宋刘明开题报告.docx

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宋刘明开题报告

学号：

　2010202105　

南京信息工程大学

研究生学位论文开题报告

及论文工作实施计划

所在院（所）

大气物理学院

学科专业

大气物理学与大气环境

研究生

宋刘明

学位级别

硕士

导师

朱彬教授

开题报告日期

2011年12月30日

入学年月

2010.9

南京信息工程大学研究生部

年月日

说明

1、论文开题报告由研究生向院（所）报告后，听取意见并整理成文后填写；

2、论文工作实施计划由指导教师填写；

3、博士生入学后二年左右完成，硕士生在第三学期内完成；

4、本表一式二份，一份交学院，一份交研究生部备案。

一、论文开题报告

论文题目

不同排放情景下平流层臭氧恢复

研究方向

大气化学

题目来源

国家

部委

省

市

厂、矿

自选

有无合同

经费数

√

题目类型

工程技术

应用研究

理论研究

跨学科研究

其它

√

研究目的和意义

过去一般认为气候是大气的平均状态，但从当代大气科学的角度讲气候系统是一个包含大气、海洋、低温圈（海冰，雪被）、陆地表面和生物圈的复杂系统。

可见，研究其后的形成和演变以及预测其未来的状态是一个非常复杂的科学问题。

气候与人类活动密切相关，而人类活动也会影响气候，要适当地评价人类活动对气候的影响及气候变化对社会的影响，必须来考虑一个相当长得时段，当下国内外气象界正集中精力研究从人类开始进入工业化社会的公元1850年至2100年的所谓的“当代气候”［1］地球气候系统的变化,实际上是能量平衡改变的结果,而大气运动的最根本能量来自于太阳辐射,地气系统本身又向外发射红外辐射,长期平均而言,入射和出射辐射达到某种平衡。

但是有一些因子的变化能改变这种平衡从而造成气候变化,这些因子统称为气候强迫因子。

为了表征地气系统诸因子如入射太阳辐射，大气成分及行星表面特性等的改变对全球能量平衡所施加的影响,引入了“辐射强迫”的概念。

其精确的定义为,在保持地面和对流层温度不变的前提下,使平流层温度调整到辐射平衡后,对流层顶的净辐射通量的变化。

通过对不同成分间辐射强迫的比较,就可以科学地评估气候系统外部各影响因子的相对重要性。

在IPCC第四次报告中提及下面几个结论：

有中等可信度表明，区域气候变化对自然环境和人类环境的其它影响正在出现，虽然由于适应和非气候驱动因子等原因，许多影响尚难以辨别。

这些包括温度增加对以下方面的影响：

对北半球较高纬度地区农业和林业管理的影响，如：

农作物春播提前，以及由于林火和虫害造成森林干扰体系变更；对人类健康的某些方面的影响，如：

欧洲与热浪相关的死亡率、某些地区的传染病传播媒介的变化，以及北半球中高纬度地区的花粉过敏；对北极地区某些人类活动（如冰雪上的狩猎和旅行）的影响，以及对低海拔高山地区的某些人类活动（如山地运动）的影响。

由于各温室气体辐射特性和大气中生命周期各不相同，对全球气候系统产生的暖化影响也存在差异.IPCC以一定时期内（通常为100年）CO2辐射强迫为依据标准化换算和表现不同温室气体对变暖的影响程度，称为全球增温潜势（GWP）。

2007年IPCC最新发表的第四次评估报告对常见的温室气体增温潜势如下:

CO2为1，CH4为25，N2O为298。

近年来，中国区域排放的BC/OC已引起国内外科学家的极大关注Streets等[2-4]认为中国的碳气溶胶的排放量是全球第一；Jacobson[5,6]的研究明确指出限制中国及东南亚国家BC及有机物的排放是当前减缓全球气候变暖的最有效途径之一；由于BC表面具有较好的吸附活性，在大气中输送时容易捕获而其污染物（如硫酸盐），BC由憎水性向亲水性转化，形成云凝结核，从而对云的形成和为物理结构产生影响。

