气溶胶的直接辐射强迫与兰州气象条件的影响Word文档格式.docx

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一、资料及分析

1、资料来源

本文所有的观测资料均来自于兰州大学半干旱气候与环境监测站（Semi-AridClimateandEnvironmentObservatoryofLanzhouUniversity）,包括3月、4月和5月气溶胶675nm的气溶胶光学厚度和440nm的气溶胶光学厚度，和各个层次（包括4m、8m、12m、16m和32m）的风速、大气温度、湿度和降水量、大气压等气象要素的值，和地面的辐射资料。

2、能见度分析

在资料的处理中，我们首先通过用MODTRAN模拟水平气象视距和气溶胶光学厚度的经验公式[5]换算出气溶胶的光学厚度造成的水平气象视距，通过水平气象视距，分别分为＜1km,＜10km,＞10km的，即沙尘暴天气、扬沙浮尘天气和无沙尘天气，研究其对辐射收支产生的变化，并对此三种不同的天气过程对其温、压、湿、风等各种天气条件进行分析，得到的结果如下：

由表1可以通过气溶胶的675nm的关学厚度与水平视距的严格对应关系，可以得出，春季3、4、5月的大气气溶胶在675通道的平均光学厚度分别为0.588477,0.5342054和0.426214,季平均光学厚度为0.516299。

从表1可以看出，3月，4月和5月的沙尘日分别为7日，8日和2日。

3月和4月是沙尘活动较频繁的日子，且3月的沙尘量相对4月份较大；

5月的沙尘活动较少，但是气溶胶的光学厚度最大值出现在5月14日，估计此期间有很强的沙尘活动。

如资料[2]所述，一般，我们是以其月或季平均光学厚度来分辨沙尘天气和无沙尘天气，此处，考虑到兰州春季沙尘气溶胶较多和兰州地形较复杂的特性，从气溶胶的光学厚度和水平能见距的严格对应关系得角度出发，把区分光学厚度的临界暂且定为AOT（675）=0.65，和AOT（675）＞2.05，这更符合我们研究沙尘天气。

当AOT（675）＜0.65时，我们定义为无沙尘天气，而当AOT（675）＞0.65时，定义为扬沙浮尘天气，而当AOT（675）＞2.05时，我们才定义为沙尘暴天气。

