基于衛(wèi)星觀(guān)測(cè)對(duì)東亞地區(qū)氣溶膠直接與間接效應(yīng)的機(jī)理研究及模式評(píng)估

-畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目基于衛(wèi)星觀(guān)測(cè)對(duì)東亞地區(qū)氣溶膠直接與間接效應(yīng)的機(jī)理研究及模式評(píng)估學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)學(xué)院 大氣科學(xué)專(zhuān)業(yè) 大氣科學(xué)指導(dǎo)教師 二Ｏ一四年六月五日

目錄中文摘要 1英文摘要 21 引言 32 觀(guān)測(cè)資料和模式結(jié)果 32.1 觀(guān)測(cè)資料 32.2 模式結(jié)果 43 方法介紹 53.1 氣溶膠對(duì)輻射影響的計(jì)算方法 53.2 氣溶膠直接和間接效應(yīng)的分析方法 64 結(jié)果分析 74.1 模擬結(jié)果的驗(yàn)證 74.2 氣溶膠柱含量分布及其變化 84.3 氣溶膠直接輻射效應(yīng) 114.4 氣溶膠第一間接效應(yīng) 134.5 氣溶膠第二間接效應(yīng) 185 結(jié)論 20參考文獻(xiàn) 20致謝 24-1-基于衛(wèi)星觀(guān)測(cè)對(duì)東亞地區(qū)氣溶膠直接與間接效應(yīng)的機(jī)理研究及模式評(píng)估摘要：利用衛(wèi)星觀(guān)測(cè)和全球模式FGOALS-g2的模擬結(jié)果，研究分析了東亞地區(qū)氣溶膠的直接與間接效應(yīng)，并檢驗(yàn)了模式的模擬能力。結(jié)果表明，東亞地區(qū)受到5種氣溶膠的共同影響，近幾十年來(lái)，人為源氣溶膠的增加尤為顯著。根據(jù)衛(wèi)星資料的分析，氣溶膠直接輻射效應(yīng)在東亞海陸上可以表現(xiàn)為氣溶膠柱含量與其光學(xué)厚度的強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。而東亞地區(qū)氣溶膠通過(guò)云的形成間接影響輻射和降水的效應(yīng)，可體現(xiàn)為云光學(xué)厚度與云滴有效半徑的反相關(guān)性（第一間接效應(yīng)）以及氣溶膠增加與降水減少的反向變化趨勢(shì)（第二間接效應(yīng)），但還需考慮動(dòng)力和水汽條件的影響。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)一部分的模式模擬結(jié)果并不能正確體現(xiàn)衛(wèi)星觀(guān)測(cè)中的直接與間接效應(yīng)，因此仍需要針對(duì)FGOALS-g2的氣溶膠-云-輻射參數(shù)化方案做進(jìn)一步的改進(jìn)工作。關(guān)鍵字：東亞氣溶膠；直接輻射效應(yīng)；間接效應(yīng)；衛(wèi)星觀(guān)測(cè)；FGOALS-g2模式MechanismandEvaluationofAerosolDirectandIndirectEffectsonEastAsianClimatebySatelliteandFGOALS-g2Abstract:BasedonsatelliteobservationsandsimulationsoftheFlexibleGlobalOcean-Atmosphere-LandSystemmodelGrid-pointVersion2(FGOALS-g2),thedirectandindirecteffectsofaerosolinEastAsiaandthecontrastsbetweenobservationsandsimulationswereanalyzed.TheresultsshowthatEastAsianclimateisaffectedbyfivemajoraerosols,andinrecentdecades,aerosolsfromanthropogenicsourceshavesignificantlyincreased.Accordingtoobservationswithsatellite,aerosoldirectradiationeffectinEastAsiacanbeshownwithastrongpositivecorrelationbetweenmassconcentrationofaerosolcolumnandaerosolopticaldepth(AOD).Ontheotherhand,theindirecteffectofaerosolinEastAsiareferstochangesinradiationandprecipitationduetoaerosolinfluencesontheformationofcloud.Thefirstindirectaerosoleffectisrepresentedasanegativecorrelationbetweencloudopticaldepth(COD)andeffectiveradiusofliquidclouddroplets.Thesecondindirectaerosoleffectisrepresentedasareversevariationbetweenaerosolandrainrate.Inadditiontoaerosoleffects,bothvaporanddynamicalconditionscouldalsocontribute.Comparingsatelliteobservedandmodelsimulateddata,onlyafewmodelresultscanreproducethecorrelatedoranti-correlatedrelationshipsassatelliteobservationstorepresentthedirectandindirecteffectsofaerosol.Thereforefurtherimprovementsontheaerosol-cloud-radiationparameterizationwouldbenecessaryinfuturestudyonFGOALS-g2.Keywords:EastAsian;aerosoldirecteffect;indirecteffect;satelliteobservation;FGOALS-g2引言氣溶膠作為氣候系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)輻射收支和降水變化都起著非常關(guān)鍵的作用。氣溶膠一方面通過(guò)直接吸收和散射太陽(yáng)短波輻射來(lái)冷卻地氣系統(tǒng)[1,2]，另一方面能作為云凝結(jié)核或冰核，改變?cè)频奈⑽锢砗洼椛湫再|(zhì)以及云的生命周期，間接影響氣候系統(tǒng)[3~6]。此外，處于云層處的吸收性氣溶膠還能吸收太陽(yáng)輻射，加熱大氣層，導(dǎo)致云量蒸發(fā)減少，稱(chēng)為氣溶膠的半直接效應(yīng)[7,8]。氣溶膠的直接和間接效應(yīng)共同決定了氣溶膠對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射收支、能量平衡和水循環(huán)圈等方面的影響。由于氣溶膠的生命時(shí)較短（約1周），且其濃度、化學(xué)成分及光學(xué)性質(zhì)存在著很大的空間變化，造成了氣溶膠的直接和間接效應(yīng)的區(qū)域性差異很大，所以在區(qū)域尺度上評(píng)估氣溶膠的氣候效應(yīng)更具有意義。東亞地區(qū)的氣溶膠所引起的冷卻效應(yīng)是CO2倍增引起的增溫效應(yīng)的5倍，雖然氣溶膠對(duì)大氣層頂?shù)钠骄椛渫坑绊懖淮?，但是?huì)造成東亞地區(qū)的年平均地面輻射通量的減少與大氣吸收的輻射通量的增加，故而氣溶膠引起的垂直方向上的能量再分配可能會(huì)極大地改變大氣加熱廓線(xiàn)與大氣環(huán)流[9,10]。東亞地區(qū)的氣溶膠還可能會(huì)對(duì)季風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)降水產(chǎn)生重要的影響[11~13]，中國(guó)近50年來(lái)經(jīng)常發(fā)生的南澇北旱現(xiàn)象可能與氣溶膠的冷卻效應(yīng)有關(guān)[14]。但是如果考慮具有吸收效應(yīng)的黑碳和具有散射效應(yīng)的有機(jī)碳的影響，會(huì)發(fā)現(xiàn)碳類(lèi)氣溶膠通過(guò)其直接和半直接效應(yīng)，使得中國(guó)南部的云量減少，地表溫度升高，降水減少，而北部恰好相反[15]，從而形成北多南少的降水型。綜上可知，氣溶膠對(duì)東亞降水的影響并不是簡(jiǎn)單地幾種氣溶膠的線(xiàn)性疊加，而是由它們總體的光學(xué)性質(zhì)共同決定的，截然不同的光學(xué)性質(zhì)（即散射與吸收），使得它們對(duì)溫度的垂直結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)流造成了不同的影響。氣候模式是理解氣候演變機(jī)理、預(yù)測(cè)乃至預(yù)估未來(lái)氣候變化的重要工具。目前氣候系統(tǒng)模式的發(fā)展方向不是加入更多的物理過(guò)程，而是提高模式中對(duì)云和對(duì)流的描述[16]，特別是氣溶膠與云的相互作用有待于深入研究，從而可以減少氣候模式模擬的不確定性。