氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫與蘭州氣象條件的影響

1、氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫對(duì)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(lái)越多，沙塵氣溶膠對(duì)局地天氣的影響也越來(lái)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(duì)天氣預(yù)報(bào)和進(jìn)一步研究氣溶膠都有十分深遠(yuǎn)的意義。本項(xiàng)目的目的就是在大量觀測(cè)基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)分析的知識(shí)對(duì)資料進(jìn)行分析。找出蘭州地區(qū)氣溶膠粒子分布與直接輻射強(qiáng)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(qiáng)迫，并分析其氣候響應(yīng)。本文通過(guò)對(duì)來(lái)自于蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jìn)行研究，挑出有代表性的無(wú)沙塵天氣，揚(yáng)沙天氣和沙塵暴天氣來(lái)進(jìn)行研究對(duì)比，分析氣溶膠對(duì)直接輻射強(qiáng)迫的影響和從而造成的對(duì)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(shì)，氣溶膠的光學(xué)厚度越大，水平能見(jiàn)距越小；且定義出AOT（675）0.65定義為無(wú)沙塵天氣，AOT（675） 2.05時(shí)，定義為沙塵暴天氣；當(dāng)氣溶膠密度越小， 地表冷卻越強(qiáng)，地表溫度響應(yīng)越顯著；氣溶膠同時(shí)對(duì)風(fēng)和濕度都會(huì)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(jìn)一步研究的。關(guān)鍵詞

3、：氣溶膠，輻射強(qiáng)迫，氣象條件引 言：我們所處的地氣系統(tǒng)處在一個(gè)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(huì)對(duì)地面和對(duì)流層大氣的輻射熱量收支產(chǎn)生變化，同時(shí)，由于氣候的反饋效應(yīng)，全球氣候也會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生變化。輻射強(qiáng)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(duì)流層的氣溫變化等各種氣象因素都關(guān)系密切。近年來(lái)，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(kuò)大，對(duì)氣象條件及人類活動(dòng)產(chǎn)生了比較大的影響。氣溶膠通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射，使到地面的太陽(yáng)輻射減少，這是氣

4、溶膠的直接輻射效應(yīng)；同時(shí)，陸地上氣溶膠數(shù)密度越大，云數(shù)密度越來(lái)越大，產(chǎn)生更大的反射率，從而減少輻射強(qiáng)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(guò)氣溶膠的光學(xué)厚度和水平能見(jiàn)度來(lái)表征，大氣氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Thickness，簡(jiǎn)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(gè)重要物理量。理論上，AOT值的大小也可作為表征沙塵天氣過(guò)程發(fā)生與否及強(qiáng)度大小的一個(gè)物理量。沙塵氣溶膠的主要來(lái)源是沙塵天氣，在日常的觀測(cè)中我們通過(guò)水平能見(jiàn)度對(duì)沙塵天氣進(jìn)行劃分，一般，當(dāng)水平能見(jiàn)度1km時(shí)，定義為沙塵暴天氣，此時(shí)沙塵氣溶膠數(shù)密度大，濃度高，

5、對(duì)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(guò)后，多會(huì)產(chǎn)生浮塵或者揚(yáng)沙天氣，一般水平能見(jiàn)度10km，對(duì)輻射收支平衡也會(huì)產(chǎn)生一定的影響；而一般，若水平能見(jiàn)度10km,可認(rèn)為是無(wú)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(yáng)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(dá)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(dá)0.91，全年相關(guān)系數(shù)高達(dá)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(gè)量級(jí)

6、.4總而言之，氣溶膠在空氣中的分布越來(lái)越多，會(huì)通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)直接輻射，造成地氣系統(tǒng)的輻射收支產(chǎn)生變化，進(jìn)而對(duì)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(huì)影響氣溶膠粒子的重新分布，對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射和氣象條件通過(guò)反饋產(chǎn)生進(jìn)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(duì)蘭州市氣象條件的影響，分3種情況研究了無(wú)沙塵天氣、揚(yáng)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(lái)分析和研究沙塵氣溶膠造成的輻射收支及平衡的變化對(duì)蘭州氣象條件的影響。一、資料及分析 1、資料來(lái)源本文所有的觀測(cè)資料均來(lái)自于蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境監(jiān)測(cè)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(gè)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(jiàn)度分析在資料的處理中，我們首先通過(guò)用MODTRAN模擬水平氣象視距和氣溶膠光學(xué)厚度的經(jīng)驗(yàn)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(guò)水平氣象視距，分別分為1km,10km,10km的，即沙塵暴天氣、揚(yáng)沙浮塵天氣和無(wú)沙塵天氣，研究其對(duì)輻射收支

