火是地球系統(tǒng)的重要組成部分,對生態(tài)系統(tǒng)、經濟活動和社會生活具有深遠影響。了解火活動在地球系統(tǒng)中扮演的角色,包括火的分布特征、演變規(guī)律和影響效應,對合理有效地利用、管理和防治火活動具有重要意義。已有的研究表明,火排放氣溶膠在長時間尺度(1年)和短時間尺度均具有顯著的輻射效應。然而,現(xiàn)有的關于輻射效應的模式評估存在很大的不確定性。這一方面是由于火排放資料和模式模擬能力的影響。另一方面,從模式結果中提取與火排放氣溶膠有關的信號也具有不確定性。由于氣溶膠和云的生命周期以及氣溶膠—云相互作用受到大氣自然變率的影響,模擬自然變率所產生的內部噪聲會干擾從模式結果中提取與氣溶膠變化有關的信號。因此,現(xiàn)有的模式研究在評估火排放氣溶膠的云輻射效應時,大多需要進行長時間(多年)模擬,通過多年平均來削弱噪聲的影響。火排放氣溶膠在短時間尺度云輻射效應的研究則大多依賴于觀測。與模式研究相比,觀測分析雖然能夠評估云輻射效應的強度,卻難以分析火排放氣溶膠—云相互作用的具體過程。本文的工作分別從火活動的時空分布特征和短時間尺度有效輻射效應的角度,對北美地區(qū)的火活動展開深入研究。這里我們提出一種評估火排放氣溶膠在短時間尺度有效輻射效應的方法,即牛頓松弛(又稱nudging)和集合模擬相結合的方法。為了考慮由火排放資料帶來的不確定性,文中使用三套不同的火排放資料驅動模式。主要結論如下:(1)由于降水的影響,墨西哥南部地區(qū)2003-2014期間春季火活動高峰期的火排放量具有準兩年的年際變化特征。而在短時間尺度,降水與火排放量之間的相互作用構成正反饋過程,加強火排放量異常。本文基于觀測資料發(fā)現(xiàn)2003-2014期間墨西哥南部地區(qū)春季4-5月的火排放量具有準兩年的年際變率。相同的年際變化特征在多套火排放資料和氣溶膠數據中得以驗證。對不同影響因子的分析結果表明,降水也同樣具有準兩年的年際變率,并與火排放量呈負相關關系。在任意一年,降水減少會增加火活動發(fā)生的頻率,從而導致更多的火排放量。反之亦然。在短時間尺度,降水與火排放量存在雙向的相互作用。降水對火活動的影響通�？沙掷m(xù)20天左右,而火排放量則通過快速調整過程影響降水,通常持續(xù)3-5天。當火排放量(作為對降水減少的響應)增加時,會通過氣溶膠的間接效應進一步抑制降水。因此,在短時間尺度降水-火之間的相互作用構成一個正反饋循環(huán)過程,使得火排放量異常的幅度增加。(2)使用強度合理的火排放資料,模式能夠較好地模擬火排放氣溶膠垂直積分的性質,但氣溶膠在垂直方向的分布特征受到火排放高度的影響。模式評估的結果表明,本文使用的三套火排放資料中,QFEDv2.4具有最合理的火排放強度。使用該資料模擬得到的氣溶膠光學厚度(AOD),無論是時間變化特征還是強度,均與AERONET站點資料相一致。此外,在火活動下游地區(qū)使用QFEDv2.4火排放資料的試驗得到的氣溶膠濃度也與觀測資料最為接近。然而,在火活動源區(qū)該試驗的結果卻表現(xiàn)為明顯高估。這是由于QFEDv2.4火排放資料采用CAM5標準的火排放高度,最大的火排放量分布在模式最低層,往上層則大幅度減少。因此在模式最低層取樣與觀測比較時,會導致模式結果的高估。(3)盡管nudging風場可以很好地約束氣溶膠的分布,但云的性質以及云對氣溶膠變化的響應,仍對氣象場的微小擾動十分敏感。需將nudging風場與包含9個以上成員的集合模擬試驗相結合,才能有效地評估火排放氣溶膠在短時間尺度的云輻射效應。集合模擬試驗的結果表明,nudging通過約束大尺度環(huán)流場,可以很好地約束氣溶膠的分布特征。同一組試驗中,不同集合成員得到的AOD十分相近。然而即便如此,各集合成員得到的云輻射強迫卻仍有很大的差別。這意味著在nudging風場的前提下,氣象場的微小擾動仍會給云的性質以及云對氣溶膠變化的響應帶來很大的影響,使得評估結果具有不確定性。因此僅使用單個成員的結果來評估火排放氣溶膠在短時間尺度的云輻射效應并不可靠。需要將nudging與集合模擬的方法相結合。含有不同成員個數的試驗的比較結果表明,需要將nudging風場與至少9個成員的集合模擬相結合才能有效地約束云輻射效應的不確定性。(4)在美國中部和墨西哥南部地區(qū),火排放氣溶膠可在短時間尺度產生顯著的短波云輻射效應,其強度約為短波直接輻射效應的3倍。其中直接輻射效應受到火排放氣溶膠與云在垂直方向相對位置的影響�；鹋欧艢馊苣z可通過不同機制,包括直接影響云微物理過程和通過環(huán)流反饋影響云微物理過程,分別影響暖云和冰云的性質,并產生符號相反的云輻射效應�；谔岢龅姆椒�,本文分別評估火排放氣溶膠在單日和十天平均的有效輻射效應。