氣溶膠的直接輻射強迫與蘭州氣象條件的影響

1、氣溶膠的直接輻射強迫對蘭州氣象條件的影響 凌肖露，顧振海，王芝蘭，雒佳麗指導(dǎo)老師：張鐳（蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州，郵編：730000）摘 要：隨著沙塵暴的越來越多，沙塵氣溶膠對局地天氣的影響也越來越大，研究沙塵氣溶膠與局地輻射和氣象條件之間的關(guān)系對天氣預(yù)報和進一步研究氣溶膠都有十分深遠的意義。本項目的目的就是在大量觀測基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計分析的知識對資料進行分析。找出蘭州地區(qū)氣溶膠粒子分布與直接輻射強迫的一般規(guī)律，從而得出蘭州地區(qū)氣溶膠的直接輻射強迫，并分析其氣候響應(yīng)。本文通過對來自于蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境監(jiān)測站（Semi-Arid Climate and Environment Observ

2、atory of Lanzhou University）3、4和5月份的沙塵氣溶膠的光學(xué)厚度、地面輻射資料和氣象條件，包括溫、壓、濕、風(fēng)等資料進行研究，挑出有代表性的無沙塵天氣，揚沙天氣和沙塵暴天氣來進行研究對比，分析氣溶膠對直接輻射強迫的影響和從而造成的對氣象條件的影響。我們得到沙塵氣溶膠明顯且嚴(yán)格的反相位的趨勢，氣溶膠的光學(xué)厚度越大，水平能見距越??；且定義出AOT（675）0.65定義為無沙塵天氣，AOT（675） 2.05時，定義為沙塵暴天氣；當(dāng)氣溶膠密度越小， 地表冷卻越強，地表溫度響應(yīng)越顯著；氣溶膠同時對風(fēng)和濕度都會產(chǎn)生影響，但這種影響并不十分明顯，筆者認(rèn)為是應(yīng)該進一步研究的。關(guān)鍵詞

3、：氣溶膠，輻射強迫，氣象條件引 言：我們所處的地氣系統(tǒng)處在一個能量收支近乎平衡的狀態(tài)中，某種大氣環(huán)境發(fā)生變化或者天文因素的變化，必然會對地面和對流層大氣的輻射熱量收支產(chǎn)生變化，同時，由于氣候的反饋效應(yīng)，全球氣候也會相應(yīng)地產(chǎn)生變化。輻射強迫定義為其他因素不變，大氣環(huán)境或天氣因素中某一因素的變化使地球?qū)α鲗右幌螺椛涫罩Мa(chǎn)生的變化，即全球?qū)α鲗禹斴椛鋬羰杖氘a(chǎn)生的變化，它與對流層的氣溫變化等各種氣象因素都關(guān)系密切。近年來，由于沙塵暴的肆虐及人類向空氣中排放的污染物逐漸增多，氣溶膠的氣候效應(yīng)逐漸擴大，對氣象條件及人類活動產(chǎn)生了比較大的影響。氣溶膠通過對太陽輻射的吸收和散射，使到地面的太陽輻射減少，這是氣

4、溶膠的直接輻射效應(yīng)；同時，陸地上氣溶膠數(shù)密度越大，云數(shù)密度越來越大，產(chǎn)生更大的反射率，從而減少輻射強迫，這是氣溶膠的間接影響1。其中影響較大的為沙塵氣溶膠。氣溶膠可以通過氣溶膠的光學(xué)厚度和水平能見度來表征，大氣氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Thickness，簡稱AOT2)是氣溶膠光學(xué)參數(shù)之一，是表征大氣混濁度和氣溶膠含量的一個重要物理量。理論上，AOT值的大小也可作為表征沙塵天氣過程發(fā)生與否及強度大小的一個物理量。沙塵氣溶膠的主要來源是沙塵天氣，在日常的觀測中我們通過水平能見度對沙塵天氣進行劃分，一般，當(dāng)水平能見度1km時，定義為沙塵暴天氣，此時沙塵氣溶膠數(shù)密度大，濃度高，