本文利用全球海洋-大氣-陸地格點(diǎn)模式FGOALS-g2的模擬結(jié)果對(duì)比衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料，先從全球的角度宏觀(guān)地認(rèn)識(shí)了氣溶膠的分布及其變化，再進(jìn)一步分析東亞地區(qū)氣溶膠的直接和間接效應(yīng)的機(jī)理機(jī)制，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M的能力，并分析模擬偏差產(chǎn)生的原因。文章其他部分安排如下：第2節(jié)介紹觀(guān)測(cè)資料及所采用的模式結(jié)果；第3節(jié)介紹研究方法；第4節(jié)分析東亞地區(qū)的氣溶膠的直接和間接效應(yīng)，比較觀(guān)測(cè)與模式模擬狀況的差異；最后總結(jié)全文。觀(guān)測(cè)資料和模式結(jié)果觀(guān)測(cè)資料本文主要的研究工作是通過(guò)分析衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料和模式已模擬的結(jié)果，認(rèn)識(shí)東亞地區(qū)氣溶膠的直接和間接效應(yīng)，其中用到的觀(guān)測(cè)資料包括：（見(jiàn)表1）(1)Terra衛(wèi)星搭載的MODIS（Moderate-resolutionImagingSpectroradiometer）傳感器反演的逐月氣溶膠柱含量質(zhì)量濃度、550nm的AOD（AerosolOpticalDepth）以及deepblue算法改進(jìn)的AOD資料，水平分辨率1.0°×1.0°、時(shí)間跨度為2021年1月～2021年12月。(2)CERES（CloudsandtheEarth’sRadiantEnergySystem）EBAF-TOA逐月輻射資料，水平分辨率1.0°×1.0°、時(shí)間跨度為2021年1月～2021年12月。其大氣頂短波絕對(duì)精度為1%。該資料在本文被用于氣溶膠直接輻射效應(yīng)和第一間接效應(yīng)的比較。(3)ISCCP（InternationalSatelliteCloudClimatologyProject）的逐月云資料，水平空間分辨率2.5°×2.5°，時(shí)間范圍為1985年1月～1990年12月以及2021年1月～2021年12月共12年。該資料被用于分析氣溶膠對(duì)云量、云水路徑的影響，體現(xiàn)氣溶膠的間接效應(yīng)。(4)TRMM（TropicalRainfallMeasuringMission）衛(wèi)星反演的降水資料，水平分辨率2.5°×2.5°、時(shí)間跨度為1985年1月～1990年12月以及2021年1月～2021年12月，用于分析氣溶膠的第二間接效應(yīng)。表1氣溶膠直接和間接效應(yīng)研究中使用的模式和觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)Fgoals-g2PDPIOBSPDPIAEAP2021-20211985-1990MODIS2021-2021N/AAODN/AN/AMODIS2021-2021N/Aclr-sw2021-20211985-1990CERES2021-2021N/A1stAIER-eff/CODN/AN/AMODIS2021-2021N/ACWP2021-20211985-1990ISCCP2021-20211985-1990SWCF2021-20211985-1990CERES2021-2021N/A2ndAIERainRate2021-20211985-1990TRMM2021-20211985-1990注：PD（PresentDay）與PI（Pre-Industrial）代表了數(shù)據(jù)所取用的時(shí)間段，PD為目前氣溶膠含量增加后的狀況，PI為氣溶膠含量較低時(shí)的情形，其中N/A代表了模式或觀(guān)測(cè)中未能取得的數(shù)據(jù)。在研究氣溶膠的直接輻射效應(yīng)（AE）與間接效應(yīng)（AIE）中所使用的物理量有：氣溶膠的柱含量質(zhì)量濃度（AP）、氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）、對(duì)流層頂向上的短波輻射量（clr-sw）、云滴有效半徑（R-eff）、云光學(xué)厚度（COD）、水云的云水路徑（CWP）、對(duì)流層頂?shù)亩滩ㄔ戚椛鋸?qiáng)迫（SWCF）、降水率（RainRate）。模式結(jié)果本文所用模式是中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所（IAP）大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LASG）、清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心（CESS）以及國(guó)家海洋局第一海洋研究所（FIO）合作發(fā)展的全球海洋-大氣-陸地格點(diǎn)模式FGOALS（FlexibleGlobalOcean-Atmosphere-LandSystemmodel）的最新版本FGOALS-g2，該模式最終被選定參與了“第五次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃”（CMIP5），為IPCC第五次評(píng)估報(bào)告提供了評(píng)估依據(jù)。CMIP5計(jì)劃規(guī)定了三組試驗(yàn)：長(zhǎng)期模擬試驗(yàn)（世紀(jì)尺度或更長(zhǎng)時(shí)間）、近期模擬試驗(yàn)（年代際預(yù)測(cè)）以及規(guī)定海溫的大氣的模擬實(shí)驗(yàn)，旨在評(píng)估模式對(duì)于歷史狀況的模擬能力，提供近期（到2035年）和長(zhǎng)期（到2100年及以后）的氣候變化預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)造成模式預(yù)測(cè)差異的原因進(jìn)行理解，量化云和碳循環(huán)等重要的反饋過(guò)程。本文使用的模擬結(jié)果是FGOALS-g2長(zhǎng)期模擬實(shí)驗(yàn)中歷史擬合的月平均資料，截止時(shí)間為2021年12月。耦合模式FGOALS-g2中引入的大氣模式是格點(diǎn)大氣環(huán)流模式GAMIL（Grid-pointAtmosphericModelofIAP/LASG）的2.0版本（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GAMIL2.0），其緯向分辨率為2.8°×2.8°，徑向?yàn)榛旌暇W(wǎng)格，在65.58°S和65.58°N之間是高斯網(wǎng)格（格距為2.8°），在高緯極區(qū)是加權(quán)的等面積網(wǎng)格（格距大于2.8°），垂直方向分為26層，模式層頂?shù)臍鈮簽?.194hPa[17]。GAMIL2.0是GAMIL1.0的改進(jìn)版本，動(dòng)力框架保持了總質(zhì)量、總有效能量守恒[18,19]，其物理過(guò)程來(lái)自美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）的大氣模式CAM2.0[20]，更改了其中的對(duì)流方案[21~23]以及對(duì)流層頂與地表能量平衡的一些參數(shù)[24]。相對(duì)于GAMIL1.0，GAMIL2.0主要做了以下改進(jìn)：第一，更新了與云相關(guān)的物理過(guò)程，采用了改進(jìn)的積云參數(shù)化方案[25]，引入了雙參數(shù)云微物理方案[26]；第二，重置了淺對(duì)流、深對(duì)流、云量、云微物理過(guò)程以及邊界層方案中的不確定參數(shù)。近年來(lái)，該模式被廣泛地應(yīng)用于20世紀(jì)氣候變化、東亞氣候年代際變化、亞澳季風(fēng)的年際變率、亞熱帶地區(qū)的云反饋等模擬研究中[27~35]。不過(guò)，關(guān)于該模式對(duì)氣溶膠—云相關(guān)的輻射強(qiáng)迫和降水過(guò)程的模擬能力，還有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和改進(jìn)的必要。方法介紹氣溶膠對(duì)輻射影響的計(jì)算方法本文使用的模式FGOALS-g2的模擬數(shù)據(jù)來(lái)自“第五次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃”（CMIP5）科學(xué)試驗(yàn)，事先給定了每十年平均的氣溶膠柱含量并考慮了氣溶膠的季節(jié)變化，在模式中對(duì)云滴數(shù)的診斷計(jì)算沒(méi)有顯性地包含氣溶膠的性質(zhì)，但是設(shè)計(jì)的算法隱性地考慮了氣溶膠的海陸差異，氣溶膠的影響還隱含于算法的系數(shù)之中。氣溶膠的直接輻射效應(yīng)體現(xiàn)為氣溶膠對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收和散射的作用。