中國東部氣溶膠在天氣尺度上的輻射強迫和對地面氣溫的影響

廖禮 漏嗣佳 符瑜 常文淵 廖宏

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中國東部氣溶膠在天氣尺度上的輻射強迫和對地面氣溫的影響

廖禮1, 2漏嗣佳1, 2符瑜3常文淵1廖宏1

1中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點實驗室（LAPC），北京100029;2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049;3中國科學(xué)院大氣物理研究所氣候變化研究中心（CCRC），北京100029

本文應(yīng)用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting—Chemistry）模式研究中國東部地區(qū)氣溶膠及其部分組分（硫酸鹽、硝酸鹽和黑碳氣溶膠）在天氣尺度下的輻射強迫和對地面氣溫的影響。5個無明顯降水時間段（2006年8月23～25日、2008年11月10～12日、2008年12月16～18日、2009年1月15～17日和2009年4月27～29日）的模擬顯示，氣溶膠濃度呈現(xiàn)顯著的白天低，夜間高的日變化特征，且北方區(qū)域（29.8°～42.6°N，110.2°～120.3°E）平均PM2.5近地面濃度（40～80 μg m?3）高于南方區(qū)域（22.3°～29.9°N，109.7°～120.2°E，30～47 μg m?3）。氣溶膠對地面2 m溫度（地面氣溫）有明顯的降溫效果，在早上08:00（北京時，下同）和下午17:00左右最為顯著，最高可降低約0.2～1 K，同時氣溶膠的參與改善了模式對地面氣溫的模擬。本文還通過對2006年8月23～25日一次個例的模擬，定量分析了氣溶膠及其部分組分（硫酸鹽、硝酸鹽和黑碳氣溶膠）的總天氣效應(yīng)（直接效應(yīng)+間接效應(yīng)）、直接效應(yīng)和間接效應(yīng)分別對到達地面的短波輻射和地面氣溫的影響。北方區(qū)域平均氣溶膠直接效應(yīng)所造成的短波輻射強迫要高于南方區(qū)域，分別為－11.3 W m?2和－5.8 W m?2，導(dǎo)致地面氣溫分別降低了0.074 K和0.039 K。南方區(qū)域平均氣溶膠間接效應(yīng)所產(chǎn)的短波輻射強迫高于北方區(qū)域，分別為－14.4 W m?2和－12.4 W m?2，引起的地面氣溫的改變分別為－0.094 K和－0.035 K。對于氣溶膠組分，硫酸鹽氣溶膠的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)的作用相當，其總效應(yīng)在北方和南方區(qū)域平均短波輻射強迫分別為－7.0 W m?2和－10.5 W m?2，對地面氣溫的影響為－0.062 K和－0.074 K，而硝酸鹽氣溶膠的作用略小。黑碳氣溶膠使得北方和南方區(qū)域平均到達地表的太陽短波輻射分別減少了6.5 W m?2和5.8 W m?2，而地表氣溫則分別增加了0.053 K和0.017 K，相比于間接效應(yīng)，黑碳氣溶膠的直接效應(yīng)的影響更加顯著。

中國東部 氣溶膠 輻射強迫 地面氣溫

1 引言

氣溶膠通過其直接和間接效應(yīng)影響地氣系統(tǒng)的能量平衡：氣溶膠吸收和散射太陽輻射，從而減少到達地面的太陽輻射，引起地面氣溫的降低，稱為氣溶膠的直接效應(yīng)；氣溶膠還可以形成云凝結(jié)核，從而改變云的輻射特性和生命周期，稱為氣溶膠的間接效應(yīng)。IPCC（2007）指出，氣溶膠直接和間接輻射強迫總作用是減少到達近地面的太陽輻射，形成冷卻效應(yīng)。

