论文总字数：17194字
目 录
1 引言....................................................3
2 资料与方法..............................................5
2.1 观测仪器...........................................................5
2.2 数据处理...........................................................5
3 步骤分析................................................5
4 结果与讨论..............................................7
4.1 气溶胶数浓度与云滴数浓度之间关系...................................8
4.2 气溶胶数浓度与云滴有效半径之间关系................................10
4.3 气溶胶数浓度与相对离散度之间的关系................................11
4.4 气溶胶与比例系数（β）之间的关系 ...................................13
4.5 离散度效应抵消百分比与液水含量之间的关系..........................14
4.6 考虑离散度效应下的气溶胶间接效应..................................15
5结论....................................................16
参考文献.................................................17
致谢.....................................................19
基于飞机观测资料评估气溶胶间接效应
邓熙茗
，China
Abstract: Based on aircraft observations from May 22 to May 26 and June 11 to June 26,2009 in Oklahoma, we have a relationship between aerosol and cloud droplet microphysical quantities analyzed and use the formula to quantify the indirect effects of aerosols. The results showed that: (1) It is consistent with the Towmey hypothesis that under certain liquid water content, the effective radius of cloud droplets decreases with the increase of the aerosol number concentration, and the cloud droplet concentration increases with the aerosol concentration.(2) The indirect aerosol effect (AIEn) obtained with the concentration of cloud droplets and the aerosol indirect effect (AIEs) obtained with the effective radius of cloud droplets are similar with the increase of liquid water content. However, at the same liquid-water content, there is still a large gap between the two, and this difference is significantly reduced after AIEn takes into account the dispersion effect (DE), which indicates the use of cloud droplet number concentration estimates will result in a greater error. and it can be considered that the dispersion effect is already covered by the method of estimating the aerosol indirect effect using the effective radius of cloud droplets. (3)the fitting index between relative dispersion (ε) and aerosol number concentration shows that when the exponent is less than 0, the ε decreases with the increase of aerosol concentration, the cloud number concentration increases, and the dispersion effect compensates for the indirect effect of aerosol. (4) During this period of time, the percentage of offset effect of the dispersion effect on the aerosol indirect effect is mostly negative, indicating that the dispersion effect compensates for the indirect aerosol effect and increases the indirect aerosol effect.
Key words: Aerosol;Aerosol Indirect Effect;Dispersion Effect
1 引言