表1兰州3、4、5月水平日均能见度与日平均光学厚度罗列

水平能见距罗列

光学厚度能见距罗列

日期

3月

4月

5月

1

28.3

9.8

27.2

0.2700485

.6777826

.2799991

2

888

14.8

13.8

.4800177

.5101672

3

3.5

18.3

32.5

1.397587

.3994122

.2377327

4

25.9

4.8

60.0

0.2931089

1.1363940

.1331357

5

8.7

45.9

0.746696

.7422266

.1721031

6

9.3

13.1

15.2

0.706334

.5348615

.4698395

7

3.0

13.0

8.6

1.5033730

.5388030

.7526807

8

17.1

7.5

13.7

.4241827

.8315075

.5140634

9

15.7

21.4

.4589076

.3490631

10

16.4

22.0

.4409709

.3404674

11

18.5

7.1

21.6

.3963172

.8711188

.3459063

12

27.4

19.0

18.0

.2783530

.3883401

.4078371

13

27.6

30.0

.2760713

.2570373

14

58.3

1.6

.1369391

2.0501290

15

12.4

10.4

.5574488

.6429842

16

4.9

29.3

22.3

1.1214000

.2616057

.3353736

17

12.2

39.7

27.5

.5662801

.1973032

.2773925

18

9.9

72.8

31.3

.6717442

.1105009

.2461763

19

29.1

.5148954

.2633918

.2463434

20

28.0

22.9

17.5

.2729465

.3281792

.4158363

21

35.1

9.5

11.7

.2213082

.6927760

.5884760

22

.3279898

23

11.5

.5938713

24

9.0

32.3

.5110448

.7242301

.2390871

25

11.2

10.9

67.2

.5915789

.6227006

.1193893

26

17.0

18.7

.3968243

.4273268

.3929210

27

2.7

30.6

.2461740

1.6201310

.2515846

28

3.6

38.1

1.3593680

.2048799

29

17.4

13.4

12.3

.4182413

.5226683

.5642883

30

17.2

14.5

10.5

.4223216

.4886494

.6420290

31

21.5

26.4

.3469648

.2875501

沙尘日

图1.3月675通道的光学厚度随时间的变化和水平视距随时间的变化

图2.4月675通道的光学厚度随时间的变化和水平视距随时间的变化

图3.4月675通道的光学厚度随时间的变化和水平视距随时间的变化

根据图1，图2，图3综合结果可以得到，光学厚度与水平能见度严格地呈反相位分布，其溶胶的光学厚度越大，水平能见距越小。

因日常研究中根据光学厚度区分沙尘天气的例子很少，我们主要通过水平视距来划分为沙尘暴天气，扬沙浮尘天气和无沙尘天气，因为我们所得的资料有限，加之水平视距其实主要是人工观测的结果，有主观色彩在其中，我们根据我们通过经验公式换算出的结果做一个小小的修改，即根据水平能见距的程度不同分为无沙尘天气，即水平能见距＞10km；

扬沙天气，即水平能见距＜10km；

和沙尘较重天气，即水平能见距＜2km的情况来进行分析！

我们从中挑出晴好典型沙尘天气和典型晴好无沙尘天气进行个例分析，来进一步说明沙尘气溶胶对兰州气象条件的变化及日变化产生的影响,得到结果如下：

从中我们挑出了能见度分别为35.1km，72.8m,1.6km和9.9km，日期分别为3月21日，4月18日，5月14日，3月18日，即晴好天气，无沙尘天气，扬沙浮尘天气，沙尘较严重天气，对温、压、湿、风等各种气象条件随高度的变化进行分析，通过10时、12时、14时、16时和18时各个时刻的风速廓线、气压廓线、温度廓线和湿度廓线的变化进行研究分析，来研究沙尘气溶胶对兰州市气象条件的影响。

3、对资料的进一步分析

3.1温度廓线随气溶胶的分布

图4.13月21，4月18，5月14和3月18日，10时温度随高度变化的廓线分析

图4.23月21，4月18，5月14和3月18日，12时温度随高度变化的廓线分析

图4.33月21，4月18，5月14和3月18日，14时温度随高度变化的廓线分析

图4.43月21，4月18，5月14和3月18日，16时温度随高度变化的廓线分析

图4.53月21，4月18，5月14和3月18日，18时温度随高度变化的廓线分析

注：

为方便简略，3月21和1月18日用A，B代替，而5月14日和3月18日则分别用C，D代替。

⑴横向从温度廓线来看，A，B分别对应无沙尘时能见度不同的两种情况，其温度廓线在10时、12时、14时、16时和18时均呈相同的变化趋势；

C，D分别对应有沙尘时沙尘分布状况严重和较轻的两种状况，其温度廓线在10时、12时、14时、16时和18时呈相同的变化趋势，其中沙尘严重的情况下，温度的变化趋势和幅度相对D更大；

但是，有沙尘和无沙尘的温度廓线随时间的变化很不一致。

⑵纵向从温度廓线来看，无沙尘日，温度大致曾随高度递减的趋势，且该趋势随着时间的分布自10时至18时无改变，只在18时左右贴底层出现了小范围的逆温层；

在有沙尘分布日，温度廓线自10时至14时，温度大致曾随高度递减的趋势，但是从16时开始，温度随高度递减的趋势逐渐减小，直至18时，温度随高度呈现逆温状态，且沙尘较严重的日子逆温状态比沙尘较轻的逆温状态较严重；

