沙塵氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射能量強(qiáng)烈的吸收作用,不僅會(huì)改變地表能量平衡,而且還會(huì)通過(guò)改變大氣的輻射加熱結(jié)構(gòu),加速大氣低層水汽和云的蒸發(fā),從而抑制和減弱局域降水。因此研究西北地區(qū)氣溶膠的輻射強(qiáng)迫作用,對(duì)了解沙塵氣溶膠對(duì)這一區(qū)域大氣能量平衡和水份循環(huán)的影響,特別是對(duì)西北地區(qū)干旱的影響,有著重要意義。本論文利用CERES、MODIS和CALIPSO等衛(wèi)星遙感資料及地面觀測(cè)資料,借助于輻射傳輸模式,著重詳細(xì)研究了沙塵氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫效應(yīng),定量計(jì)算了沙塵的直接輻射強(qiáng)迫值及其對(duì)大氣輻射加熱率的影響;初步揭示了沙塵與云的相互作用對(duì)輻射能量平衡的影響,并在此基礎(chǔ)上提出了分離沙塵氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫效應(yīng)與間接／半直接綜合輻射強(qiáng)迫效應(yīng)的方法。 西北沙塵氣溶膠一直缺乏詳細(xì)可靠的光學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù),區(qū)域輻射強(qiáng)迫的計(jì)算存在著很大的不確定性。本論文首次利用2008年中美聯(lián)合觀測(cè)的張掖站數(shù)據(jù)反演得到的沙塵粒子的光學(xué)特性,特別是單次散射反照率,計(jì)算了西北地區(qū)的輻射強(qiáng)迫。利用輻射閉合試驗(yàn)驗(yàn)證了反演的沙塵粒子參數(shù)的可靠性,在試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上計(jì)算了沙塵氣溶膠在大氣層頂和地表的日平均輻射強(qiáng)迫值。結(jié)果表明雖然沙塵氣溶膠在大氣層頂?shù)妮椛鋸?qiáng)迫值都接近于零,但是在地表卻表現(xiàn)出很大的負(fù)的輻射強(qiáng)迫值,這種地表與大氣層頂很大的差值說(shuō)明,大氣中的沙塵氣溶膠有效阻擋了太陽(yáng)光到達(dá)地表,增加了大氣中太陽(yáng)短波的吸收,這勢(shì)必會(huì)影響大氣的垂直溫度分布,對(duì)大氣層結(jié)的穩(wěn)定和水分循環(huán)產(chǎn)生影響。 氣溶膠的垂直廓線對(duì)大氣加熱率和輻射強(qiáng)迫的的計(jì)算至關(guān)重要,但由于觀測(cè)手段的限制,區(qū)域和全球尺度上的氣溶膠垂直廓線的問(wèn)題一直沒(méi)有解決。本論文利用最新發(fā)射的CAPLISO衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到了塔克拉瑪干地區(qū)沙塵氣溶膠的垂直廓線,并輸入Fu-liou模式,計(jì)算了沙塵輻射強(qiáng)迫值及加熱率的垂直分布。結(jié)果表明由于沙塵的強(qiáng)吸收性,使得很大一部分太陽(yáng)輻射被吸收留在了大氣中,從而進(jìn)一步加熱大氣。在強(qiáng)沙塵出現(xiàn)時(shí),伴隨著沙塵過(guò)程的加強(qiáng)發(fā)展,沙塵層大氣的加熱率可以從1K day-1,2Kday-1增加到3K day-1,甚至沙塵最強(qiáng)時(shí)可以達(dá)到5.5Kday-1。這項(xiàng)工作首次定量評(píng)估了在塔克拉瑪干沙漠中強(qiáng)沙塵暴發(fā)生時(shí),沙塵層對(duì)大氣的加熱作用。 本文還通過(guò)分析4年的CERES衛(wèi)星資料比較了純?cè)茀^(qū)(CLD)和被沙塵污染過(guò)的云區(qū)(COD)云微物理特性和輻射強(qiáng)迫的變化,再次證實(shí)了當(dāng)云下有沙塵出現(xiàn)時(shí),沙塵粒子對(duì)云光學(xué)特性有顯著的改變；并發(fā)現(xiàn)沙塵的存在會(huì)明顯減弱云在大氣層頂?shù)睦鋮s效應(yīng),云冷卻效應(yīng)的減弱可認(rèn)為是由于沙塵增暖作用抵消的結(jié)果。而沙塵在TOA處的這種增暖效應(yīng),不僅包括直接效應(yīng)也包含了由云物理特性改變所引起的間接和半直接效應(yīng),但是無(wú)法只利用衛(wèi)星資料將直接效應(yīng)和其他兩種效應(yīng)分開(kāi)。本文首次提出了一種將衛(wèi)星資料分析結(jié)果與模式模擬結(jié)果相結(jié)合來(lái)分離直接與間接效應(yīng)的新方法,來(lái)達(dá)到這一目的。利用此種方法估算的在TOA處沙塵短波瞬時(shí)直接輻射強(qiáng)迫值為22.7 Wm-2,間接與半直接輻射強(qiáng)迫和為82.2Wm-2,分別占總輻射效應(yīng)的21.6%和78.4%。該方法的提出為定量研究云與氣溶膠的相互作用提供了一個(gè)新的思路。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2010
【中圖分類】：X513
【部分圖文】：