在晴空狀況下，當(dāng)太陽(yáng)輻射進(jìn)入地球大氣后，不同的氣體分子和大氣氣溶膠粒子會(huì)吸收和散射太陽(yáng)輻射，但是這些過(guò)程都是相對(duì)獨(dú)立的，大氣總的距離衰減系數(shù)為[36]：(1)其中和分別是氣體分子和氣溶膠粒子的散射衰減系數(shù)，和分別是臭氧和水汽吸收產(chǎn)生的衰減，是其他氣體分子（主要是CO2和O2）吸收引起的衰減。經(jīng)過(guò)大氣衰減后，到達(dá)地面的短波輻射為：(2)其中表示具有吸收和散射衰減作用的氣層微元，是大氣上界的太陽(yáng)分光輻照度，是各組分的光學(xué)厚度。氣溶膠對(duì)短波輻射的衰減為：(3)本文通過(guò)MODIS觀(guān)測(cè)的550nm的氣溶膠光學(xué)厚度來(lái)體現(xiàn)氣溶膠的直接輻射效應(yīng)。氣溶膠的第一間接效應(yīng)是指氣溶膠作為云凝結(jié)核和冰核生成云，進(jìn)而影響地氣的輻射和能量平衡，衛(wèi)星資料中用云光學(xué)厚度表示，模式資料中沒(méi)有云光學(xué)厚度的輸出，但可以定量地用短波云輻射強(qiáng)迫（TopoftheAtmosphereShortwavecloudForcing，TOASWCF）來(lái)表示。由Ramanathan[37]的定義：(4)其中，和分別代表了有云和晴空條件下TOA向上的短波輻射，所以計(jì)算的總為負(fù)數(shù)，對(duì)地氣起到冷卻的作用。氣溶膠直接和間接效應(yīng)的分析方法本文設(shè)計(jì)了兩種分析方法來(lái)研究氣溶膠的氣候效應(yīng)，方法一是通過(guò)PD-PI的分布圖，給出氣溶膠變化的情景下，氣溶膠直接和間接效應(yīng)變化的空間分布狀況。PD代表了目前的情形，即氣溶膠濃度增大后的狀況，用2021至2021年的平均值表示；PI代表了氣溶膠含量較低的情形，用1985至1990年的平均值表示。兩者的差值可以體現(xiàn)氣溶膠增加所帶來(lái)的氣候影響。第二種分析方法是通過(guò)相關(guān)分析揭示氣溶膠的直接和間接效應(yīng)的機(jī)理。理論上氣溶膠增加，其散射和吸收的短波輻射會(huì)增加，氣溶膠的光學(xué)厚度加大，氣溶膠與其光學(xué)厚度呈正相關(guān)關(guān)系；另一方面，氣溶膠增加會(huì)導(dǎo)致云滴有效半徑減小，總的散射截面加大，云的光學(xué)厚度增加，氣溶膠的第一間接效應(yīng)可以體現(xiàn)為氣溶膠與云光學(xué)厚度呈正相關(guān)，或是云滴的有效半徑與云光學(xué)厚度的負(fù)相關(guān)；此外，云滴有效半徑減小還會(huì)造成碰并增長(zhǎng)的雨滴數(shù)減少，降水減少，氣溶膠的第二間接效應(yīng)體現(xiàn)為氣溶膠與降水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。那么，東亞地區(qū)是否也符合理論的情形是本文所關(guān)注的。由于海洋和陸地上的動(dòng)力熱力條件不同，分布的氣溶膠種類(lèi)也不同，并且模式中對(duì)云滴有效半徑的處理也考慮了海陸差異，所以本文區(qū)分了海洋和陸地兩種情況來(lái)對(duì)東亞地區(qū)進(jìn)行相關(guān)分析。圖1給出了觀(guān)測(cè)與模式的東亞地區(qū)海洋和陸地的格點(diǎn)分布狀況。在模式中，將下墊面分為兩類(lèi)，海洋格點(diǎn)為131個(gè)，陸地格點(diǎn)為420個(gè)；而在觀(guān)測(cè)中細(xì)化了下墊面的分類(lèi)，分為5種情形，其中東亞地區(qū)的海洋格點(diǎn)為1744個(gè)，陸地格點(diǎn)為2148個(gè)，剩余8個(gè)格點(diǎn)為內(nèi)陸湖泊。由于經(jīng)過(guò)海陸分組后的樣本數(shù)仍十分龐大，所以本文中出現(xiàn)的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了顯著性水平為0.01的顯著性檢驗(yàn)。圖1東亞地區(qū)模式(a)和觀(guān)測(cè)(b)的海陸格點(diǎn)分布圖氣溶膠第一間接效應(yīng)的理論研究已較為成熟，以下公式可以體現(xiàn)云滴有效半徑的變化對(duì)云的反射率的影響。云滴有效半徑（CloudEffectiveRadius，R-eff）可以表示為所有粒子半徑的三次方之和與二次方之和的比值：(5)其中代表云滴半徑，為云滴的大小分布。液態(tài)水含量（LiquidWaterContent，LWC）可以定義為：(6)其中為水的密度。通過(guò)給定的云滴大小分布可以計(jì)算云的光學(xué)厚度（CloudOpticalDepth，COD）：(7)其中是云的厚度，是消光效率因子，短波波段的云滴消光系數(shù)因子近似給定為。由(5)、(6)、(7)式可以推導(dǎo)出云的光學(xué)厚度與云水路徑（CloudWaterPath，CWP）之間的關(guān)系：(8)Meador和Weaver[38]對(duì)云的反射率進(jìn)行了很好的近似：(9)其中為不對(duì)稱(chēng)的散射因子，是散射角余弦的平均值?？紤]云對(duì)太陽(yáng)短波輻射的散射，，(9)式則改寫(xiě)為：(10)云的反射率對(duì)云的光學(xué)厚度十分敏感。因此本文在研究氣溶膠的第一間接效應(yīng)時(shí)，將區(qū)分COD>15和COD<15這兩種情況進(jìn)行機(jī)理分析。結(jié)果分析模擬結(jié)果的驗(yàn)證檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)氣溶膠氣候效應(yīng)的模擬能力是研究其機(jī)理機(jī)制的基礎(chǔ)。圖2給出了觀(guān)測(cè)和模擬的部分輻射量與降水量的緯向平均分布圖，其中圖2a和圖2b中的輻射量與氣溶膠的直接效應(yīng)相關(guān)，圖2c和圖2d則分別與氣溶膠的第一和第二間接效應(yīng)密切相關(guān)。晴空大氣衰減的短波輻射量（圖2a）在模式與觀(guān)測(cè)中的差異為3.75W/m2，主要集中于赤道、南極地區(qū)，北半球的差異明顯大于南半球。模式在赤道地區(qū)低估了大氣對(duì)短波輻射的衰減，其原因可能是由于模式在赤道地區(qū)模擬的晴空地表向下的短波輻射大于觀(guān)測(cè)狀況。對(duì)于對(duì)流層頂晴空向上的短波輻射（圖2b），模式結(jié)果略有高估，其全球平均的差異可達(dá)4.66W/m2。SWCF和降水率（圖2c、d）的誤差出現(xiàn)的緯度較為相近，差異較大的區(qū)域主要集中于赤道和中緯度地區(qū)，這些地區(qū)都是云量覆蓋較大的區(qū)域，所以改進(jìn)模式中對(duì)于氣溶膠-云相互作用的描述能夠改善模式模擬的結(jié)果，對(duì)于研究氣溶膠的間接效應(yīng)很有意義。FGOALS-g2的大氣模式GAMIL2.0對(duì)和云相關(guān)的物理過(guò)程已經(jīng)進(jìn)行了一些改進(jìn)，在輻射收支以及降水等方面的模擬也取得了很大的進(jìn)展，但是仍有不足。比如簡(jiǎn)單地通過(guò)加大云滴有效半徑，雖然可以增加云反射回宇宙空間的短波輻射，使得模式模擬的SWCF在赤道更符合觀(guān)測(cè)，但這種方式同樣會(huì)造成中高緯SWCF的低估，所以進(jìn)一步的改進(jìn)方式需要在模式中考慮云的性質(zhì)隨緯度變化的情況[24]?？偠灾?，觀(guān)測(cè)資料和模式模擬的情況符合的比較好，所以運(yùn)用模式的模擬結(jié)果來(lái)研究和分析氣溶膠的氣候效應(yīng)是可行且具有參考價(jià)值的。圖22021-2021年模式與觀(guān)測(cè)的晴空地表短波輻射強(qiáng)迫（a）、對(duì)流層頂晴空向上的短波輻射（b）、對(duì)流層頂云的短波輻射強(qiáng)迫（c）、降水率（d）的全球緯向平均分布圖氣溶膠柱含量分布及其變化圖3顯示了模式輸入場(chǎng)中的各種氣溶膠及其總和在PD時(shí)段的平均柱含量的全球分布和PD-PI的氣溶膠柱含量變化。對(duì)于全球總的氣溶膠柱含量貢獻(xiàn)最大的是沙塵氣溶膠，可以看到圖3a與圖3c的相似度很高，模擬場(chǎng)中總氣溶膠全球平均的柱含量為62.9mg/m2，其中沙塵氣溶膠占39.4mg/m2。沙塵氣溶膠主要分布于荒漠和半荒漠地帶，圖3c中非洲北部的撒哈拉沙漠、西亞地區(qū)以及中國(guó)的內(nèi)蒙和新疆大部地區(qū)均為沙塵氣溶膠柱濃度的大值區(qū)域，由于這些地區(qū)常年干旱，植被稀少，地表大多裸露，容易起沙。北非的撒哈拉沙漠和新疆的塔克拉瑪干沙漠的沙塵氣溶膠柱含量最大值分別可達(dá)1000mg/m2和800mg/m2以上。21世紀(jì)初相比起80年代末（圖3d），沙塵氣溶膠柱含量在撒哈拉中部減少，西部增加，地中海、黑海地區(qū)略有增加，一方面說(shuō)明沙塵含量最大的區(qū)域起沙量有所減少，另一方面也說(shuō)明了荒漠化的狀況在進(jìn)一步向外蔓延，使得沙塵氣溶膠源地有所增加。圖3e為硫酸鹽氣溶膠在PD時(shí)段的平均柱含量的全球分布。硫酸鹽柱含量的最大值出現(xiàn)于東亞地區(qū)，特別是中國(guó)東部，可達(dá)15mg/m2以上，次大值區(qū)位于印度半島、阿拉伯半島、西歐地區(qū)及北美東部?？