5、對氣象條件及輻射收支平衡產(chǎn)生的影響較明顯；沙塵暴天氣過后，多會產(chǎn)生浮塵或者揚沙天氣，一般水平能見度10km，對輻射收支平衡也會產(chǎn)生一定的影響；而一般，若水平能見度10km,可認(rèn)為是無沙塵天氣，其影響較弱。高慶先等研究表明3，沙塵暴天氣發(fā)生和影響期間，入射太陽輻射和地面散射輻射之間有明顯的反相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.64，在沙塵暴天氣發(fā)生和影響期間源區(qū)總輻射和反射輻射之間的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)到達0.91，全年相關(guān)系數(shù)高達0.94。氣溶膠粒子譜分布在不同天氣條件下有很大差異，在沙塵暴天氣中，粒徑0110 m的大粒子以及粒徑大于10 m的巨粒子數(shù)有明顯的增加，粒子數(shù)濃度要比晴天背景大氣大了約一個量級

6、.4總而言之，氣溶膠在空氣中的分布越來越多，會通過吸收和散射太陽直接輻射，造成地氣系統(tǒng)的輻射收支產(chǎn)生變化，進而對局地的氣象條件諸如溫、壓、濕、風(fēng)產(chǎn)生一定的影響，而這種氣象條件又會影響氣溶膠粒子的重新分布，對地氣系統(tǒng)的輻射和氣象條件通過反饋產(chǎn)生進一步的影響。本文主要研究2007年3月、4月和5月的沙塵氣溶膠造成的輻射平衡及收支的影響對蘭州市氣象條件的影響，分3種情況研究了無沙塵天氣、揚沙天氣和沙塵暴天氣的輻射收支平衡的差異和氣象條件的不同，來分析和研究沙塵氣溶膠造成的輻射收支及平衡的變化對蘭州氣象條件的影響。一、資料及分析 1、資料來源本文所有的觀測資料均來自于蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境監(jiān)測站（S

7、emi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University）,包括3月、4月和5月氣溶膠675nm的氣溶膠光學(xué)厚度和440nm的氣溶膠光學(xué)厚度，和各個層次（包括4m、8m、12m、16m和32m）的風(fēng)速、大氣溫度、濕度和降水量、大氣壓等氣象要素的值，和地面的輻射資料。 2、能見度分析在資料的處理中，我們首先通過用MODTRAN模擬水平氣象視距和氣溶膠光學(xué)厚度的經(jīng)驗公式5換算出氣溶膠的光學(xué)厚度造成的水平氣象視距，通過水平氣象視距，分別分為1km,10km,10km的，即沙塵暴天氣、揚沙浮塵天氣和無沙塵天氣，研究其對輻射收支

8、產(chǎn)生的變化，并對此三種不同的天氣過程對其溫、壓、濕、風(fēng)等各種天氣條件進行分析，得到的結(jié)果如下： 由表114,季平均光學(xué)厚度為0.516299。 從表1可以看出，3月，4月和5月的沙塵日分別為7日，8日和2日。3月和4月是沙塵活動較頻繁的日子，且3月的沙塵量相對4月份較大；5月的沙塵活動較少，但是氣溶膠的光學(xué)厚度最大值出現(xiàn)在5月14日，估計此期間有很強的沙塵活動。 如資料2所述，一般，我們是以其月或季平均光學(xué)厚度來分辨沙塵天氣和無沙塵天氣，此處，考慮到蘭州春季沙塵氣溶膠較多和蘭州地形較復(fù)雜的特性，從氣溶膠的光學(xué)厚度和水平能見距的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系得角度出發(fā)，把區(qū)分光學(xué)厚度的臨界暫且定為AOT（675）

9、=0.65，和AOT（675）2.05，這更符合我們研究沙塵天氣。當(dāng)AOT（675）0.65時，我們定義為無沙塵天氣，而當(dāng)AOT（675）0.65時，定義為揚沙浮塵天氣，而當(dāng)AOT（675）2.05時，我們才定義為沙塵暴天氣。表1 蘭州3、4、5月水平日均能見度與日平均光學(xué)厚度羅列水平能見距羅列光學(xué)厚度能見距羅列日期3月4月5月3月4月5月128.39.827.20.2700485.6777826.2799991288814.813.8888.4800177.510167233.518.332.51.397587.3994122.2377327425.94.860.00.29310891.13