第一章緒論膠的輻射強(qiáng)迫值的誤差范圍最大，無(wú)論直接效應(yīng)還是間接效應(yīng)，特別是間接效應(yīng)，在所有因子中都是最不確定的，是造成估算人為凈輻射強(qiáng)迫時(shí)誤差較大的原因。這表明，目前氣溶膠以及與云相互作用的各種研究結(jié)果差別很大，氣溶膠對(duì)氣候系統(tǒng)的影響至今還處于很低科學(xué)認(rèn)知水平。如要減小氣溶膠輻射強(qiáng)迫的不確定性，就必須解決以下兩個(gè)問(wèn)題:1.各種關(guān)鍵氣溶膠的時(shí)空分布及光學(xué)性質(zhì)。2.各種相互作用強(qiáng)迫機(jī)制(Penne:etal.，1994)。圖1.2列出了大氣種4中關(guān)鍵的氣溶膠的來(lái)源，及其不同的強(qiáng)迫機(jī)制。

0.75 0.65一0.881.2.2氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫的研究現(xiàn)狀如圖1.2所描述，氣溶膠間接效應(yīng)通常分為兩類:由于氣溶膠粒子增加，在水汽含量一定時(shí)，使云滴增加而云滴粒子減小的作用，稱之為第一類間接效應(yīng)(Twomey， 1974);在低層大氣中，水汽凝結(jié)在懸浮在空氣中的氣溶膠粒子上，就形成了云滴。所以，氣溶膠粒子(云凝結(jié)核CNN)的濃度、大小以及吸濕性都會(huì)對(duì)云滴的濃度和大小有直接影響。這些影響進(jìn)一步改變?cè)频亩滩ㄝ椛湫?yīng)。特別應(yīng)指出，當(dāng)增大凝結(jié)核的濃度時(shí)，云滴的濃度會(huì)隨之增大，從而增大了云的短波反照率 (Twomeyetal.

尸邢(cos仍=1一92(l+擴(kuò)一Zgcos仍’‘’ (3.1)(l+g)/2代表了前向能量的分布。在圖3.1中，當(dāng)橫坐標(biāo)e=0。時(shí)，代表前向;e=士180’時(shí)，代表后向。從圖中可以看出，當(dāng)g增大時(shí)，進(jìn)入前向的能量增加，當(dāng)g等于1時(shí)，則完全為前向散射;當(dāng)g二O時(shí)則散射成對(duì)稱分布，如瑞利散射。一般g的取值范圍在0.5到0.8之間。在本次試驗(yàn)中，g在500nm波段的基準(zhǔn)值為0.69。與SSA的取值一樣

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