气溶胶的直接辐射强迫与兰州气象条件的影响.docx
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气溶胶的直接辐射强迫与兰州气象条件的影响
气溶胶的直接辐射强迫对兰州气象条件的影响
凌肖露，顾振海，王芝兰，雒佳丽
指导老师：
张镭
（兰州大学大气科学学院，兰州，邮编：
730000）
摘要：
随着沙尘暴的越来越多，沙尘气溶胶对局地天气的影响也越来越大，研究沙尘气溶胶与局地辐射和气象条件之间的关系对天气预报和进一步研究气溶胶都有十分深远的意义。
本项目的目的就是在大量观测基础上，利用统计分析的知识对资料进行分析。
找出兰州地区气溶胶粒子分布与直接辐射强迫的一般规律，从而得出兰州地区气溶胶的直接辐射强迫，并分析其气候响应。
本文通过对来自于兰州大学半干旱气候与环境监测站（Semi-AridClimateandEnvironmentObservatoryofLanzhouUniversity）3、4和5月份的沙尘气溶胶的光学厚度、地面辐射资料和气象条件，包括温、压、湿、风等资料进行研究，挑出有代表性的无沙尘天气，扬沙天气和沙尘暴天气来进行研究对比，分析气溶胶对直接辐射强迫的影响和从而造成的对气象条件的影响。
我们得到沙尘气溶胶主要受沙尘天气的影响，以675nm通道为例，最大值为1.503，最小值为0.221.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，气溶胶的光学厚度越大，水平能见距越小；且定义出AOT（675）＜0.65定义为无沙尘天气，AOT（675）≥2.05时，定义为沙尘暴天气；当气溶胶密度越小，地表冷却越强，地表温度响应越显著；气溶胶同时对风和湿度都会产生影响，但这种影响并不十分明显，笔者认为是应该进一步研究的。
关键词：
气溶胶，辐射强迫，气象条件
引言：
我们所处的地气系统处在一个能量收支近乎平衡的状态中，某种大气环境发生变化或者天文因素的变化，必然会对地面和对流层大气的辐射热量收支产生变化，同时，由于气候的反馈效应，全球气候也会相应地产生变化。
辐射强迫定义为其他因素不变，大气环境或天气因素中某一因素的变化使地球对流层一下辐射收支产生的变化，即全球对流层顶辐射净收入产生的变化，它与对流层的气温变化等各种气象因素都关系密切。
近年来，由于沙尘暴的肆虐及人类向空气中排放的污染物逐渐增多，气溶胶的气候效应逐渐扩大，对气象条件及人类活动产生了比较大的影响。
气溶胶通过对太阳辐射的吸收和散射，使到地面的太阳辐射减少，这是气溶胶的直接辐射效应；同时，陆地上气溶胶数密度越大，云数密度越来越大，产生更大的反射率，从而减少辐射强迫，这是气溶胶的间接影响[1]。
其中影响较大的为沙尘气溶胶。
气溶胶可以通过气溶胶的光学厚度和水平能见度来表征，大气气溶胶光学厚度（AerosolOpticalThick—ness，简称AOT[2]）是气溶胶光学参数之一，是表征大气混浊度和气溶胶含量的一个重要物理量。
理论上，AOT值的大小也可作为表征沙尘天气过程发生与否及强度大小的一个物理量。
沙尘气溶胶的主要来源是沙尘天气，在日常的观测中我们通过水平能见度对沙尘天气进行划分，一般，当水平能见度＜1km时，定义为沙尘暴天气，此时沙尘气溶胶数密度大，浓度高，对气象条件及辐射收支平衡产生的影响较明显；沙尘暴天气过后，多会产生浮尘或者扬沙天气，一般水平能见度＜10km，对辐射收支平衡也会产生一定的影响；而一般，若水平能见度＞10km,可认为是无沙尘天气，其影响较弱。
高庆先等研究表明[3]，沙尘暴天气发生和影响期间，入射太阳辐射和地面散射辐射之间有明显的反相关关系，相关系数达到0.64，在沙尘暴天气发生和影响期间源区总辐射和反射辐射之间的相关关系，相关系数到达0.91，全年相关系数高达0.94。
气溶胶粒子谱分布在不同天气条件下有很大差异，在沙尘暴天气中，粒径0．1—1．0m的大粒子以及粒径大于1．0m的巨粒子数有明显的增加，粒子数浓度要比晴天背景大气大了约一个量级.[4]
总而言之，气溶胶在空气中的分布越来越多，会通过吸收和散射太阳直接辐射，造成地气系统的辐射收支产生变化，进而对局地的气象条件诸如温、压、湿、风产生一定的影响，而这种气象条件又会影响气溶胶粒子的重新分布，对地气系统的辐射和气象条件通过反馈产生进一步的影响。
本文主要研究2007年3月、4月和5月的沙尘气溶胶造成的辐射平衡及收支的影响对兰州市气象条件的影响，分3种情况研究了无沙尘天气、扬沙天气和沙尘暴天气的辐射收支平衡的差异和气象条件的不同，来分析和研究沙尘气溶胶造成的辐射收支及平衡的变化对兰州气象条件的影响。
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
3月
4月
5月
1
28.3
9.8
27.2
0.2700485
.6777826
.2799991
2
888
14.8
13.8
888
.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
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
888
15.7
21.4
888
.4589076
.3490631
10
16.4
22.0
888
.4409709
.3404674
888
11
18.5
7.1
21.6
.3963172
.8711188
.3459063
12
27.4
19.0
18.0
.2783530
.3883401
.4078371
13
888
27.6
30.0
888
.2760713
.2570373
14
888
58.3
1.6
888
.1369391
2.0501290
15
888
12.4
10.4
888
.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
13.7
29.1
31.3
.5148954
.2633918
.2463434
20
28.0
22.9
17.5
.2729465
.3281792
.4158363
21
35.1
9.5
11.7
.2213082
.6927760
.5884760
22
888
22.9
888
888
.3279898
888
23
11.5
888
888
.5938713
888
888
24
13.8
9.0
32.3
.5110448
.7242301
.2390871
25
11.2
10.9
67.2
.5915789
.6227006
.1193893
26
18.5
17.0
18.7
.3968243
.4273268
.3929210
27
31.3
2.7
30.6
.2461740
1.6201310
.2515846
28
3.6
888
38.1
1.3593680
888
.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
7
8
2
7
8
2
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。
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