10、63940.133135758.78.745.90.746696.7422266.172103169.313.115.20.706334.5348615.469839573.013.08.61.5033730.5388030.7526807817.17.513.7.4241827.8315075.5140634988815.721.4888.4589076.34906311016.422.0888.4409709.34046748881118.57.121.6.3963172.8711188.34590631227.419.018.0.2783530.3883401.4078371138882

11、7.630.0888.2760713.25703731488858.31.6888.13693912.05012901588812.410.4888.5574488.6429842164.929.322.31.1214000.2616057.33537361712.239.727.5.5662801.1973032.2773925189.972.831.3.6717442.1105009.24617631913.729.131.3.5148954.2633918.24634342028.022.917.5.2729465.3281792.41583632135.19.511.7.2213082

12、.6927760.58847602288822.9888888.32798988882311.5888888.59387138888882413.89.032.3.5110448.7242301.23908712511.210.967.2.5915789.6227006.11938932618.517.018.7.3968243.4273268.39292102731.32.730.6.24617401.6201310.2515846283.688838.11.3593680888.20487992917.413.412.3.4182413.5226683.56428833017.214.51

13、0.5.4223216.4886494.64202903121.526.4.3469648.2875501沙塵日782782圖1. 3月675通道的光學(xué)厚度隨時間的變化和水平視距隨時間的變化圖2. 4月675通道的光學(xué)厚度隨時間的變化和水平視距隨時間的變化圖3. 4月675通道的光學(xué)厚度隨時間的變化和水平視距隨時間的變化根據(jù)圖1，圖2，圖3綜合結(jié)果可以得到，光學(xué)厚度與水平能見度嚴(yán)格地呈反相位分布，其溶膠的光學(xué)厚度越大，水平能見距越小。因日常研究中根據(jù)光學(xué)厚度區(qū)分沙塵天氣的例子很少，我們主要通過水平視距來劃分為沙塵暴天氣，揚沙浮塵天氣和無沙塵天氣，因為我們所得的資料有限，加之水平視距其實主要是人

14、工觀測的結(jié)果，有主觀色彩在其中，我們根據(jù)我們通過經(jīng)驗公式換算出的結(jié)果做一個小小的修改，即根據(jù)水平能見距的程度不同分為無沙塵天氣，即水平能見距10km；揚沙天氣，即水平能見距10km；和沙塵較重天氣，即水平能見距2km的情況來進行分析！ 我們從中挑出晴好典型沙塵天氣和典型晴好無沙塵天氣進行個例分析，來進一步說明沙塵氣溶膠對蘭州氣象條件的變化及日變化產(chǎn)生的影響,得到結(jié)果如下：從中我們挑出了能見度分別為35.1km，72.8m,1.6km和9.9km，日期分別為3月21日，4月18日，5月14日， 3月18日，即晴好天氣，無沙塵天氣，揚沙浮塵天氣，沙塵較嚴(yán)重天氣，對溫、壓、濕、風(fēng)等各種氣象條件隨高度

15、的變化進行分析，通過10時、12時、14時、16時和18時各個時刻的風(fēng)速廓線、氣壓廓線、溫度廓線和濕度廓線的變化進行研究分析，來研究沙塵氣溶膠對蘭州市氣象條件的影響。3、對資料的進一步分析3.1 溫度廓線隨氣溶膠的分布 圖4.1 3月21，4月18，5月14和3月18日，10時溫度隨高度變化的廓線分析圖4.2 3月21，4月18，5月14和3月18日，12時溫度隨高度變化的廓線分析 圖4.3 3月21，4月18，5月14和3月18日，14時溫度隨高度變化的廓線分析 圖4.4 3月21，4月18，5月14和3月18日，16時溫度隨高度變化的廓線分析 圖4.5 3月21，4月18，5月14和3月1