梢园l(fā)現(xiàn)，硫酸鹽柱含量的大值區(qū)總是位于陸地及其附近海域，這是因?yàn)槿祟?lèi)活動(dòng)造成了大量SO2的工業(yè)排放，SO2通過(guò)進(jìn)一步反應(yīng)生成硫酸鹽氣溶膠，陸地上的硫酸鹽可以通過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸擴(kuò)散至海上。另外，海洋中的浮游生物釋放出的二甲基硫（DMS）經(jīng)過(guò)氧化同樣可以生成硫酸鹽氣溶膠。由圖3f可見(jiàn)，近幾十年來(lái)，歐洲以及北美東部的硫酸鹽氣溶膠顯著減少，而東亞、印度半島和阿拉伯半島的顯著增加，這與人類(lèi)排放的SO2密切相關(guān)。有研究統(tǒng)計(jì)[39]，在1990-2021年期間，歐盟十五國(guó)的SO2的排放量下降了60%，美國(guó)也下降了28%，這些發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視大點(diǎn)源（主要指電廠(chǎng)）的SO2排放，出臺(tái)了多項(xiàng)法令嚴(yán)格控制SO2的排放，美國(guó)還廣泛采用了SO2排放權(quán)交易制度，給予污染排放企業(yè)充分的靈活性來(lái)選擇減排方式?；诎l(fā)達(dá)國(guó)家減排的成功經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展中國(guó)家也正在積極地調(diào)控SO2。圖3g是黑碳?xì)馊苣z在PD時(shí)段的平均柱含量的全球分布。黑碳?xì)馊苣z主要來(lái)自于生物質(zhì)和化石燃料的不充分燃燒，東亞和非洲中部的黑碳柱含量最大，可達(dá)2mg/m2以上，其次是印度半島和南美中部，此外，在西歐、澳大利亞和北美東南部也有少量分布。黑碳?xì)馊苣z的增加主要是由于城市和工業(yè)對(duì)含碳物質(zhì)的大量使用，也包括汽車(chē)尾氣的排放等因素。從圖3h中可見(jiàn)，在東亞、印度半島和非洲中部大值區(qū)域的黑碳?xì)馊苣z柱含量近幾十年仍在不斷增加，所以需要進(jìn)一步改善能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用率，發(fā)展可再生和清潔能源，以及提倡綠色出行等方式來(lái)減少黑碳?xì)馊苣z的人為排放。圖3i是有機(jī)碳?xì)馊苣z在PD時(shí)段的平均柱含量的全球分布。有機(jī)碳?xì)馊苣z的柱含量分布范圍基本與黑碳?xì)馊苣z相似，它來(lái)自于生物質(zhì)和化石燃料的充分燃燒，所以有機(jī)碳與黑碳?xì)馊苣z往往具有相同的排放源，共同排放到大氣中。由于模式輸入場(chǎng)的氣溶膠數(shù)據(jù)并沒(méi)有考慮二次有機(jī)氣溶膠，所以相比起黑碳?xì)馊苣z，有機(jī)碳?xì)馊苣z在東亞、北美東南部和西歐的柱含量較不明顯，大值區(qū)主要位于非洲中部，這可能是因?yàn)樵摰貐^(qū)天氣干燥，有利于生物質(zhì)的充分燃燒。由圖3j可見(jiàn)，21世紀(jì)末相比起80年代末，有機(jī)碳?xì)馊苣z在我國(guó)中東部、印度半島北部、非洲中部及俄羅斯地區(qū)呈增加趨勢(shì)，特別是俄羅斯地區(qū)，其增量超過(guò)2.1mg/m2。圖3k是海鹽氣溶膠在PD時(shí)段的平均柱含量的全球分布。海鹽氣溶膠是由于海水飛濺，進(jìn)入大氣后被蒸發(fā)而形成的鹽粒，其主要分布于海洋上，在45°S存在一條連續(xù)的大值帶，柱含量超過(guò)50mg/m2，這是由于該地區(qū)常年存在高風(fēng)帶，有利于海水飛濺形成海鹽氣溶膠。從圖3l可見(jiàn)，海鹽氣溶膠在近幾十年間的變化較為復(fù)雜，可能與地表風(fēng)速和海流變化有關(guān)。東亞地區(qū)受到上述五種氣溶膠的共同影響，由于這五種氣溶膠的物化性質(zhì)各有不同，所以氣溶膠對(duì)東亞區(qū)域氣候的影響尤為復(fù)雜。其中，沙塵和海鹽氣溶膠主要被歸類(lèi)為自然源氣溶膠，而硫酸鹽、黑碳和有機(jī)碳?xì)馊苣z與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)，認(rèn)為是人為源氣溶膠。由圖3可知，在全球范圍內(nèi)，東亞地區(qū)近幾十年來(lái)的人為源氣溶膠總體柱含量顯著增加，而歐洲及北美東部的氣溶膠柱含量顯著減少，這主要與人類(lèi)活動(dòng)和工業(yè)發(fā)展的地區(qū)性排放有關(guān)。對(duì)比自然源氣溶膠，由于沙塵和海鹽氣溶膠顆粒大、質(zhì)量大，所以自然源氣溶膠的柱含量變化在數(shù)值上大于人為源氣溶膠，但從全球角度上看，其變化程度遠(yuǎn)小于人為源氣溶膠。圖3模擬的總氣溶膠（a、b）、沙塵（c、d）、硫酸鹽（e、f）、黑碳（g、h）、有機(jī)碳（i、j）、海鹽（k、l）氣溶膠的PD時(shí)間段內(nèi)的平均柱濃度含量以及PD-PI的氣溶膠柱含量的變化（單位：mg/m2）氣溶膠直接輻射效應(yīng)氣溶膠的直接輻射效應(yīng)就是指氣溶膠通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射而影響地表和大氣層頂?shù)妮椛涫罩?。圖4a為晴空大氣對(duì)太陽(yáng)直接輻射的衰減，其中排除了云對(duì)短波輻射反射的影響。由公式（1）可知，太陽(yáng)短波輻射通過(guò)大氣層時(shí)會(huì)受到氣體分子和氣溶膠粒子的散射衰減以及臭氧、水汽和其他氣體（如CO2和O2）的吸收衰減。氣體分子的散射遵循瑞利散射規(guī)律，氣溶膠的散射是按照米散射理論，所以在散射過(guò)程中，氣溶膠的貢獻(xiàn)更大。在吸收衰減方面，大氣中的O2和O3幾乎把波長(zhǎng)小于0.29的紫外輻射全部吸收了；在可見(jiàn)光區(qū)，大氣只有不強(qiáng)的吸收帶，吸收很少的輻射；此外，大氣中的氣體分子、水汽、二氧化碳還可以對(duì)波長(zhǎng)大于0.69的紅外區(qū)域選擇性吸收。雖然碳類(lèi)氣溶膠也可以吸收短波輻射，但是其吸收衰減的貢獻(xiàn)仍是有限的。由圖4a可見(jiàn)，晴空狀況下，到達(dá)地面的短波輻射大致呈緯向的帶狀分布，圖4晴空大氣對(duì)太陽(yáng)直接輻射的衰減（a）以及模式模擬的PD-PI的變化（b）和對(duì)流層頂晴空向上的短波輻射（c）及模擬的PD-PI的變化（d）（單位：W/m2）與水汽的分布相近似，氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減并不能很直接的反映。同樣地，模式中晴空大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減的PD與PI時(shí)段的差異（圖4b）也受到上述多種因素的影響，其變化情況并不能明顯地顯示氣溶膠增加對(duì)太陽(yáng)輻射衰減增強(qiáng)的效應(yīng)。需要通過(guò)模式模擬大氣中不存在氣溶膠的情況，得到其他因子對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減狀況[40]，再進(jìn)行做差比較，最終確定氣溶膠這單一因子對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減量，但是本文并未涉及該類(lèi)數(shù)值模擬試驗(yàn)。太陽(yáng)輻射被空氣分子和氣溶膠粒子多次散射后，一部分能量從大氣上界射出地氣系統(tǒng)，另一部分到達(dá)地面，被地面吸收和反射，反射回大氣的太陽(yáng)輻射又會(huì)經(jīng)過(guò)多次散射過(guò)程。對(duì)流層頂晴空向上的短波輻射（圖4c）不僅包括了氣溶膠多次散射的總量，還包含了大氣分子散射和地面反射的短波輻射量。所以，考慮氣溶膠對(duì)大氣層頂?shù)妮椛涫罩У挠绊?，需要在模式中模擬不加入氣溶膠的晴空向上的短波輻射，做差后可以得到氣溶膠單一因素的影響結(jié)果。圖4d給出了大氣層頂晴空向上的短波輻射PD與PI的變化狀況，在東亞地區(qū)，除了青藏高原的高原雪蓋減少導(dǎo)致地表反射的短波輻射減少外，該地區(qū)在PD和PI這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的地表反照率變化較小，所以可以認(rèn)為僅存在氣溶膠的影響，但是即便是這樣也很難確定氣溶膠冷卻效應(yīng)的強(qiáng)弱，還是需要依賴(lài)于模式的輔助。圖5a為MODIS反演的550nmAOD的全球分布狀況，圖5b和圖5c分別為觀(guān)測(cè)和模式的氣溶膠柱含量。由于AOD的反演中加入了deepblue的算法，在較亮的地表（特別是沙漠地區(qū)）也可以得到觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，但該算法尚未應(yīng)用于氣溶膠柱含量的反演中，所以在沙漠地區(qū)MODIS觀(guān)測(cè)的柱含量被設(shè)為缺測(cè)。模式輸入場(chǎng)中總的氣溶膠的柱含量較觀(guān)測(cè)值偏低且描述得較為粗糙，特別是中國(guó)東部和印度半島北部的對(duì)氣溶膠柱含量明顯低估，但氣溶膠的總體分布特點(diǎn)符合觀(guān)測(cè)狀況。由公式（3）所示，氣溶膠對(duì)短波輻射的衰減量可以通過(guò)氣溶膠的光學(xué)厚度定量計(jì)算得到，所以AOD可以反映氣溶膠的直接輻射效應(yīng)。