⑶自能见度的越来越小，即沙尘气溶胶的影响越来越大，温度随高度的递减率逐渐增高，尤其自16时的变化，递减率接近0，而在18时左右，温度递减率为正，呈现逆温的状态。

3.2风速廓线随气溶胶的分布

图5.13月21，4月18，5月14和3月18日，10时风速随高度变化的廓线分析

图5.23月21，4月18，5月14和3月18日，12时风速随高度变化的廓线分析

图5.33月21，4月18，5月14和3月18日，14时风速随高度变化的廓线分析

图5.43月21，4月18，5月14和3月18日，16时风速随高度变化的廓线分析

图5.53月21，4月18，5月14和3月18日，18时风速随高度变化的廓线分析

⑴横向从风速廓线来看，风速随高度的变化随时间的变化与沙尘气溶胶的分布密度大小及程度并无明显的相关关系，沙尘气溶胶对风速的影响并不是分明显；

但是换个角度来看，当风速随高度的变化随着时间的发展很不稳定时，气溶胶的密度相对较小，且该密度较小的情况多在16时和18时表现明显；

而当风速岁高度的变化随着时间的发展比较稳定，且趋势变化很小时，其溶胶的密度也相对较大或者气溶胶的密度无大的变化。

⑵4月18日，其温度递减率最低且风速在16时有一个很大的转变，风速随高度的变化很不稳定，此时的沙尘气溶胶密度很小，光学厚度很小，能见度很大；

3.3湿度廓线随气溶胶的分布

图6.13月21，4月18，5月14和3月18日，10时湿度随高度变化的廓线分析

图6.23月21，4月18，5月14和3月18日，12时湿度随高度变化的廓线分析

图6.33月21，4月18，5月14和3月18日，14时湿度随高度变化的廓线分析

图6.43月21，4月18，5月14和3月18日，16时湿度随高度变化的廓线分析

图6.53月21，4月18，5月14和3月18日，18时湿度随高度变化廓线分析

⑴横向从湿度廓线来看，湿度随高度的变化与沙尘气溶胶的分布密度大小及程度无明显的相关关系，沙尘气溶胶对湿度的影响并不十分明显

⑵就4月18日和5月14日对比而言，在能见度很大的情况下，即沙尘气溶胶的影响很小的情况下，湿度随高度的变化随着时间的发展会产生很大的变化；

而在能见度很小的情况下，即沙尘气溶胶的影响较大的情况下，湿度随高度的分布随时间的发展在16时之前均十分稳定，几乎无太大变化；

而在18时，湿度随高度的变化有个很大的改变；

3.4气溶胶对地表辐射强迫的影响

（1）气溶胶短波辐射效应冷却地气系统．其中地表冷却显著而大气增温；

气溶胶长波辐射效应加热地气系统，其中地表加热最显著而大气冷却；

气溶胶净辐射效应冷却地气系统，春季增温。

地表冷却最显著，而大分布随气溶胶种类、地点、季节等因素而变化，

（2）白天大气吸收短波辐射增加能量，地表发射长波辐射损失能量，地气系统通过辐射增加能量。

夜晚大气发射长波辐射损失能量，地表吸收长波辐射增加能量，地气系统通过辐射损失能量。

（3）气溶胶垂直分布是导致气溶胶辐射强迫不确定性的重要因子之一，而气候系统反馈作用放大了气溶胶垂直分布差异引起的辐射气候效应差异，所以研究气溶胶辐射效应时不能忽略其影响。

总体来说，气溶胶分布含量越小，地气系统冷却越强而地表冷却越弱，地表温度响应也越显著。

当然，此结论不仅与气溶胶的含量大小有关，同时还与气溶胶的垂直分布有很大的关系，需综合考虑[6]。

二、气溶胶与气象条件和直接辐射强迫的影响分析和讨论

地壳源沙尘是大气气溶胶的主要成分，同时也是影响光学厚度的主要因子，这是沙尘气溶胶对兰州气象条件中的能见度影响的最主要的影响因素和直接因子。

我们讨论的主要是沙尘气溶胶，沙尘气溶胶主要以2—20微米的粒子占的比例最高；

而在非沙尘天气粒径在低于2微米的粒子则占了40%以上[7]；

就这个原因，我们可以根据不同粒子对太阳光的反射和折射所造成的差异来分析对能见度的影响；

在此我们决定用气溶胶资料来分析其对辐射所造成的影响，从而来研究对能见度的影响。

按照预期的结果，在沙尘天气，因为气溶胶的直接辐射强迫，兰州市的能见度会有很大的出入；

气溶胶的光学厚度越大，导致水平能见距越小，两者呈十分明显且严格的反相位关系。

在最近的全球变化中，沙尘气溶胶已经成为影响全球气候变化的一个重要的因子。

因为气溶胶的直接辐射强迫，从理论而言，是减少了太阳直接辐射强迫，使地面的温度减少[8]，但我们研究觉得，兰州是一个局部地区，可能这种影响很小或者很难分辨，需要大量的资料和长时间的研究来证明；

