气溶胶辐射效应

第二讲气溶胶的气候效应及不确定性气溶胶的气候效应Fig.AutomaticSunTrackingPhotometerCE-318andlaserradarCAMLTMCE370-21.Aerosolobservation1.1Ground-baseMeasurement气溶胶廓线云顶高度厚云细雨极化多角度CERES:TOA通量MODIS:云的re,tAMSR:LWPO2A-band化学成分dynamicsA－TrainsatellitesIcecloudandwatercloudCloudSatMLSAMSRCloudphysicalpropertyMODISCloudSatPARASOLprecipitationCloudSatAMSRAerosolopticalpropertyCALIPSOMODISPARASOLOMICloudopticalpropertyCALIPSO,MODIS,andPARASOLChemicalTES,MLS,OMIRadiancefluxCERES1.Aerosolobservation1.2AirborneMeasurement1.AerosolobservationFig.CALIPSOLevel1profiledataon9June2006providedbyNASALangleyDaveWinker1.1Ground-baseMeasurement1.AerosolobservationFig.Distributionof180globalsunphotometers•IPCC1995年第一份评估报告全球变暖已经开始，可能是由于人类温室气体的排放•IPCC1998年第二份评估报告证据的对比显示人类的行为对全球气候有可以辨别出的影响。•IPCC2001年第三份评估报告最近50年观测到的大部分变暖可能是由于温室气体浓度的增加。IPCC2007第四次评估报告：气候系统的变暖是毫不含糊的，目前从全球平均气温和海温升高、大范围雪和冰融化、以及海平面上升的观测中得到的证据支持了这一观点。观测到的20世纪中叶以来大部分的全球平均温度的升高，很可能是由于观测到人为温室气体浓度增加所导致的。在过去十年中，气候科学领域的研究揭示了很多地球气候系统的变化和人类活动之间的因果关系全球变暖•间冰期•工业革命•土地私有化耕地面积增加•CO2升高•气候变暖•水循环加快云和水汽增多•冰川融化海平面升高气溶胶类型黑炭沙尘城市气溶胶（硫酸盐）第四次IPCC报告指出,目前模式估算全球平均的辐射强迫：•硫酸盐:0.4士0.2wm-2;•硝酸盐:-0.1士0.lwm-2;•化石燃料:-0.05士0.05wm-2;•化石燃料的黑碳:+0.2士0.15Wm-2;•生物质燃烧:+0.03士0.12wm-2,•矿物粉尘:-0.1士0.2wm-2;气溶胶直接辐射强迫•气溶胶粒子会通过散射和吸收太阳辐射来直接的影响地球辐射平衡•存在的问题：量化这个影响值的过程却进展缓慢,并且至今并未很好的得到解决.•区域气溶胶直接辐射强迫主要是由其粒子的光学特性、区域地表反照率以及沙尘垂直分布所决定的,当气溶胶类型为吸湿性粒子,还和当地水汽含量有关。气溶胶的辐射特性•直接效应：从北非东传的沙尘气溶胶导致印度次大陆吸收大量太阳辐射，促使附近的空气变暖和海陆热力差异加大•沙尘气溶胶对半干旱区地表能量平衡和对我国极端高温产生潜在影响。•间接效应：•半直接效应：改变云的宏观和微观特性对地-气产生辐射影响间接效应•第一类间接效应：由于气溶胶粒子增加,在水汽含量一定时,使云滴增加而云滴粒子减小的作用；在低层大气中,水汽凝结在悬浮在空气中的气溶胶粒子上,就形成了云滴。所以,气溶胶粒子(云凝结核CNN)的浓度、大小以及吸湿性都会对云滴的浓度和大小有直接影响。这些影响进一步改变云的短波辐射效应。特别应指出,当增大凝结核的浓度时,云滴的浓度会随之增大,从而增大了云的短波反照率。所以第一类间接又可以被称为“云反照率”作用。间接效应•第二类间接效应：指由于云滴粒子减小伴随的云滴浓度增大,而可能会减少降水概率,从而改变云的厚度及生命周期。这种延长云的生命周期以及增大云覆盖率的作用不仅会增强云的短波冷却辐射作用,也会增强长波增暖辐射作用。但第二类作用主要还是影响低云,所以低云的冷却效应成为主要作用,使得最终的净辐射作用为一种冷却作用。另外,降水概率的减少可能会进一步改变大气中水汽含量和热量的垂直分布,这将会改变地球的水份循环。气溶胶粒子的光学特性•三个变量:气溶胶光学厚度,单次散射反照率,散射相函数。•气溶胶光学厚度：单位面积的大气柱内的气溶胶消光截面的总和,用来表示由于气溶胶粒子对太阳光的吸收和散射而造成的消光。通常沙尘的光学厚度范围为O一1.0(SO0nm),但发生强沙尘暴时在500nm波段的光学厚度也会超过3。气溶胶粒子的光学特性•单次散射反照率:气溶胶粒子散射系数与消光系数的比值;这是决定气溶胶粒子吸收、散射的一个重要参数。在试验中选取的气溶胶50Onm的SSA基准值为0.79。•单次散射反照率,是区域直接辐射强迫值的主要决定因子。但一些研究发现对于吸收性气溶胶,当在气溶胶粒子单次散射反照率一定的情况下,在地表反照率较大的地区为正的辐射强迫而在低反照率地区则为负的辐射强迫.•散射相函数：散射辐射随角度的分布。理论上,如果给定了球形气溶胶粒子的分布,则可以利用Mie理论计算得到气溶胶粒子的散射相函数。在实际计算中,在大多数辐射传输模式中都用近似的Henyey一Greenstein(HG)的散射相函数。HG散射相函数较之精确的散射相函数较为简单,是因为HG函数中只用一个参数来定义各个方向的散射能量分布,即一不对称因子g(Asymmetryfactor)。20大气成分（温室气体和气溶胶等）和气溶胶变化对东亚夏季风的影响？ATM（IPCCatmosphericradiativeforcings）大气辐射强迫试验，采用逐年变化IPCC大气辐射强迫场，SST为气候平均场；DAER（directaerosolforcing）为逐年变化气溶胶（包括硫酸盐、黑碳和有机碳）强迫，其他大气辐射强迫场取1990年值，SST取气候平均场，这里只考虑气溶胶直接效应。Li,H.,A.Dai,TianjunZhou,J.Lu,2010:ResponsesofEastAsiansummermonsoontohistoricalSSTandatmosphericforcingduring1950-2000,ClimateDynamics,34,501–514温室气体和硫酸盐含量是基于观测资料得到的，对流层和平流层臭氧为观测资料和模式模拟的综合结果(Kiehletal.1999)，火山气溶胶为Ammannetal.(2003)重建资料，太阳辐射数据是基于五个太阳活动指数计算得到的(Daietal.2001;Meehletal.2003;Collinsetal.2006)。(Meehletal.2009)气溶胶影响的不确定性因素气溶胶辐射特性与粒子形状和尺度、垂直分布、下垫面反照率、云与气溶胶的相互作用等多方面因素有关。目前关于气溶胶辐射特性定量化的结论仍有很大的不确定性