上文已經(jīng)提及，短波波段的輻射還會(huì)受到其他衰減因子的影響，所以?xún)H依靠衛(wèi)星資料還難以反演整個(gè)短波波段的氣溶膠光學(xué)厚度，但是對(duì)于550nm的短波輻射，其他因子衰減的影響較小，可以計(jì)算得到氣溶膠的光學(xué)厚度。對(duì)比圖5a和圖5b，可以發(fā)現(xiàn)氣溶膠柱含量和550nm的AOD的分布十分相似，在中國(guó)東部、新疆地區(qū)、印度半島北部、撒哈拉沙漠和非洲中部均為大值中心，這說(shuō)明氣溶膠柱含量越大，對(duì)太陽(yáng)輻射的削減作用越強(qiáng)，AOD越大，從而體現(xiàn)的氣溶膠直接輻射效應(yīng)越強(qiáng)。圖5PD時(shí)段的MODIS觀(guān)測(cè)的550nm的氣溶膠光學(xué)厚度（a）和氣溶膠柱含量（b;單位：mg/m2）以及模式輸入場(chǎng)的氣溶膠柱含量（c;單位：mg/m2）的全球分布圖6通過(guò)相關(guān)分析方法定量的分析了東亞地區(qū)氣溶膠柱濃度與氣溶膠光學(xué)厚度之間的關(guān)系。無(wú)論是在陸地還是海洋上，線(xiàn)性回歸曲線(xiàn)的趨勢(shì)均為正，說(shuō)明此二者呈正相關(guān)關(guān)系，即氣溶膠越多，氣溶膠光學(xué)厚度越大，造成的直接輻射效應(yīng)越強(qiáng)，并且其相關(guān)系數(shù)分別可達(dá)0.81和0.94。但是在東亞地區(qū)，海洋上氣溶膠與AOD的線(xiàn)性關(guān)系強(qiáng)于陸地上，這時(shí)由于陸地上的氣溶膠比海洋上的更為復(fù)雜，東亞陸地上的氣溶膠種類(lèi)較多，其光學(xué)性質(zhì)各不相同，對(duì)短波輻射的衰減也不同，籠統(tǒng)地把總的氣溶膠柱含量與AOD比較，會(huì)使得二者的關(guān)系變?nèi)酰欢Ｑ笊现饕院｛}氣溶膠為主，種類(lèi)較為單一，故而柱含量和AOD的線(xiàn)性關(guān)系更好。(b)r=0.81r(b)r=0.81r=0.94(a)圖6MODIS觀(guān)測(cè)的東亞地區(qū)陸地（a）與海洋（b）上的氣溶膠柱濃度與AOD的散點(diǎn)圖氣溶膠第一間接效應(yīng)懸浮在空氣中的可溶和不可溶的氣溶膠粒子可以作為云凝結(jié)核和冰核，活化形成云滴與冰晶，通過(guò)反射進(jìn)入地氣系統(tǒng)的短波輻射，減少了到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，增加了地球的行星反照率，這就是氣溶膠的第一間接效應(yīng)。圖7是利用MODIS觀(guān)測(cè)資料繪制的東亞地區(qū)氣溶膠第一間接效應(yīng)的散點(diǎn)圖，其中圖7a、b為海陸氣溶膠柱含量與水云的云滴有效半徑之間的關(guān)系，圖7c、d體現(xiàn)了云滴有效半徑對(duì)云光學(xué)厚度的影響。由圖7a、b可見(jiàn)，水云的云滴有效半徑與氣溶膠的柱含量呈相反趨勢(shì)，海洋上的相關(guān)關(guān)系強(qiáng)于陸地，其可能的原因是由于水云的云滴有效半徑受可溶性氣溶膠的影響更大，海洋上主要存在的是可溶性的氣溶膠，可以作為云凝結(jié)核形成云滴，而陸地上混合了可溶和不可溶的氣溶膠，特別是沙塵氣溶膠對(duì)氣溶膠柱含量的影響很大，這種不可溶的氣溶膠經(jīng)常被當(dāng)作冰核，但是也可以被可溶性的氣溶膠包圍而作為云凝結(jié)核，所以陸地上受到不可溶的氣溶膠的影響，其相關(guān)關(guān)系不太明顯。假設(shè)東亞地區(qū)大氣中總的水汽含量變化不大時(shí)，當(dāng)人類(lèi)活動(dòng)和工業(yè)發(fā)展使得氣溶膠增加時(shí)，氣溶膠活化形成的云滴數(shù)增多，環(huán)境的過(guò)飽和度下降，云滴不能持續(xù)增長(zhǎng)，相應(yīng)的云滴有效半徑會(huì)減小。從圖7c、d中可見(jiàn)，云滴的有效半徑減小，對(duì)應(yīng)的云的光學(xué)厚度是增加的，陸地和海洋上的相關(guān)系數(shù)分別可達(dá)-0.62和-0.88，相關(guān)性較強(qiáng)。這是因?yàn)?，在相近的水汽含量下，云滴?shù)增多，云滴有效半徑減少，最終造成的云滴粒子總的截面積是增加的，云反射的短波輻射增多，也可以通過(guò)公式（8）、（9）、（10）更直觀(guān)的認(rèn)識(shí)水云的云滴有效半徑、云光學(xué)厚度和云的反射率這三者之間的關(guān)系。r=-0.14rr=-0.14r=-0.62(b)(a)r=-0.88rr=-0.88r=-0.62(d)(c)圖7MODIS觀(guān)測(cè)的東亞地區(qū)陸地與海洋水云云滴有效半徑與氣溶膠柱含量（a,b）和水云光學(xué)厚度（c,d）的散點(diǎn)圖圖8是區(qū)分了陸地和海洋，COD>15和COD<15后的氣溶膠柱含量和云滴有效半徑間的關(guān)系。通常COD>15的云被認(rèn)為是降水云，而COD<15的云為非降水云。由圖8可見(jiàn)，氣溶膠的柱含量與云滴有效半徑總是呈反相關(guān)，這種反相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)海洋強(qiáng)于陸地，光學(xué)厚度小的云強(qiáng)于光學(xué)厚度大的云。由于光學(xué)厚度大的云一般為降水云，除了受氣溶膠成云機(jī)制的影響外，動(dòng)力抬升機(jī)制也會(huì)影響云滴有效半徑的大小。雖然氣溶膠增加會(huì)使得云滴有效半徑減小，但是強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，向上輸送了大量的水汽，從而有利于云滴的增長(zhǎng)，其有效半徑會(huì)增大。然而，對(duì)于光學(xué)厚度小的云而言，受動(dòng)力因素的影響較小，所以氣溶膠柱含量在COD<15的情況下與云滴有效半徑的反相關(guān)關(guān)系更為顯著。圖9是按COD分類(lèi)后與云滴有效半徑的散點(diǎn)關(guān)系圖。由圖所見(jiàn)，在各種分類(lèi)狀況下COD與云滴有效半徑的線(xiàn)性回歸曲線(xiàn)的趨勢(shì)總為負(fù)，特別是東亞海洋上COD<15的狀況下，反相關(guān)關(guān)系最為顯著，可能的原因是由于海洋上的水汽本身較為充足，在氣溶膠增多的情況下，仍能滿(mǎn)足核化的濕度條件，但形成的云滴的有效半徑是減少的；而當(dāng)COD>15時(shí)，垂直的水汽輸送會(huì)影響這種反相關(guān)性，造成氣溶膠增加但有效半徑不一定減小的情形。根據(jù)已有的文章[41]，由ISCCP觀(guān)測(cè)計(jì)算的大陸地區(qū)光學(xué)厚度大的云（COD>15）滿(mǎn)足公式（8），在較小的空間范圍內(nèi)，CWP的變化很小，可以認(rèn)為是常數(shù)，此時(shí)COD與云滴有效半徑呈反比。圖9c展現(xiàn)了東亞大陸上的狀況，但并未發(fā)現(xiàn)反比的規(guī)律，這說(shuō)明實(shí)際情況中CWP很難保持不變。云的光學(xué)厚度描述了整層大氣中的云對(duì)太陽(yáng)短波輻射的衰減作用，可以用來(lái)體現(xiàn)氣溶膠的第一間接效應(yīng)。根據(jù)公式（8）可知，云光學(xué)厚度不僅受到云滴有效的半徑的影響，還受云水路徑變化的影響?？紤]CWP不變的情況，云中的含水量一定，云光學(xué)厚度與云滴有效半徑成反比，在氣溶膠增加的狀況下，云滴數(shù)增加，云滴有效半徑減小，由反比關(guān)系可知，云光學(xué)厚度加大，體現(xiàn)了云微物理對(duì)云光學(xué)厚度的影響。而實(shí)際狀況中CWP常常難以保持不變，它與一個(gè)地區(qū)的水汽條件的變化有關(guān)，當(dāng)該地區(qū)存在水汽輻合時(shí)，環(huán)境的飽和比增大，有利于云滴的增長(zhǎng)，從而使得云中的含水量增加。所以，在不考慮云凝結(jié)核變化的情況下（即氣溶膠濃度不變），CWP增大對(duì)應(yīng)著云滴有效半徑增大，云滴對(duì)短波輻射的總散射截面增大，AOD增加；而當(dāng)CWP減少時(shí)，云滴有效半徑減小，云滴總散射截面減小，AOD減小。由此可知，在氣溶膠柱含量變化不大的情況下，無(wú)論是CWP增加還是減少，AOD與云滴有效半徑均呈正比關(guān)系，這體現(xiàn)了氣象條件對(duì)AOD的影響。根據(jù)圖7、圖8和圖9的相關(guān)分析可知，氣溶膠柱含量與云滴有效半徑呈反相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明氣溶膠增加的效應(yīng)蓋過(guò)了水汽輸送對(duì)云滴有效半徑的影響，但CWP的變化仍會(huì)減弱云滴有效半徑與云光學(xué)厚度之間的反相關(guān)關(guān)系。r=-0.61rr=-0.61r=-0.42(b)r=-0.36rr=-0.36r=-0.22(c)(d)圖8觀(guān)測(cè)的PD時(shí)段東亞海陸上COD<15（a,b）和COD>15（c,d）的氣溶膠柱含量與云滴有效半徑的散點(diǎn)圖r=-0.85rr=-0.85r=-0.30(b)(a)r=-0.21r=-0.21r=-0.49(d)(c)圖9觀(guān)測(cè)的PD時(shí)段東亞海陸上COD<15（a,b）和COD>15（c,d）的云滴有效半徑與其光學(xué)厚度的散點(diǎn)圖圖10展現(xiàn)了ISCCP觀(guān)測(cè)的東亞地區(qū)PD與PI時(shí)段的云水路徑和云光學(xué)厚度的空間分布。