16、8日，18時溫度隨高度變化的廓線分析注：為方便簡略，3月21和1月18日用A，B代替，而5月14日和3月18日則分別用C，D代替。 橫向從溫度廓線來看，A，B分別對應(yīng)無沙塵時能見度不同的兩種情況，其溫度廓線在10時、12時、14時、16時和18時均呈相同的變化趨勢；C，D分別對應(yīng)有沙塵時沙塵分布狀況嚴(yán)重和較輕的兩種狀況，其溫度廓線在10時、12時、14時、16時和18時呈相同的變化趨勢，其中沙塵嚴(yán)重的情況下，溫度的變化趨勢和幅度相對D更大；但是，有沙塵和無沙塵的溫度廓線隨時間的變化很不一致。 縱向從溫度廓線來看，無沙塵日，溫度大致曾隨高度遞減的趨勢，且該趨勢隨著時間的分布自10時至18時無改變

17、，只在18時左右貼底層出現(xiàn)了小范圍的逆溫層；在有沙塵分布日，溫度廓線自10時至14時，溫度大致曾隨高度遞減的趨勢，但是從16時開始，溫度隨高度遞減的趨勢逐漸減小，直至18時，溫度隨高度呈現(xiàn)逆溫狀態(tài)，且沙塵較嚴(yán)重的日子逆溫狀態(tài)比沙塵較輕的逆溫狀態(tài)較嚴(yán)重； 自能見度的越來越小，即沙塵氣溶膠的影響越來越大，溫度隨高度的遞減率逐漸增高，尤其自16時的變化，遞減率接近0，而在18時左右，溫度遞減率為正，呈現(xiàn)逆溫的狀態(tài)。3.2 風(fēng)速廓線隨氣溶膠的分布 圖5.1 3月21，4月18，5月14和3月18日，10時風(fēng)速隨高度變化的廓線分析圖5.2 3月21，4月18，5月14和3月18日，12時風(fēng)速隨高度變化的

18、廓線分析 圖5.3 3月21，4月18，5月14和3月18日，14時風(fēng)速隨高度變化的廓線分析圖5.4 3月21，4月18，5月14和3月18日，16時風(fēng)速隨高度變化的廓線分析 圖5.5 3月21，4月18，5月14和3月18日，18時風(fēng)速隨高度變化的廓線分析 橫向從風(fēng)速廓線來看，風(fēng)速隨高度的變化隨時間的變化與沙塵氣溶膠的分布密度大小及程度并無明顯的相關(guān)關(guān)系，沙塵氣溶膠對風(fēng)速的影響并不是分明顯； 但是換個角度來看，當(dāng)風(fēng)速隨高度的變化隨著時間的發(fā)展很不穩(wěn)定時，氣溶膠的密度相對較小，且該密度較小的情況多在16時和18時表現(xiàn)明顯；而當(dāng)風(fēng)速歲高度的變化隨著時間的發(fā)展比較穩(wěn)定，且趨勢變化很小時，其溶膠的密

19、度也相對較大或者氣溶膠的密度無大的變化。 4月18日，其溫度遞減率最低且風(fēng)速在16時有一個很大的轉(zhuǎn)變，風(fēng)速隨高度的變化很不穩(wěn)定，此時的沙塵氣溶膠密度很小，光學(xué)厚度很小，能見度很大；3.3 濕度廓線隨氣溶膠的分布 圖6.1 3月21，4月18，5月14和3月18日，10時濕度隨高度變化的廓線分析 圖6.2 3月21，4月18，5月14和3月18日，12時濕度隨高度變化的廓線分析 圖6.3 3月21，4月18，5月14和3月18日，14時濕度隨高度變化的廓線分析 圖6.4 3月21，4月18，5月14和3月18日，16時濕度隨高度變化的廓線分析 圖6.5 3月21，4月18，5月14和3月18日，

20、18時濕度隨高度變化廓線分析 橫向從濕度廓線來看，濕度隨高度的變化與沙塵氣溶膠的分布密度大小及程度無明顯的相關(guān)關(guān)系，沙塵氣溶膠對濕度的影響并不十分明顯 就4月18日和5月14日對比而言，在能見度很大的情況下，即沙塵氣溶膠的影響很小的情況下，濕度隨高度的變化隨著時間的發(fā)展會產(chǎn)生很大的變化；而在能見度很小的情況下，即沙塵氣溶膠的影響較大的情況下，濕度隨高度的分布隨時間的發(fā)展在16時之前均十分穩(wěn)定，幾乎無太大變化；而在18時，濕度隨高度的變化有個很大的改變；3.4 氣溶膠對地表輻射強迫的影響(1) 氣溶膠短波輻射效應(yīng)冷卻地氣系統(tǒng)其中地表冷卻顯著而大氣增溫；氣溶膠長波輻射效應(yīng)加熱地氣系統(tǒng)，其中地表加熱