但是，就我们组的讨论，在沙尘天气，因为白天，气溶胶的影响，使太阳直接辐射很难到达地面，夜间，因为气溶胶粒子对长波辐射的削减很少，但是也会有所阻碍，使得昼夜的温差相对减少，夜间会出现较强的逆温；

而在晴好天气，日间，气溶胶对直接辐射强迫影响较小，夜间的削减更弱，在云量大致相同的日子里，昼夜温差会相对较高，夜间温度随高度的变化仍呈现递减的趋势；

同时，温度的分布将会影响大气层结的稳定性，进而影响风速和湿度的分布，造成风速和湿度的响应，但是由于这种响应较小，必先很不明显。

同时，由于气候系统的反馈性、敏感性和可预报性，气溶胶的直接辐射强迫对云、雾和降水方面会产生一定的影响，尤其是对降水会产生负相关作用，这都是我们需要去研究和推测的，但是就我们所得到的资料来看，兰州地区3、4和5月份的降水极少，没有可以利用来分析的资源和条件，就此我们把气溶胶的分布与降水的关系先忽略考虑。

三、结语和讨论

⑴春季3、4、5月的大气气溶胶在675通道的平均光学厚度分别为0.588477,0.5342054和0.426214,季平均光学厚度为0.516299。

⑵大气气溶胶光学厚度具有明显的时空变化：

主要是受沙尘天气的影响，以675nm通道为例，最大值为1.503，最小值为0.221,而440nm通道为例，最大值为1.724，最小值为0.27.兰州冬季整层大气气溶胶光学厚度与能见度的呈明显且严格的反相位的趋势。

⑶把区分光学厚度的临界定为AOT（675）=0.65，和AOT（675）＞2.05；

当AOT（675）＜0.65时，水平能见距大于10km,为无沙尘天气;

而当AOT（675）＞0.65时，水平能见距＜10Km，为扬沙浮尘天气，而当AOT（675）＞2.05时，定义为沙尘暴天气。

⑷气溶胶密度越小，地气系统冷却越强而地表冷却越弱，地表温度响应也越显著，当然，此结论不仅与气溶胶的含量大小有关，同时还与气溶胶的垂直分布有很大的关系，需综合考虑。

⑸气溶胶引起的地表辐射强迫的变化会进一步导致气象条件的大改变，当气溶胶含量较多时，在傍晚时刻，温度会出现明显的逆温状态，温度响应最为强烈；

而风速和湿度的响应很小，但可以得到，当气溶胶的含量较多时，风速和湿度随高度的分布变化很小，多呈均匀变化，而在晴好无沙尘天气，风速和湿度随高度的分布多会发生没有规律的很大的变化。

笔者认为，需更多的气象资料来进行研究分析。

参考文献：

[1].尹宏著。

大气辐射学基础【M】。

北京：

气象出版社

[2]申彦波，沈志宝，汪万福。

2001年春季中国北方大气气溶胶光学厚度与沙尘天气【J】2003.22

（2）:

185-190

[3]高庆先，任阵海，李占青，普尔次人。

中国北方沙尘气溶胶时空分布特征及其对地表辐射的影响【J】资源科学，2004.26（5）:

412-427

[4]刘菲，牛生杰。

北方沙尘气溶胶光学厚度和粒子谱的反演【J】南京气象学院学报，29（6）：

442

[5]何立明,王华,阎广建,李小文,朱文娇,王锦地.气溶胶光学厚度与水平气象视距相互转换的经验公式及其应用【J】遥感学报.2003.7（5）:

372-378

[6]罗燕,吴涧,王卫国.利用MODIS．GOCART气溶胶资料研究中国东部地区气溶胶直接辐强迫【J】.热带气象学报.2006.22（6）:

638-647

[7]吴涧，符淙斌，蒋维楣，刘红年，赵润华.东亚地区矿物尘气溶胶直接辐射强迫的初步模拟研究【J】.地球物理学报.2005.48（6）:

1250-1260

[8]李刚，季国良.中国西北地区大气气溶胶散射光学厚度分析【J】高原气象.2001.20（3）:

283-290