對(duì)比圖9和圖10可知，ISCCP觀(guān)測(cè)的COD明顯低于MODIS觀(guān)測(cè)結(jié)果，主要是因?yàn)檫@兩種衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料對(duì)于部分有云的衛(wèi)星影像的處理不同，MODIS反演COD時(shí)調(diào)用了邊界檢測(cè)算法，可以排除衛(wèi)星影像中散碎的低云，而ISCCP反演過(guò)程中沒(méi)有排除它的影響，正是因?yàn)檫@種散碎低云的光學(xué)厚度非常小，且覆蓋了全球15%的區(qū)域，故而造成了ISCCP與MODIS反演的COD數(shù)據(jù)差異很大[42]。除此以外，還有一些其他原因也會(huì)造成兩者的差異，比如說(shuō)兩種衛(wèi)星掃描和探測(cè)的角度不同[43,44]、觀(guān)測(cè)時(shí)間段的不同、熱力相態(tài)（水云或冰云）的探測(cè)手段不同、云滴單體散射性質(zhì)的不同等等。但對(duì)于同種衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的云產(chǎn)品還是自洽的，上文中由MODIS反演的氣溶膠柱含量、云滴有效半徑和云光學(xué)厚度相互之間都是符合物理規(guī)律的，對(duì)于圖10而言，ISCCP反演的CWP和COD也是滿(mǎn)足物理關(guān)系的。如圖10所示，CWP和COD在近幾十年都是增加的，CWP的增加是東亞全境的，而COD的增加主要集中于氣溶膠增加明顯的區(qū)域，如中國(guó)東部及印度半島一帶。所以，東亞地區(qū)氣溶膠第一間接效應(yīng)的氣溶膠-云微物理機(jī)制體現(xiàn)為：近幾十年來(lái)，東亞地區(qū)氣溶膠柱含量增加，特別是人為源氣溶膠柱含量的增加，由上述的相關(guān)分析可知，相應(yīng)的云滴有效半徑會(huì)減小，又由于水汽條件充沛，云滴有效半徑減小的程度會(huì)小一些（不會(huì)比PI時(shí)段的云滴有效半徑大），但云中含水量受其影響會(huì)增加，云水路徑增加，根據(jù)公式（8）可知，云光學(xué)厚度一定增加。圖10觀(guān)測(cè)的東亞地區(qū)PD與PI時(shí)段的云水路徑（a,b;單位：g/m2）和云光學(xué)厚度（c,d）的變化以下討論FOGALS-g2模式對(duì)氣溶膠第一間接效應(yīng)的模擬狀況：本文所使用的模式數(shù)據(jù)是按照CMIP5規(guī)定的輸出形式，其中未包含云滴有效半徑和云光學(xué)厚度等中間變量，只能通過(guò)CWP和SWCF來(lái)體現(xiàn)模式中的氣溶膠第一間接效應(yīng)。圖11給出了PD時(shí)段的云水路徑和短波云輻射強(qiáng)迫的全球分布。CWP的分布與云量的分布較為相近，隨緯度和海陸變化明顯。赤道、60°S和60°N附近為CWP的三個(gè)峰值帶，該地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)頻繁。此外，全球的水汽主要來(lái)源于海洋的蒸發(fā)，海洋是地球的水汽源地，所圖11模式與觀(guān)測(cè)的PD時(shí)段的液態(tài)云水路徑（a,b;單位：g/m2）和短波云輻射強(qiáng)迫（c,d;單位：W/m2）的全球分布以CWP在海洋和沿海的陸地地區(qū)較大。對(duì)比模式與觀(guān)測(cè)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，模式在北太平洋和赤道地區(qū)高估了CWP。特別是在赤道地區(qū)，模式多模擬了一條虛假的CWP高值帶，造成了圖2c、d中短波云輻射強(qiáng)迫和降水率在赤道地區(qū)存在接近對(duì)稱(chēng)的雙峰結(jié)構(gòu)，而實(shí)際的觀(guān)測(cè)結(jié)果則顯示模式高估了南半球的峰值。這說(shuō)明FGOALS-g2在CWP的模擬上還有待于進(jìn)一步的提高，特別是峰值帶的模擬。短波云輻射強(qiáng)迫（圖11c、d）與云水路徑的全球分布相似度很高，這是因?yàn)樵浦泻吭蕉?，云反射的短波輻射量越多，短波云輻射?qiáng)迫的冷卻效應(yīng)越強(qiáng)。云水路徑與短波云輻射強(qiáng)迫造成的冷卻效應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系，可以說(shuō)明氣象條件對(duì)云的輻射強(qiáng)迫的影響。圖12給出了模式模擬的東亞地區(qū)PD-PI的云水路徑和短波云輻射強(qiáng)迫的變化狀況，兩者的變化趨勢(shì)十分相似，在東亞地區(qū)，特別是氣溶膠柱含量增加明顯的印度半島和中國(guó)東部等地，云水路徑和短波云輻射強(qiáng)迫的冷卻效應(yīng)都呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。云水路徑的減小與ISCCP反演的CWP（圖10a、b）變化情況并不一致，可能與模式中對(duì)云形成的動(dòng)力過(guò)程的描述有關(guān)。短波云輻射強(qiáng)迫不僅受到氣象條件的影響，還與氣溶膠濃度的變化有關(guān)（氣溶膠第一間接效應(yīng)），但是由于模式在計(jì)算云滴有效半徑時(shí)，沒(méi)有直接加入描述氣溶膠性質(zhì)的參數(shù)，比如氣溶膠的數(shù)濃度，所以在模擬結(jié)果中不能體現(xiàn)出氣溶膠的第一間接效應(yīng)，故而短波云輻射強(qiáng)迫的變化趨勢(shì)由CWP的變化主導(dǎo)。模式結(jié)果中對(duì)氣溶膠形成云影響輻射的機(jī)理可以描述為：云水路徑的減小，云中含水量，導(dǎo)致云滴有效半徑減小，最終使得云滴的散射截面減小，短波云輻射強(qiáng)迫的冷卻效應(yīng)減小。圖12模擬的東亞PD-PI的云水路徑（a;單位：g/m2）和TOA短波云輻射強(qiáng)迫的冷卻效應(yīng)（b;單位：W/m2）氣溶膠第二間接效應(yīng)氣溶膠的第二間接效應(yīng)是指氣溶膠粒子作為凝結(jié)核可以形成云滴，再通過(guò)碰并過(guò)程增長(zhǎng)成雨滴降落地面。近幾十年來(lái)，氣溶膠含量不斷增加，氣溶膠對(duì)降水變化的影響也越發(fā)顯著。由上文可知，東亞地區(qū)氣溶膠柱含量的增加會(huì)造成云滴有效半徑的減少，這不僅可以改變地氣系統(tǒng)的輻射收支，還可以影響云滴的碰并增長(zhǎng)過(guò)程，使得形成的云滴數(shù)減少，降水減弱。圖13a是東亞地區(qū)的氣溶膠柱含量分布圖，在印度半島的北側(cè)和中國(guó)的東部及西南地區(qū)氣溶膠濃度較大，而青藏高原地區(qū)氣溶膠濃度較小，由于沙漠地區(qū)干旱少雨，所以不考慮該地區(qū)的氣溶膠柱含量對(duì)降水的影響。圖13b是近幾十年來(lái)東亞總降水率的變化狀況，可見(jiàn)印度半島北部和我國(guó)的西南地區(qū)降水率確實(shí)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，可以歸因?yàn)闅馊苣z的第二間接效應(yīng)。但是在中國(guó)東部地區(qū)，氣溶膠柱含量的增加并沒(méi)有降水的減少趨勢(shì)與之相對(duì)應(yīng)，這時(shí)由于降水的形成除了需要滿(mǎn)足云滴增長(zhǎng)條件外，還要滿(mǎn)足水汽條件和垂直運(yùn)動(dòng)條件。前者決定于云物理?xiàng)l件，屬于降水的微觀(guān)過(guò)程，后兩個(gè)決定于天氣條件，是降水的宏觀(guān)過(guò)程。氣溶膠可以通過(guò)微觀(guān)過(guò)程直接影響降水，還可以通過(guò)其反饋過(guò)程影響降水的宏觀(guān)機(jī)制，對(duì)降水產(chǎn)生間接的影響。東亞地區(qū)是著名的季風(fēng)區(qū)，受東亞夏季風(fēng)的影響，夏季降水對(duì)全年降水的貢獻(xiàn)率最大，由于氣溶膠的冷卻效應(yīng)使得地表溫度下降，造成海陸間的溫度梯度和氣壓梯度都減小，所以東亞夏季風(fēng)減弱，水汽不能輸送到較北的位置，從而形成南澇北旱的降水分布特征[14]，但是另一方面，地表溫度的降低，又會(huì)使得熱力作用引起的垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱，降水減少。綜合而言，氣溶膠對(duì)降水的影響是極其復(fù)雜的。圖13觀(guān)測(cè)的東亞PD時(shí)段的氣溶膠柱含量（a,單位：mg/m2）和PD-PI的降水率（b,單位：mm/d）的變化圖14a是模擬的硫酸鹽、黑碳和有機(jī)碳三種人為源氣溶膠在PD與PI時(shí)段的變化狀況，印度半島和中國(guó)東部是氣溶膠柱含量的大值區(qū)，最大增幅可達(dá)8mg/m2。圖14b是模式對(duì)東亞地區(qū)近幾十年的降水率變化的模擬狀況，對(duì)比圖13b，可以發(fā)現(xiàn)，模擬和觀(guān)測(cè)的降水率變化狀況存在差異。因?yàn)槟Ｊ街腥狈υ频斡行О霃綄?duì)降水的顯性影響（即第二間接效應(yīng)），造成在東亞地區(qū)的降水模擬還是有不完善和不全面的地方，比如印度半島地區(qū)的降水減少就沒(méi)有模擬圖14模擬的東亞地區(qū)PD-PI的人為源氣溶膠柱含量（a,單位：mg/m2）和降水率（b,單位：mm/d）的變化出符合實(shí)際的狀況。