4月7日在墨西哥南部陸地區(qū)域與相鄰海洋,雖然火排放氣溶膠濃度相近,但直接輻射效應的符號卻相反。這是由于陸地區(qū)域的黑碳氣溶膠分布在云層上方,因而有更多云反射的太陽輻射被黑碳氣溶膠所吸收,增強了黑碳氣溶膠的吸收作用,產生正的直接輻射效應。而在相鄰的海洋區(qū)域,由于云量較少,吸收增強的機制并不存在,產生負的直接輻射效應。對十天平均的結果來說,美國中部和墨西哥南部地區(qū)區(qū)域平均的短波云輻射效應分別為-0.86Wm-2和-3.02 Wm-2,相應的短波直接輻射效應分別為-0.1 Wm-2和-0.56 Wm-2。在墨西哥南部區(qū)域,顯著的負的云輻射效應覆蓋整個區(qū)域。而在美國中部地區(qū),火排放氣溶膠的短波云輻射效應在南北側符號相反,北側為增暖效應,南側為冷卻效應。兩個區(qū)域負的云輻射效應與火排放氣溶膠引起的暖云的變化有關。火排放氣溶膠作為云凝結核直接影響暖云微物理過程,引起云滴數濃度和液態(tài)水路徑增加,從而產生負的短波云輻射效應;正的云輻射效應則與冰云的變化有關�；鹋欧艢馊苣z會帶來垂直方向向上的速度和水汽輸送減少。通過這一環(huán)流反饋影響冰云,引起冰水路徑和冰晶數濃度的減少,從而產生正的短波云輻射效應。因此,在短時間尺度,火排放氣溶膠可通過不同的機制分別影響暖云和冰云,并產生顯著的符號相反的云輻射效應。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：X513
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 引言
    1.2 火是地球系統(tǒng)的重要組分
        1.2.1 火對大氣化學成分的影響
        1.2.2 火排放氣溶膠的輻射效應和氣候效應
    1.3 火的基本性質
        1.3.1 火活動的分類和時空分布特征
        1.3.2 火活動發(fā)生發(fā)展的影響因子
        1.3.3 火活動在不同時間尺度的變率
    1.4 火排放氣溶膠輻射效應的研究進展
        1.4.1 火排放氣溶膠在不同時間尺度的輻射效應
        1.4.2 火排放氣溶膠輻射效應的不確定性及成因
    1.5 本文的研究內容
    本章參考文獻
第二章 資料和模式簡介
    2.1 火排放數據
        2.1.1 基于自下而上方法的火排放數據
        2.1.2 基于自上而下方法的火排放數據
    2.2 氣溶膠數據
    2.3 植被數據
    2.4 氣象場數據
    2.5 模式簡介
    本章參考文獻
第三章 北美地區(qū)火活動的時空分布特征
    3.1 引言
    3.2 火活動多年平均特征
        3.2.1 火排放總量
        3.2.2 火活動種類
    3.3 美國中部地區(qū)火活動年際變率
    3.4 墨西哥南部地區(qū)火活動年際變率
        3.4.1 年際變率特征的觀測驗證
        3.4.2 年際變率的成因分析
    3.5 不同火排放數據比較
    3.6 本章小結
    本章參考文獻
第四章 評估模式對火排放氣溶膠的模擬能力
    4.1 引言
    4.2 試驗設計和研究方法
        4.2.1 對牛頓松弛方法（Newton Relaxation）的簡單介紹
        4.2.2 試驗設計
    4.3 評估模式對火排放氣溶膠的模擬能力
        4.3.1 模式結果與再分析資料比較
        4.3.2 模式結果與AERONET站點資料比較
        4.3.3 模式結果與IMPROVE資料比較
    4.4 本章小結
    本章參考文獻
第五章 火排放氣溶膠短時間尺度的有效輻射效應
    5.1 引言
    5.2 試驗設計
    5.3 火排放氣溶膠輻射效應的定義和計算方法
    5.4 十天平均的模式結果
        5.4.1 火排放氣溶膠的分布特征
        5.4.2 火排放氣溶膠的輻射效應
    5.5 日平均的模式結果
    5.6 有關試驗設計方法的討論
    5.7 本章小結
    本章參考文獻
第六章 全文總結與討論
    6.1 全文總結
    6.2 本文的創(chuàng)新點
    6.3 討論與展望
致謝
在學期間研究成果

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本文編號：2891922