利用激光雷達和黑碳儀觀測資料模擬研究氣溶膠輻射效應與影響.pdf

1、利用黑碳儀(Aethalometer(TM))觀測資料，反演得到蘭州遠郊區(qū)榆中地區(qū)氣溶膠吸收系數，結合激光雷達(CAML(TM) CE-370-2)觀測反演得到的氣溶膠消光系數，確定榆中地區(qū)實時的氣溶膠光學特征參數；利用WRF模式嵌套一個1.5階閉合的三維邊界層模式，通過提供初始場和大范圍背景流場特征，提高了邊界層模式的模擬能力；同時改進了以LOWTRAN 7為主要框架的輻射傳輸模式。進而發(fā)展了一套模擬復雜下墊面邊界層大氣氣溶膠輻射效應

2、及其氣象場響應的綜合數值模式。 (1)利用黑碳儀(Aethalometer(TM))觀測了蘭州遠郊區(qū)榆中地區(qū)的黑碳濃度，分析表明，大氣中的黑碳濃度受天氣變化影響較大，受人類活動影響很明顯，呈現出典型的日變化、周變化和季節(jié)性變化特征。日變化特征為，黑碳濃度呈雙峰型分布，峰值分別出現在08:00～10:00和18:00～21:00，這與局地天氣特征和人為活動有密切的關系。周變化特征為，每周周六、周日為黑碳濃度的低值階段，周一黑碳濃度

3、升高，持續(xù)到周四左右濃度值開始降低。春、夏、秋三個季節(jié)黑碳濃度水平較低，黑碳平均濃度約為1300ng/m3，進入冬季采暖期后，黑碳濃度顯著升高，平均濃度約3000ng/m3。 利用HYSPLIT-4模式對榆中地區(qū)采暖期的氣流來向進行了追溯模擬，得到了采暖期間榆中黑碳氣溶膠的大致來源。榆中地區(qū)的黑碳以本地源為主，受周邊城市、縣城的影響，在進入冬季采暖期之后，由采暖導致的黑碳排放成為榆中黑碳的主要來源。 首次利用榆中地區(qū)的黑

4、碳濃度資料對吸收系數進行了反演，對榆中地區(qū)的地面直接輻射通量進行了計算。結果表明，采暖造成的黑碳排放顯著降低了到達地面的直接輻射通量。平均來說，采暖期間(11月～3月)與4月份相比，地面直接輻射通量減少了約128W/m2，其中正午時分減少最多，達154W/m2。 對2007年3月份一次沙塵暴過程的觀測結果分析表明，沙塵期間，黑碳濃度比平時濃度高了近4倍。 (2)分析了激光雷達(CAML(TM)CE-370-2)觀測資料，

5、對榆中地區(qū)的消光系數進行了個例反演。結果表明，本文所采用的方法對氣溶膠含量較少時的大氣消光系數反演較好，當天空出現低云或氣溶膠濃度過高時，則會出現消光系數截斷的現象。通過對比激光雷達反演的光學厚度與L97光度計反演得到的光學厚度值，二者平均相對誤差為15.54％，平均絕對誤差為0.0629，表明激光雷達的反演結果可以較好反映出大氣氣溶膠的光學特征。 對2007年3月份一次沙塵暴過程的觀測結果分析表明，激光雷達觀測數據能夠較好的反

6、映出沙塵氣溶膠濃度垂直方向分布變化特征。 (3)利用WRF模式在典型日天氣晴好條件下，對榆中地區(qū)邊界層大氣進行了模擬分析，通過多種方案的比較得到一個適合榆中地區(qū)的參數化微物理方案。對3月份一次沙塵暴期間榆中地區(qū)邊界層氣象場的模擬表明，WRF模式在比較強烈的天氣條件下模擬能力有所下降。 (4)改進了以LOWTRAN 7為主要框架輻射傳輸模式的氣溶膠方案，通過采用輸入本地吸收系數、消光系數的方法，能夠更客觀地反映出榆中地區(qū)氣

7、溶膠的吸收、散射特性，使得計算結果更加貼近實際情況。 (5)改進了原有的邊界層模式，利用WRF的模擬結果為該邊界層模式提供初始場和調整場，大大提高了邊界層模式的模擬能力。結合LOWTRAN7模式，對2007年4月17目的氣溶膠輻射效應進行了模擬，結果表明，氣溶膠對夜間邊界層大氣具有降溫作用，01:00低層大氣溫度平均降低約0.23K；而白天對邊界層大氣則有增溫作用，13:00低層大氣溫度平均升高約0.3K。 (6)利用本

8、文的氣溶膠輻射效應與氣象場響應的綜合模式，對3月份一次沙塵暴過程的沙塵輻射效應進行了模擬。結果表明，沙塵氣溶膠在夜間表現為冷卻效應，01:00低層大氣溫度平均降低約0.4K，而白天沙塵氣溶膠則表現出增溫效應，13:00低層大氣溫度平均增高約0.39K.；在改變大氣溫度的同時，對風場也有調整，01:00低層大氣風速平均降低0.56m/s，而在13:00，低層大氣風速平均增大0.57m/s。 本文發(fā)展的邊界層大氣氣溶膠輻射效應及其氣