而在我國(guó)東海岸模擬出了降水的減少的現(xiàn)象，這與模擬的云水路徑（圖12a）在該地區(qū)的減小是相一致的，主要還是依賴(lài)于模式中對(duì)于動(dòng)力過(guò)程和水汽條件的描述情況，可以認(rèn)為是云中的含水量減小而導(dǎo)致降水的減小，除此，也可能與氣溶膠的直接效應(yīng)有關(guān)，中國(guó)東部氣溶膠的增多導(dǎo)致地表溫度降低（接收的太陽(yáng)輻射減少），抑制了局地對(duì)流的發(fā)展。因此，在利用模式結(jié)果來(lái)研究氣溶膠的間接效應(yīng)時(shí)，需要將氣溶膠的數(shù)濃度等參數(shù)顯性地加入FGOALS-g2模式中。結(jié)論本文利用衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和地球系統(tǒng)模式FGOALS-g2的模擬結(jié)果，研究了東亞地區(qū)氣溶膠的直接輻射效應(yīng)以及第一、第二間接效應(yīng)的微物理機(jī)制，并檢驗(yàn)了該模式對(duì)于氣溶膠氣候效應(yīng)的模擬能力，提出了模式需要改進(jìn)的方面。主要結(jié)論如下：近幾十年來(lái)，自然源排放的沙塵、海鹽類(lèi)氣溶膠在東亞地區(qū)的變化不大，人為源排放的硫酸鹽、黑碳、有機(jī)碳?xì)馊苣z在中國(guó)東部以及印度半島等地的濃度明顯增加，而在歐洲和北美東部氣溶膠濃度呈減小趨勢(shì)，這與人類(lèi)活動(dòng)排放的污染物有關(guān)。觀(guān)測(cè)中，東亞地區(qū)的氣溶膠直接輻射效應(yīng)可以體現(xiàn)為氣溶膠柱含量與其光學(xué)厚度之間的強(qiáng)正相關(guān)性，而FGOALS-g2在CMIP5提交的模式輸出結(jié)果尚不能體現(xiàn)氣溶膠直接輻射效應(yīng)，需要增加氣溶膠光學(xué)厚度的輸出或者開(kāi)展不含氣溶膠狀況下的模擬試驗(yàn)。在氣溶膠間接效應(yīng)的研究中，需要明確的是，云對(duì)地氣系統(tǒng)的影響同時(shí)受到氣溶膠—云微物理過(guò)程和氣象條件的雙重制約。在東亞地區(qū)，觀(guān)測(cè)資料可以很好地體現(xiàn)氣溶膠的第一間接效應(yīng)，即氣溶膠與云光學(xué)厚度間的正比關(guān)系，但并不能排除水汽條件、氣溶膠種類(lèi)及物化性質(zhì)等對(duì)第一間接效應(yīng)的影響。而在模式中，云水路徑變化的模擬出現(xiàn)了偏差，根據(jù)模擬結(jié)果顯示東亞地區(qū)短波云輻射強(qiáng)迫的變化主要由氣象條件主導(dǎo)。由觀(guān)測(cè)資料分析可得，印度半島北部和中國(guó)西南地區(qū)的降水率減少可以歸因?yàn)闅馊苣z的第二間接效應(yīng)，而中國(guó)東部并未發(fā)現(xiàn)降水率減少的現(xiàn)象，可能因?yàn)闅馊苣z的反饋過(guò)程以及氣象條件的變化掩蓋了氣溶膠的第二間接效應(yīng)。在模式中，沒(méi)能模擬出印度半島北部的氣溶膠第二間接效應(yīng)，中國(guó)東部卻模擬出了降水減少的趨勢(shì)。最后，值得指出的是，目前運(yùn)用全球模式模擬氣溶膠的直接和間接效應(yīng)仍存在很大的不確定性[6]。從發(fā)展模式的角度看，F(xiàn)GOALS-g2對(duì)全球輻射通量、降水、云量以及云水含量的模擬都存在著或多或少的不足，而改進(jìn)氣溶膠-云-輻射相關(guān)的參數(shù)化過(guò)程，將有效地改善模式的模擬效果。比如在云滴有效半徑的計(jì)算中直接加入描繪氣溶膠性質(zhì)的參數(shù)，更詳細(xì)準(zhǔn)確地模擬氣溶膠的微物理作用和輻射特性等。另外，近幾十年間快速發(fā)展并大量積累起來(lái)的衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以為模式的發(fā)展和驗(yàn)證提供有力支持。將觀(guān)測(cè)、理論與模式的改進(jìn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而在未來(lái)的模式中更合理地體現(xiàn)氣溶膠的氣候效應(yīng)，并進(jìn)一步估算人為源氣溶膠的增長(zhǎng)對(duì)東亞地區(qū)及全球氣候的潛在影響。參考文獻(xiàn)：[1]Houghton,J.T.,L.G.MeiraFilho,B.A.Callander,N.Harris,A.Kattenberg,andK.Maskell,Eds..ClimateChange1995:TheScienceofClimateChange[N].CambridgeUniversity[2]Haywood,J.M.,andV.Ramaswamy.Globalsensitivitystudiesofthedirectradiativeforcingduetoanthropogenicsulfateandblackcarbonaerosols[J].J.Geophys.Res.,2021,103:6043–6058.[3]Twomey,S.A..Theinfluenceofpollutionontheshortwavealbedoofclouds[J].J.Atmos.Sci.,1977,34:1149–1152.[4]Albrecht.Aerosols,cloudmicrophysicsandfractionalcloudiness[J].Science,1989,245:1227–1230.[5]Ramaswamy,V.,andCoauthers.Radiativeforcingofclimatechange[N],CambridgeUniversityPress,2021,349–416.[6]IPCC.ClimateChange2021:ThePhysicalScienceBasis．WorkingGroupIContributiontotheIPCC5thAssessmentReport-ChangestotheunderlyingScientific/TechnicalAssessment[R].Stockholm:WorkingGroupI,2021.[7]Hansen,J.,M.Sato,andR.Ruedy.Radiativeforcingandclimateresponse[J].J.Geophys.Res.,2021,102(D6):6831–6864.[8]Menon,S.,andCoauthors.Evaluatingaerosol/cloud/radiationprocessparametrizationswithsingle-columnmodelsandSecondAerosolCharacterizationExperiment(ACE-2)cloudycolumnobservations[J].J.Geophys.Res.,2021,108(D24):4762.[9]Xia,X.,Z.Li,B.Holben,P.Wang,T.Eck,H.Chen,M.Cribb,andY.Zhao.AerosolopticalpropertiesandradiativeeffectsintheYangtzeDeltaregionofChina[J].J.Geophys.Res.,2021,112.[10]Li,Z.,K.-H.Lee,Y.Wang,J.Xin,andW.M.Hao.FirstObservation-basedEstimatesofCloud-freeAerosolRadiativeForcingacrossChina[J].J.Geophys.Res.,2021,115.[11]Lau,K.M.,K.M.Kim.ObservationalrelationshipsbetweenaerosolandAsianmonsoonrainfallandcirculation[J].Geophys.Res.Lett.,2021,33.[12]Liu,Y.,J.Sun,andB.Yang.TheeffectsofblackcarbonandsulfateaerosolsinChinaregionsonEastAsiamonsoons[J].Tellus(B),2021,61:642–656.[13]Ji,Z.M.,etal.,SimulationoftheanthropogenicaerosolsoverSouthAsiaandtheireffectsonIndiansummermonsoon[J].Clim.Dyn.,2021.[14]JianshengYe,WenhongLi,LaifangLi,FengZhang.“Northdryingandsouthwetting”summerprecipitationtrendoverChinaanditspotentiallinkagewithaerosolloading[J].AtmosphericResearch,2021,125–126:12–19.[15]Zhang,X.Y.,andCoauthors.ChangesofatmosphericcompositionandopticalpropertiesoverBeijing2021OlympicMonitoringCampaign[J].Bull.Amer.Meteor.Soc.,2021,90:1633–1651.