BC颗粒的表面活性可以影响SO2，NOx，O3和其他气态化合物的均相（意思）和非均相化学反应[7],对对流层及低层平流层臭氧的非均相转化消耗有重要的贡献，对全球气候变化起到重要的作用，成为气候预测中最不确定的因子之一。

[8,9]

矿物燃烧同时排放出CO2和SO2,而减少CO2和SO2的排放量会产生两种相反的结果。

由于碳循环和气候系统对变化的响应很慢,因此CO2引起的变暖作用要延续几十年的时间。

相反,由于硫酸盐在大气层中存在时间很短,所以减少SO2的排放很快就会使致冷作用终止。

因此,减少矿物燃料使用所引起的结果可能是最初使气候变暖,特别是工业[10,11]革命以来,由于人类活动的加剧使得大气中温室气体如CO2、CH4、NOx及的浓度显著增加,造成全球气候增暖。

与此同时,在人类活动的影响下,许多地区人为的硫排放也在快速地增长,结果导致大气中气溶胶浓度大幅度增加,目前全球大气中气溶胶浓度已明显高于工业革命前的水平。

高浓度的气溶胶,一方面直接散射和吸收太阳辐射,从而改变地气系统的能量平衡,直接影响气候另一方面以云凝结（CCN）的形式改变云的光学特性和生命期,从而间接影响气候。

徐群[12]指出我国夏季“南涝北旱”的原因是工业化排放的硫酸盐气溶胶显著地减少了太阳辐射，陆地气温降低，使海陆温差减小，夏季风偏弱，进而导致我国夏季雨带位置偏南。

尽管如此,由于气候系统本身的复杂性,影响温度变化的因素很多[13-15],所以作这类推测还是需要十分谨慎的。

越来越多的研究表明,随着社会经济的飞速发展,人类活动对地球气候系统的影响越来越大。

当前,温室气体和气溶胶的辐射强迫特征研究已经成为气候变化研究的热点科学问题之一。

国内外研究进展

发展气候模式的目的是研究气候形成的机理,影响气候变化的物理因子,从而达到预测气候变化的目的。

这就要求气候模式能较准确地模拟当前的气候状况。

为了理解气候模式中尚存的问题,必须不断将模拟的结果与观测进行比较,从而找出模式存在的系统偏差。

国内外对未来气候进行数值预测过程中包含了很大的不确定性,这主要可以归结为气候模式本身、温室气体排放量估算的不确定性、以及气候资料的不足等.然而,当前气候模式有能力给出比较科学的关于未来气候变化的模拟结果,多模式的集合预测结果也被证明更加可信[16]基于此，姜大膀，王会军等[17],利用国际上7个气候模式针对未来全球变暖的数值模拟,分析在SRESA2和B2温室气体排放情景下,中国大陆21世纪表面气温和降水的变化特征,以期初步研究东亚区域气候的未来变化趋势.研究揭示:

夏季,季节平均表面气温呈不断升高的趋势,最大升温区位于欧亚大陆中心,北美大陆、南美大陆、格陵兰地区、非洲南部和澳大利亚均出现了以大陆为中心的区域性升温大值区.此外,A2情景下的升温幅度分布状况与B2情景总体上保持一致.冬季平均表面气温随时间的推移而大幅度增暖,升温幅度总体上从两极向赤道逐渐递减,且北半球的增温幅度要超过南半球。

如此大的升温幅度值得警惕,因为如果未来全球气候出现此种变化,则北半球寒冷的冬季气候将极大减弱,并代之以温和的副热带温和性气候.在此升温背景下,两极地区大范围冰盖的面积及其厚度也将大大缩小,冰盖释放出的淡水将进入全球大洋系统,并最终导致大洋环流发生巨大的变化,从而在相当长的一段时间里影响全球气候系统.届时,全球陆地生态系统也必将发生大规模的变化,而海平面的上升则无疑会给人类带来严重的灾难.进一步分析表明,我国大陆的升温幅度在各个时期通常处于全球平均水平,东北地区的升温幅度则较大陆其余地区明显偏高,这也暗示了温室气体持续增加下东北地区的暖冬气候事件将不断加剧,从而对该地区人民的生产、生活乃至生存环境产生重大影响.在21世纪前50年,温室气体含量的增加除在一定程度上会增加青藏高原大部分夏季降水量外,不会对中国大陆其余地区的年、季节平均降水量产生较大影响;但持续的温室气体含量增加将最终导致大陆降水量几乎是全域性的增加。