21、最顯著而大氣冷卻；氣溶膠凈輻射效應(yīng)冷卻地氣系統(tǒng)，春季增溫。地表冷卻最顯著，而大分布隨氣溶膠種類、地點、季節(jié)等因素而變化，(2) 白天大氣吸收短波輻射增加能量，地表發(fā)射長波輻射損失能量，地氣系統(tǒng)通過輻射增加能量。夜晚大氣發(fā)射長波輻射損失能量，地表吸收長波輻射增加能量，地氣系統(tǒng)通過輻射損失能量。(3) 氣溶膠垂直分布是導(dǎo)致氣溶膠輻射強迫不確定性的重要因子之一，而氣候系統(tǒng)反饋作用放大了氣溶膠垂直分布差異引起的輻射氣候效應(yīng)差異，所以研究氣溶膠輻射效應(yīng)時不能忽略其影響?？傮w來說，氣溶膠分布含量越小，地氣系統(tǒng)冷卻越強而地表冷卻越弱，地表溫度響應(yīng)也越顯著。當(dāng)然，此結(jié)論不僅與氣溶膠的含量大小有關(guān)，同時還與氣溶

22、膠的垂直分布有很大的關(guān)系，需綜合考慮6。二、氣溶膠與氣象條件和直接輻射強迫的影響分析和討論地殼源沙塵是大氣氣溶膠的主要成分，同時也是影響光學(xué)厚度的主要因子，這是沙塵氣溶膠對蘭州氣象條件中的能見度影響的最主要的影響因素和直接因子。我們討論的主要是沙塵氣溶膠，沙塵氣溶膠主要以220微米的粒子占的比例最高；而在非沙塵天氣粒徑在低于2微米的粒子則占了40%以上7；就這個原因，我們可以根據(jù)不同粒子對太陽光的反射和折射所造成的差異來分析對能見度的影響；在此我們決定用氣溶膠資料來分析其對輻射所造成的影響，從而來研究對能見度的影響。按照預(yù)期的結(jié)果，在沙塵天氣，因為氣溶膠的直接輻射強迫，蘭州市的能見度會有很大的

23、出入；氣溶膠的光學(xué)厚度越大，導(dǎo)致水平能見距越小，兩者呈十分明顯且嚴(yán)格的反相位關(guān)系。在最近的全球變化中，沙塵氣溶膠已經(jīng)成為影響全球氣候變化的一個重要的因子。因為氣溶膠的直接輻射強迫，從理論而言，是減少了太陽直接輻射強迫，使地面的溫度減少8，但我們研究覺得，蘭州是一個局部地區(qū)，可能這種影響很小或者很難分辨，需要大量的資料和長時間的研究來證明；但是，就我們組的討論，在沙塵天氣，因為白天，氣溶膠的影響，使太陽直接輻射很難到達地面，夜間，因為氣溶膠粒子對長波輻射的削減很少，但是也會有所阻礙，使得晝夜的溫差相對減少，夜間會出現(xiàn)較強的逆溫；而在晴好天氣，日間，氣溶膠對直接輻射強迫影響較小，夜間的削減更弱，在云量大致相同的日子里，晝夜溫差會相對較高，夜間溫度隨高度的變化仍呈現(xiàn)遞減的趨勢；同時，溫度的分布將會影響大氣層結(jié)的穩(wěn)定性，進而影響風(fēng)速和濕度的分布，造成風(fēng)速和濕度的響應(yīng)，但是由于這種響應(yīng)較小，必先很不明顯。同時，由于氣候系統(tǒng)的反饋性、敏感性和可預(yù)報性，氣溶膠的直接輻射強迫對云、霧和降水方面會產(chǎn)生一定的影響，尤其是對降水會產(chǎn)生負(fù)相關(guān)作用，這都是我們需要去研究和推測的，但是就我們所得到的資料來看，蘭州地區(qū)3、4和5月份的降水極少，沒有可以利用來分析