[16]BjornStevensandSandrineBony.WhatAreClimateModelsMissing?[N].Science,2021,340:1053.[17]Li,L.J.,andCoauthors.EvaluationofGrid-pointAtmosphericModelofIAPLASGversion2(GAMIL2)[J].Adv.Atmos.Sci.,2021,30(3):855–867.[18]Wang,B.,H.Wan,Z.Z.Ji,X.Zhang,R.C.Yu.,Y.Q.Yu,andH.-T.Liu.Designofanewdynamicalcoreforglobalatmosphericmodelsbasedonsomeefficientnumericalmethods[J].ScienceinChina(Math.),2021,47:4–21.[19]Wang,B.andZ.Z.Ji.Newnumericalmethodsandtheirapplicationsintheatmopshericscience[J].Sciencepress,2021,208pp.[20]Collins,W.D.,andCoauthors.DescriptionoftheNCARcommunityatmospheremodel(CAM2)[J].National[21]Tiedtke,M..Acomprehensivemassfluxschemeforcumulusparameterizationinlarge-scalemodels[J].Mon.Wea.Rev.,1989,117:779–1800.[22]Nordeng,T.E..ExtendedversionsoftheconvectiveparameterizationschemeatECMWFandtheirimpactonthemeanandtransientactivityofthemodelintheTropics[J].ECMWFTech.Memo,1994,206:41pp.[23]Li,L.J.,B.Wang,andT.J.Zhou.ContributionsofnaturalandanthropogenicforcingstothesummercoolingovereasternChina:AnAGCMstudy[J].Geophys.Res.Lett.,2021,34:L18807.[24]Li,L.J.,Y.Q.Wang,B.Wang,andT.-J.Zhou.Sensitivityofthegrid-pointatmosphericmodelofIAPLASG(GAMIL1.1.0)climatesimulationstoclouddropleteffectiveradiusandliquidwaterpath[J].Adv.Atmos.Sci.,2021,25(4):529–540.[25]Zhang,G.J.,andM.Mu.EffectsofmodificationstotheZhang-McFarlaneconvectionparameterizationonthesimulationofthetropicalprecipitationinthenationalcenterforatmosphericresearchcommunityclimatemodel,version3[J].J.Geophys.Res.,2021,110:D09109.[26]Morrison,H.,andA.Gettelman.Anewtwomomentbulkstratiformcloudmicrophysicsschemeinthecommunityatmospheremodel,version3(CAM3).PartI:Descriptionandnumericaltests[J].J.Climate,2021,21(15):3642–3659.[27]Li,L.J.,B.Wang,andT.J.Zhou.Impactsofexternalforcingonthe20thcenturyglobalwarming[J].ChineseScienceBulletin,52:3148–3154.[28]Wu,Z.W.,andJ.Li.PredictionoftheAsianAustralianmonsooninterannualvariationswiththegrid-pointatmosphericmodelofIAPLASG(GAMIL)Adv.Atmos.Sci.,2021,25(3):387–394.[29]Kucharski,F.,andCoauthors.TheCLIVARC20Cproject:skillofsimulatingIndianmonsoonrainfalloninterannualtodecadaltimescales.DoesGHGforcingplayarole?[N].ClimateDyn.,2021,33:615–627.[30]Scaife,A.A.,andCoauthors.TheCLIVARC20Cproject:Selected20thcenturyclimateevents[J].ClimateDyn.,2021,31.[31]Zou,L.W.,T.J.Zhou,B.Wu,H.M.Chen,andL.J.Li.TheinterannualvariabilityofsummertimewesternpacificsubtropicalhighhindcastedbyGAMILCliPASexperiments[J].ChineseJ.Atmos.Sci.,2021,33,959–970.(inChinese)[32]Hodson,D.L.R.,R.T.Sutton,C.Cassou,N.Keenlyside,Y.Okumura,andT.Zhou.ClimateimpactsofrecentmultidecadalchangesinAtlanticOceanseasurfacetemperature:Amultimodelcomparison.ClimateDyn.,2021,34:1041–1058.[33]Guo,Z.,C.Q.Wu,T.J.Zhou,andT.W.Wu.AcomparisonofcloudradiativeforcingssimulatedbyLASG/IAPandBCCatmosphericgeneralcirculationmodels[J].ChineseJ.Atmos.Sci.,2021,35(4):739–752.(inChinese)[34]Dong,L.,L.J.Li,W.Y.Huang,Y.Wang,andB.Wang.PreliminaryevaluationofthecloudfractionsimulationsbyGAMIL2usingCOSP[J].Atmos.OceanicSci.Lett.,2021,5,258–263.[35]Li,L.J.,X.Xie,B.Wang,andL.Dong.EvaluatingtheperformancesofGAMIL1.0andGAMIL2.0duringTWP-ICEwithCAPT[J].Atmos.OceanicSci.Lett.,2021,5:38–42.[36]盛裴軒等．大氣物理學(xué)[M]．北京：北京大學(xué)出版社，2021：84．[37]GuoZhun,ZhouTianjun.Thecloud-radiationforcingoverthewesternPacificwarmpoolduring2021/98simulatedbytwoversionsofLASG/IAPatmosphericgeneralcirculationmodel[J].ChineseJournalofAtmosphericSciences,2021,36(5):863-878.(inChinese)[38]Meador,W.E.,andW.R.Weaver.Two-streamapproximationstoradiativetransferinplanetaryatmospheres:Aunifieddescriptionofexistingmethodsandanewimprovement[J].J.Atmos.Sci.,1980,37:630–643.[39]ZHUSongli.SuccessfulexperienceonSO2controllingindevelopedcountriesandpolicysuggestiontoourSO2emissioncontrolling[J].EnergyEnvironmentalProtection,2021,20(1):5–9.[40]K.Rajeev,V.Ramanathan.Directobservationsofclear-skyaerosolradiativeforcingfromspaceduringtheIndianOceanExperiment[J].JournalofGeophysicalResearch.2021,106(D15):17221–17235.[41]Han,Q.,W.B.Rossow,J.Chou,andR.Welch.GlobalsurveyoftherelationshipofcloudalbedoandliquidwaterpathwithdropletsizeusingISCCP[J].J.Clim.,2021,11:1516–1528.[42]Robert,S.P.,S.A.Ackerman,R.S.HemlerandR.J.PatrickHofmann.ReconcilingSimulatedandObservedViewsofClouds:MODIS,ISCCP,andtheLimitsofInstrumentSimulators[J].