吸收性气溶胶的辐射效应及其与大气边界层相互作用的模拟研究

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吸收性气溶胶-辐射相互作用(通过对短波、长波辐射的散射和吸收)及其引起的空气污染与边界层双向反馈对于天气、气候变化及环境空气质量有重要意义。本文将地基、探空观测与气象-化学耦合模式WRF-Chem(Weather Researchand Forecasting-Chemistry)相结合,通过近10年探空观测和最终分析资料的气候统计分析及对2011年4月典型沙尘事件和2012年6月秸秆燃烧引起的空气污染事件的数值模拟,初步探讨了在中国地区以沙尘、黑碳为代表的吸收性气溶胶的长、短波辐射效应及其与边界层气象间相互反馈作用。得到了如下一些主要结论:  (1)利用“OMR”方法诊断气溶胶与温度垂直结构的关系发现北京地区春季污染型沙尘气溶胶与大气增温在垂直分布、年际变化上有一致性。空气污染指数(Air Pollution Index,API)与1000hPa气温OMR呈正相关关系,与850hPa气温OMR呈负相关关系,即当地气溶胶浓度升高伴随低层大气降温和高层大气升温。当日API的增大引起当天大气垂直稳定度相应地增大,进而导致次日空气污染的加重,即吸收性气溶胶与边界层结构之间的相互反馈作用。这种气溶胶与边界层层结间的相互反馈导致污染物浓度在反馈过程中累积升高。  (2)基于WRF-Chem对2011年4月一次亚洲沙尘事件的模拟显示沙尘气溶胶日均地面、大气辐射强迫值在沙源地和下风向华北平原地区分别为-21.1W·m-2、12.7W·m-2和-13.1W·m-2、4.8W·m-2。在短波波段的辐射扰动约为长波波段的两倍。白天,短波辐射强迫占主导,近地面降温而高层大气升温使得大气稳定度增加,边界层高度降低(幅度可达90m),地面风速减小0.4m·s-1。夜晚,长波辐射强迫引起相反的气象场响应。虽然沙尘排放总体因地面风速的减小而减弱,但由于夜间边界层的升高(平均75m)使得沙尘气溶胶被抬升到更高高度,从而得以延长存在寿命、增加传输距离。沙尘在白天和夜间的辐射反馈共同作用使得下风向地区的沙尘浓度和辐射效应增强。  (3)在长三角地区典型的秸秆燃烧导致的空气污染过程中,以黑碳气溶胶为主的混合型气溶胶辐射的辐射反馈效应导致地表能量平衡、气象要素以及污染扩散条件发生变化:气溶胶减弱到达地面的太阳辐射及地面向外有效辐射;白天以短波辐射过程为主,地面净辐射最大减少约-443W·m-2;夜间长波辐射过程的存在降低了净辐射支出。气溶胶的存在减弱感热通量、潜热通量,并影响二者在能量平衡中的比重;感热通量对气溶胶辐射强迫的响应强于潜热通量。气溶胶通过减小白天地面净辐射引起近地层气温降低(最大差值约1℃),湍流运动减弱;同时通过吸收太阳辐射,造成高层大气增温,边界层高度降低。动量通量的减弱、大气稳定度的增加又进一步抑制污染物的扩散,形成正反馈。与观测相比,加入气溶胶辐射反馈的模拟实验相对于未考虑气溶胶辐射反馈的控制试验效果更好,证明了在天气模拟和预报中考虑气溶胶-辐射相互作用的重要性。
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