尽管仍存在一定程度的不确定性,但当前气候模式已经能对东亚区域气候的大尺度分布特征有较为合理的模拟能力,因此,SRESA2和B2温室气体排放情景下多个模式的集成预测结果值得关注。

王喜红等[18]利用区域气候模式对东亚地区人为硫酸盐的直接辐射强迫及其温度响应进行了数值研究。

结果表明:

人为硫酸盐直接辐射强迫具有明显的季节变化和地理分布特征，辐射强迫的这种变化特征不仅强烈地依赖于硫酸盐柱含量的季节变化和地理分布，而且取决于云录季节变化和地理分布

（2）就年平均而言，由于硫酸盐辐射强迫的影响，模拟区域内大部分地区普遍降温。

降温比较明显的区域位于110oE以东、40oN以南的中国大陆地区，超过-0.1℃其中华北平原和长江中游的湖南、湖北形成两个降温大值中心，幅度超过-0.2℃.（3）地面温度响应呈现出明显的区域季节变化特征。

冬春季节，温度响应与辐射强迫之间满足较好的对应关系;夏秋季节，二一者呈现出复杂的非线性关系

黄燕等[19]利用区域耦合的气候-化学-气溶胶模式，评估各种气溶胶对区域降水的直接和间接影响。

模拟结果表明，模拟的直接效应和第一间接效应会减少太阳辐射，进而降低地面温度，大气稳定度增加，降水被抑制；第二间接效应产生的负太阳辐射强迫和正长波辐射强迫，由于抵消作用，地面温度不会变化太多，也使降水减少。

第二间接效应的影响最大，它能使秋冬季降水减少约3%～10%，而气溶胶的半直接效应对降水的影响相对较小。

观测表明，秋冬季中国多数地区降水呈减少趋势，这与模式模拟的降水变化趋势基本的地理位置是一致的。

Giorgi[20]等通过模式模拟研究发现，间接气溶胶效应与直接气溶胶效应具有相同的地面气候效应，均能抑制降水，但只有直接强迫，抑制作用不明显，加入间接强迫，会加强前者，这种加强作用在某些地区很明显。

气溶胶的直接强迫在冬季更强，而间接强迫在多云的暖季节更强。

吉振明等[21]使用一个耦合入化学过程的区域气候模式（RegCM3）,在NCAR/NCEP再分析资料驱动下,通过多年时间尺度的连续积分,进行了亚洲区域气溶胶硫酸盐、黑碳和有机碳的时空分布及其直接气候效应的数值模拟。

首先在对模式所模拟的气候场和气溶胶分布进行检验的基础上,分析了气溶胶对中国气候可能产生的影响。

结果表明:

（1）模式能够较好地模拟中国地区气候,对气溶胶的分布具有一定模拟能力,但也存在许多需要改进的地方3种气溶胶柱含量的分布随季节不同有所变化,一般来说都是夏季浓度高于冬季,冬季北方浓度小于南方,其中以硫酸盐气溶胶分布的季节变化最大。

四川盆地全年都为气溶胶柱含量的高值区。

3种气溶胶综合引起了大气层顶和地面短波的负辐射强迫,辐射强迫的分布和季节变化与气溶胶的柱含量表现出一定的对应关系,地面的辐射强迫数值大于大气层顶。

（2）气溶胶引起地面气温下降。

其中,冬季气温的下降与气溶胶浓度分布有密切关系,降温主要出现在南方,但夏季气温的变化则与气溶胶浓度分布的关系不大,降温中心位于河套地区,数值可以达0.5℃以上。

气溶胶对冬、夏季中国东部降水,总体来说均产生一定的减少作用,减少的幅度一般在5%～10%之间需要指出的是,到目前为止,对气溶胶及其气候效应的模拟仍是十分复杂的问题,存在许多不确定性,特别是在对气温和降水影响的模拟上。

