论： (1)除了敦煌站外,改进Langley方法更适合于我国西北地区大多站点的标定；而敦煌站Langley方法的定标结果也很理想；太阳光度计、天空辐射计和光栅光谱仪在我国西北地区各站点反演的气溶胶光学厚度(AOD)值比较一致,天空辐射计与光度计反演的粒子谱分布在粗模态下更接近,而前者反演的细模态谱分布比后者的偏小,反演的单次散射反照率(SSA)值均比后者的偏大； (2)西北地区不同站点气溶胶光学特性参数均表现出显著的日变化、月变化及季节变化特征,并且明显受到春季沙尘和冬季燃煤取暖排放的影响；秋季能更好地代表不同站点气溶胶浓度的背景水平。各站点气溶胶AOD与波长指数呈现出相反的变化趋势,而与柱总水汽含量(WVC)、相对湿度(RH)的相关关系不显著；全年均以粗模态粒子占主导,春、冬季节粗模态颗粒浓度明显占优,而夏、秋季节细模态粒子浓度与粗模态达到可比的量级,年平均的尺度谱分布均表现出相同的变化特征；在沙尘盛行的春季平均SSA值随波长的增加而表现出稍微增大的变化,而在其他非沙尘季节,平均SSA值随波长的增加而表现出减小的变化； (3)由于兰州市受到冬季燃煤取暖排放煤烟粒子、景泰农田站受春季秸秆燃烧排放的含碳物质、张掖站受人为活动与交通运输的影响,观测时段内,三个站点气溶胶表现出较强的吸收能力,而其他站点的气溶胶粒子在可见光波段存在较弱的吸收,尤其是沙尘源区站的的吸收更弱： (4)利用2010年春季民勤站气溶胶光学参数、地面辐射等观测资料代入辐射传输模式中,得到了理想的辐射闭合实验结果；我国西北地区各站点气溶胶直接辐射强迫(ARF)值表现出显著的日变化、季节和年变化特征,而且一般在大气层项为较小的冷却作用,在地表面为中等强度的冷却,而对大气层内部为中等强度的加热效应；气溶胶AOD值直接决定了各处ARF绝对值的量级大小,即各站点ARFTOA、ARFSFC和ARFATM绝对值均随AOD的增加而呈现出明显增加的变化：气溶胶的SSA和折射指数的虚部(Rd)决定了ARFTOA的正负符号,对于西北地区固定的地表下垫面,当SSA5000.85或RI5000.015时,ARFTOA均为正值；兰州城市站、景泰农田站和张掖站在观测时段内的ARFTOA呈现出较小的正值,而其他站点的ARFTOA均为较小的负值； (5)SPRINTARS区域辐射传输模式基本不能较好地模拟黄土高原半干旱地区气溶胶关键光学参量的平均日变化特征,在夏、秋季节,区域模式模拟的AOD55o、α440-870、ARF值更接近实际观测结果,而在春、冬季的模拟偏差比较大；地面观测资料模拟的ARFTOA、ARFSFC和ARFATM总平均值分别是区域模式的1.1倍、2.5倍和4.2倍。这说明区域模式在黄土高原半干旱地区的模拟能力和精度有待提高,需要在这一地区开展长期、连续的有关地面气溶胶、云特性关键参量的观测,为区域模式输入提供更具代表性、更准确的气溶胶与大气污染物排放数据清单。