大气气溶胶是指悬浮在大气中的固态和液态颗粒的总称，其所具有的气候效应对区域乃至全球气候变化都有着不可忽视的作用[1]。气溶胶的气候效应大体上可分为两类：一是通过自身散射和吸收太阳辐射直接影响气候[2]；二是作为云凝结核(CCN)或冰核(IN)，通过改变云的光学性质等方面，间接对气候系统产生影响，这即为气溶胶的间接效应。气溶胶的间接效应包括气溶胶第一间接效应和气溶胶第二间接效应。其中气溶胶第一间接效应是指，在液态水含量一定时，气溶胶浓度的增大将导致云滴有效半径减小、云滴数浓度增大，从而使云反照率增加达到对大气的降温作用，故也被称为云反照率效应[3]；气溶胶第二间接效应是：随着气溶胶浓度的增加使得云滴的体积半径减小，降低了云水转化率，进而增大云的液水含量和生命时间史，增加覆盖率以达到降低大气温度的作用[4][9]。
2001年第三次IPCC报告中曾指出，气溶胶对气候系统的影响具有巨大的不确定性。为了降低这种不确定性，国内外气象学家对气溶胶的气候特性进行了大量的研究。Kristjánsson[5]通过将三种不同的参数方案应用到全球模式中，对结果进行对比后认为，相比于没有加入人为气溶胶的模式，加入后算得的云滴平均半径要更小，液水含量要更大；之后Rothenberg[6]发现全球模式对复杂气团(高污染气团)的模拟比仅含有某种气溶胶的纯净气团存在更大的偏差，且硫酸盐的变化对云滴微物理量的影响较大(主要起降温作用)而黑炭影响较小(主要起增暖作用[9]，这与气溶胶的辐射影响主要为降温作用的结果相一致，说明不同种类的气溶胶与云的相互作用也有所不同。Yoram J. Kaufman et al.[10]提出气溶胶数浓度的增大将抑制云的生长与降水，使得云的光学厚度增加，云覆盖率增大从而改变云辐射强迫的大小。
在研究过程中，有部分气象学家发现仅仅考虑Towmey效应会高估气溶胶对气候系统的降温影响，Liu et al.[8]通过比较计算后证实了这一点，并认为云滴谱离散度(衡量云滴尺度分布离散的参数)的增加会抵消部分Towmey效应的冷却作用，而这一特性并没有被广泛意识到。Xie et al.[7]在将云滴谱离散度加入到估算云水转化率和云滴有效半径的模式中后发现，模式对于短波云辐射强迫的模拟要比传统模式要更好。这说明考虑离散度效应能有效提高模式对于云滴有效半径、云水转化率的估算，进而提高对气溶胶间接辐射强迫的模拟。云滴谱离散度对研究气溶胶间接效应有着极为重要的意义，故离散度效应也将作为本文研究的重点。
目前探究气溶胶与云滴微物理量之间相互作用的方法有两种：一是通过对数据或模式结果进行参数化，从而确定经验关系；另一种则是利用模式模拟结果。但无论是哪一种方法，观测数据都是不可或缺的。目前主流的观测方法有两种：利用机载粒子测量系统（Particle Measurement System，PMS）观测和利用卫星探测[11]。Sekiguchi et al.[12]通过美国国家海洋局和大气管理局高分辨率辐射卫星传感器（NOAA/AVHRR）于1992年2月、4月、6月、10月在北纬60°至南纬60°地区的数据以及地球观测卫星(ADEOS)上的POLDER传感器于1996年—1997年7月在北纬90°至南纬90°的观测资料，对气溶胶-云相互作用进行分析。结果显示，云滴光学厚度和云量都与气溶胶数浓度之间存在正相关关系，而云滴有效半径则与之为负相关关系，且这种关系在海岸线附近尤为明显；对于云顶温度，作者发现，当云滴有效半径大于14um时云顶温度与气溶胶数浓度之间存在明显负相关关系，这意味着云顶温度的升温变化会大大抑制辐射强迫，从而使气溶胶的冷却作用降低甚至出现增温的情况。Remer et al.[13]利用MODIS第五代收集系统，测量气溶胶光学厚度（AOD），发现全球海洋和大陆上空550m处对应的平均AOD分别在0.13和0.19以上，且当云量达到80%时反演出的AOD是全球平均AOD大小的2倍。Wall et al.[14]利用MODIS得到的数据作为气溶胶数浓度背景参考值与TRMM 10年和CloudSat 5年来对非洲、亚马逊、大西洋、北美季风区数据进行对比来探究气溶胶对对流云的影响，发现当云内冰晶不断生成且加剧时，气溶胶将会促进降水，增大对流强度，增加云高及云内液水含量，但由于气溶胶高值区对应湿度等环境因素不同，导致了北美季风区出现了与非洲及亚马逊地区相反，即气溶胶浓度越大，对流云的对流强度越小的现象。这说明如何将气溶胶与环境因素的影响分开对研究气溶胶-对流云相互作用十分必要。Li[15]利用HUBC的大气基地探测站2006年—2010年对气溶胶、云参数、大气环境的观测数据，探究气溶胶对云底高度的影响发现，通过抬升凝结高度（LCL）反算云底高度的方法会使结果小于实际观测高度，并进一步得出当LCL一致时，即地表气象要素一致时，气溶胶的增加会使低云云底高度下降的结论。数据观测方法除飞机、卫星观测外还有船舶等，如King et al.[16]通过1992年6月在亚速尔附近进行的大西洋层积云转换实验(ASTEX)中使用船只对云进行的小尺度观测(“船舶航迹”)和对海洋层积云的大规模观测中发现，气溶胶间接效应产生的潜在气候影响（辐射强迫）与温室效应的增温作用之间存在着相互抵消的现象。Coakley Jr[17]将AVHRR装载在轮船上对低云进行观测后认为污染云对可见光的反射要比清洁云要大，这种增大在人为排放气溶胶使得有效半径的变化大于2um时显著加强。在我国，虽然对气溶胶间接效应的研究时间不长，但也取得了很大进展。通过利用河北省2005—2007年秋季不同天气条件下的气溶胶飞机观测数据和宏观天气资料对大气气溶胶的分布进行了分析研究[18]，结果表明，非降水天气下，当风速较小、湿度较低、有逆温或是轻雾和雾霾存在时，气溶胶数浓度一般较大；同时大气湍流也会通过影响气溶胶的输送和扩散对其浓度造成影响；在降水天气下，可以发现降水前与降水后的气溶胶数浓度差异较大，说明降水对大气气溶胶的湿清效果明显。我国还曾利用搭载在TERRA卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）统计分析过2000年8月至2003年4月中国东部地区气溶胶光学厚度的季节分布与变化特征[19]，经统计分析后观察到，人类活动是中国东部气溶胶的主要来源，且可能由于春夏季风期间受到境外影响，在广西、广东雷州半岛气溶胶光学厚度呈现明显的春夏较大秋冬较小的季节变化。
虽然国内外对气溶胶间接效应进行了大量的工作，但根据IPCC第五次气候评估报告，气溶胶全球总有效辐射强迫为-0.9(-1.9—-0.1)W/m2，包括了气溶胶的直接效应与间接效应，但气溶胶-云相互作用产生的辐射强迫仍保持很高的不确定性[20]，研究气溶胶间接效应，理解揭示气溶胶云相互作用对降低不确定性有重要意义。
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