8、產(chǎn)生的變化，并對(duì)此三種不同的天氣過(guò)程對(duì)其溫、壓、濕、風(fēng)等各種天氣條件進(jìn)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(dòng)較頻繁的日子，且3月的沙塵量相對(duì)4月份較大；5月的沙塵活動(dòng)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(jì)此期間有很強(qiáng)的沙塵活動(dòng)。 如資料2所述，一般，我們是以其月或季平均光學(xué)厚度來(lái)分辨沙塵天氣和無(wú)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(jiàn)距的嚴(yán)格對(duì)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(shí)，我們定義為無(wú)沙塵天氣，而當(dāng)AOT（675）0.65時(shí)，定義為揚(yáng)沙浮塵天氣，而當(dāng)AOT（675）2.05時(shí)，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(jiàn)度與日平均光學(xué)厚度羅列水平能見(jiàn)距羅列光學(xué)厚度能見(jiàn)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(shí)間的變化和水平視距隨時(shí)間的變化圖2. 4月675通道的光學(xué)厚度隨時(shí)間的變化和水平視距隨時(shí)間的變化圖3. 4月675通道的光學(xué)厚度隨時(shí)間的變化和水平視距隨時(shí)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)水平視距來(lái)劃分為沙塵暴天氣，揚(yáng)沙浮塵天氣和無(wú)沙塵天氣，因?yàn)槲覀兯玫馁Y料有限，加之水平視距其實(shí)主要是人

14、工觀測(cè)的結(jié)果，有主觀色彩在其中，我們根據(jù)我們通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式換算出的結(jié)果做一個(gè)小小的修改，即根據(jù)水平能見(jiàn)距的程度不同分為無(wú)沙塵天氣，即水平能見(jiàn)距10km；揚(yáng)沙天氣，即水平能見(jiàn)距10km；和沙塵較重天氣，即水平能見(jiàn)距2km的情況來(lái)進(jìn)行分析！ 我們從中挑出晴好典型沙塵天氣和典型晴好無(wú)沙塵天氣進(jìn)行個(gè)例分析，來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明沙塵氣溶膠對(duì)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(jiàn)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(wú)沙塵天氣，揚(yáng)沙浮塵天氣，沙塵較嚴(yán)重天氣，對(duì)溫、壓、濕、風(fēng)等各種氣象條件隨高度

15、的變化進(jìn)行分析，通過(guò)10時(shí)、12時(shí)、14時(shí)、16時(shí)和18時(shí)各個(gè)時(shí)刻的風(fēng)速廓線、氣壓廓線、溫度廓線和濕度廓線的變化進(jìn)行研究分析，來(lái)研究沙塵氣溶膠對(duì)蘭州市氣象條件的影響。3、對(duì)資料的進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)溫度隨高度變化的廓線分析注：為方便簡(jiǎn)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(lái)看，A，B分別對(duì)應(yīng)無(wú)沙塵時(shí)能見(jiàn)度不同的兩種情況，其溫度廓線在10時(shí)、12時(shí)、14時(shí)、16時(shí)和18時(shí)均呈相同的變化趨勢(shì)；C，D分別對(duì)應(yīng)有沙塵時(shí)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(shí)、12時(shí)、14時(shí)、16時(shí)和18時(shí)呈相同的變化趨勢(shì)，其中沙塵嚴(yán)重的情況下，溫度的變化趨勢(shì)和幅度相對(duì)D更大；但是，有沙塵和無(wú)沙塵的溫度廓線隨時(shí)間的變化很不一致。 縱向從溫度廓線來(lái)看，無(wú)沙塵日，溫度大致曾隨高度遞減的趨勢(shì)，且該趨勢(shì)隨著時(shí)間的分布自10時(shí)至18時(shí)無(wú)改變