本文模拟得到的气溶胶分布与观测结果（AOD）相差较大,尤其是华北地区气溶胶模拟结果明显偏低,从而在较大程度上影响了模拟结果的可信性程度。

上述偏差产生的原因,主要包括模式对气候场本身和对气溶胶分布模拟的误差两个方面,此外排放源可能也是误差来源之一。

中国地区自1980年代以来开始开展气溶胶方面的观测,取得了很多数据和分析结果。

但总体来说气溶胶的观测还存在站点较少、空间分布不够均匀和资料比较分散等问题,在时间方面的连续性也不够,大多针对于个别过程或较短时间尺度[22],从而较难将这些资料使用于气候学意义上多年模式结果检验。

未来还需要通过模式及气溶胶过程的改进以及包括气溶胶间接气候效应的引入,中国地区排放清单的更合理应用①,系统性观测资料的搜集及在模式检验中的应用,更长时间的积分和统计显著性分析等多方面的工作,得到气溶胶对中国气候影响的更可靠结果。

目前,不同气候模式及模式的不同版本所给出的气候效应差异较大,反映了气溶胶模拟中的不确定性,特别是在气温和降水方面。

未来需要开展如大气和耦合模式所进行的AMIP、CMIP类比较试验[23-24],如进行多个区域气候模式在相同的区域、时段、侧边界场、排放源等条件下运行,并对结果进行比较,以更深入地了解气溶胶效应及其不确定性。

气候变化的成因,有自然变率和人类活动两个方面,其中人类活动影响气候的因素,包括温室气体[25]、土地利用[26]、气溶胶强迫等,未来需要更多的数值试验和模拟,以考察它们各自和综合的作用,从而更好地理解中国地区以及其代表的东亚地区当代气候及其变化的成因。

注：

本页栏目内容填写可另加附页

审查情况记录（博士审查小组成员应为5-7人；硕士审查小组成员应为3-5人）：

1、审查小组意见：

2、投票结果：

审查小组出席人

通过人

不通过人

3、审查小组组长（签名）

审查小组成员（签名）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

4、审查时间年月日

指导教师对开题报告的综合意见：

指导教师（签名）

年月日

二、论文工作实施计划

（一）论文的理论、硬件要求、应达到的程度和结果

1、理论基础：

利用在线大气化学模式WRF/Chem对长江三角洲地区进行数值模拟。

以东亚地区排放源清单为基础，写出更加详细的长三角地区的排放源。

模拟出气体污染物在长三角地区的时空分布以及输送特征，并模拟长三角地区与周边地区污染对彼此之间的相互影响。

2、硬件要求：

可以运行中尺度模式模拟的大型计算机。

3、应达到的程度和效果：

模拟出气体污染物（O3、CO、NOX、SO2和VOCS）在长三角地区的时空分布特征，以及长三角地区和周边地区污染气体输送的特点，特别是长三角地区气体污染物对黄山地区输送所产生的影响。

（二）论文工作的具体进度与安排

起讫日期

工作内容和要求

备注

2010.9-2010.12

阅读相关文献，完成开题报告

2011.3-2011.5

外场观测，获取相关气体的观测数据，并完成观测数据的初步处理

2011.6-2011.8

建立排放源

2011.9-2011.10

结合排放源进行数值模拟

2011.11-2011.12

模拟气体污染物在长三角地区的时空分布

2012.1-2012.3

模拟气体污染物的输送特征以及长三角地区与周围地区污染物相互作用的特点

2012.4-2012.5

撰写并完成毕业论文

院（所）意见：

院（所）负责人（签名）

年月日

研究生部意见：

负责人（签名）

年月日