17、，只在18時(shí)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(shí)至14時(shí)，溫度大致曾隨高度遞減的趨勢(shì)，但是從16時(shí)開(kāi)始，溫度隨高度遞減的趨勢(shì)逐漸減小，直至18時(shí)，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(jiàn)度的越來(lái)越小，即沙塵氣溶膠的影響越來(lái)越大，溫度隨高度的遞減率逐漸增高，尤其自16時(shí)的變化，遞減率接近0，而在18時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)風(fēng)速隨高度變化的廓線分析 橫向從風(fēng)速廓線來(lái)看，風(fēng)速隨高度的變化隨時(shí)間的變化與沙塵氣溶膠的分布密度大小及程度并無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系，沙塵氣溶膠對(duì)風(fēng)速的影響并不是分明顯； 但是換個(gè)角度來(lái)看，當(dāng)風(fēng)速隨高度的變化隨著時(shí)間的發(fā)展很不穩(wěn)定時(shí)，氣溶膠的密度相對(duì)較小，且該密度較小的情況多在16時(shí)和18時(shí)表現(xiàn)明顯；而當(dāng)風(fēng)速歲高度的變化隨著時(shí)間的發(fā)展比較穩(wěn)定，且趨勢(shì)變化很小時(shí)，其溶膠的密

19、度也相對(duì)較大或者氣溶膠的密度無(wú)大的變化。 4月18日，其溫度遞減率最低且風(fēng)速在16時(shí)有一個(gè)很大的轉(zhuǎn)變，風(fēng)速隨高度的變化很不穩(wěn)定，此時(shí)的沙塵氣溶膠密度很小，光學(xué)厚度很小，能見(jiàn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)濕度隨高度變化廓線分析 橫向從濕度廓線來(lái)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(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系，沙塵氣溶膠對(duì)濕度的影響并不十分明顯 就4月18日和5月14日對(duì)比而言，在能見(jiàn)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(shí)間的發(fā)展會(huì)產(chǎn)生很大的變化；而在能見(jiàn)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(shí)間的發(fā)展在16時(shí)之前均十分穩(wěn)定，幾乎無(wú)太大變化；而在18時(shí)，濕度隨高度的變化有個(gè)很大的改變；3.4 氣溶膠對(duì)地表輻射強(qiáng)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(zhǎng)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(diǎn)、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(zhǎng)波輻射損失能量，地氣系統(tǒng)通過(guò)輻射增加能量。夜晚大氣發(fā)射長(zhǎng)波輻射損失能量，地表吸收長(zhǎng)波輻射增加能量，地氣系統(tǒng)通過(guò)輻射損失能量。(3) 氣溶膠垂直分布是導(dǎo)致氣溶膠輻射強(qiáng)迫不確定性的重要因子之一，而氣候系統(tǒng)反饋?zhàn)饔梅糯罅藲馊苣z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(shí)不能忽略其影響?？傮w來(lái)說(shuō)，氣溶膠分布含量越小，地氣系統(tǒng)冷卻越強(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(shí)也是影響光學(xué)厚度的主要因子，這是沙塵氣溶膠對(duì)蘭州氣象條件中的能見(jiàn)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(gè)原因，我們可以根據(jù)不同粒子對(duì)太陽(yáng)光的反射和折射所造成的差異來(lái)分析對(duì)能見(jiàn)度的影響；在此我們決定用氣溶膠資料來(lái)分析其對(duì)輻射所造成的影響，從而來(lái)研究對(duì)能見(jiàn)度的影響。按照預(yù)期的結(jié)果，在沙塵天氣，因?yàn)闅馊苣z的直接輻射強(qiáng)迫，蘭州市的能見(jiàn)度會(huì)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(jiàn)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(gè)重要的因子。因?yàn)闅馊苣z的直接輻射強(qiáng)迫，從理論而言，是減少了太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)迫，使地面的溫度減少8，但我們研究覺(jué)得，蘭州是一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間的研究來(lái)證明；但是，就我們組的討論，在沙塵天氣，因?yàn)榘滋欤瑲馊苣z的影響，使太陽(yáng)直接輻射很難到達(dá)地面，夜間，因?yàn)闅馊苣z粒子對(duì)長(zhǎng)波輻射的削減很少，但是也會(huì)有所阻礙，使得晝夜的溫差相對(duì)減少，夜間會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的逆溫；而在晴好天氣，日間，氣溶膠對(duì)直接輻射強(qiáng)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(huì)相對(duì)較高，夜間溫度隨高度的變化仍呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)；同時(shí)，溫度的分布將會(huì)影響大氣層結(jié)的穩(wěn)定性，進(jìn)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(shí)，由于氣候系統(tǒng)的反饋性、敏感性和可預(yù)報(bào)性，氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫對(duì)云、霧和降水方面會(huì)產(chǎn)生一定的影響，尤其是對(duì)降水會(huì)產(chǎn)生負(fù)相關(guān)作用，這都是我們需要去研究和推測(cè)的，但是就我們所得到的資料來(lái)看，蘭州地區(qū)3、4和5月份的降水極少，沒(méi)有可以利用來(lái)分析