目前已有很多應(yīng)用數(shù)值模擬研究氣溶膠通過輻射強迫對氣候的影響。Takemura et al.（2005）應(yīng)用全球三維氣溶膠傳輸輻射模式SPRINTARS（Spectral Radiation-Transport Model for Aerosol Species）模擬了1850和2000年氣溶膠輻射強迫，指出在對流層頂人為氣溶膠全球平均直接和間接輻射強迫分別為－0.1 W m?2和－0.9 W m?2，氣溶膠緩解了約40%由于人為活動產(chǎn)生的溫室氣體所引起的地面空氣溫度的升高。Zhang et al.（2010a）應(yīng)用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting— Chemistry）模式模擬2001年美國大陸地區(qū)氣溶膠的氣候效應(yīng)，并定量分析了氣溶膠分別能夠減少1月和7月的太陽輻射多達9%和16%，進而使得1月和7月地面2 m溫度降低了多達0.16 K和0.37 K。不同種類的氣溶膠由于其散射和吸收特性的不同而引起不同的輻射效應(yīng)，對太陽輻射和地面氣溫的影響也存在差異。硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠屬于散射型氣溶膠，能夠吸收和散射太陽輻射，從而產(chǎn)生降溫效應(yīng)。Giorgi et al.（2002）應(yīng)用RegCM（Regional Climate Model）模式模擬中國四川盆地硫酸鹽氣溶膠表明，1993～1997年間人為硫酸鹽氣溶膠的輻射強迫作用可使地面空氣溫度降低0.1～0.7 K。Li et al.（2009）利用RegCM和TACM（Tropospheric Atmosphere Chemistry Model）相耦合的模式模擬發(fā)現(xiàn)，2003年1月和7月中國地區(qū)人為硝酸鹽氣溶膠在對流層頂?shù)钠骄g接輻射強迫分別為－1.63 W m?2和－2.65 W m?2，尤其在一些區(qū)域甚至達到－10 W m?2，對1月和7月地面空氣溫度分別降低了0.13 K和0.09 K。與硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠（散射性氣溶膠）不同，懸浮于大氣中的黑碳氣溶膠（吸收性氣溶膠）能夠吸收太陽輻射從而有很強的輻射加熱效應(yīng)（Jacobson，2001）。Wang（2004）應(yīng)用CCM3（Community Climate Model version 3）模式研究發(fā)現(xiàn)黑碳氣溶膠對太陽輻射的強烈吸收作用，導(dǎo)致黑碳氣溶膠在大氣頂?shù)?0年全球平均直接輻射強迫為0.16～0.80 W m?2，改變地面空氣溫度 0.09±0.07 K。由以上這些研究可以看出，目前的大多數(shù)相關(guān)研究主要集中在氣候研究方面，進行定量分析研究氣溶膠的輻射效應(yīng)及其對溫度的影響。然而在天氣尺度上，氣溶膠的影響和反饋作用也是十分重要的。

目前氣溶膠對太陽輻射和地面氣溫在天氣尺度上影響的研究相對較少。一些研究中將氣溶膠考慮到天氣預(yù)報模式中評估氣溶膠對天氣預(yù)報的影響。Pérez et al.（2006）在DREAM（Dust Regional Atmospheric Modeling System）模式中加入沙塵的影響，使模式對大氣溫度和平均海表氣壓的預(yù)測有很大的提高。Rodwell and Jung（2008）在歐洲中心中尺度天氣預(yù)報模式ECMWF（European Centre for Medium-range Weather Forecasts）中加入氣溶膠的模擬，結(jié)果顯示加入氣溶膠的模擬能夠改善模式對氣溫等氣象參數(shù)的預(yù)報。此外，Zhang（2008）應(yīng)用WRF-Chem模式研究2000年8月德克薩斯州地區(qū)氣溶膠反饋作用，5天模擬結(jié)果顯示，氣溶膠的存在導(dǎo)致近地面氣溫降低最高達0.18 K。其后續(xù)的研究進一步表明大氣中的PM2.5（大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物）的存在，可減少到達地面的太陽輻射11.2～14.4 W m?2（4.1%～5.6%），從而使近地面氣溫降低0.06～0.14 K（0.2%～0.4%）（Zhang et al., 2010b）。Wang et al.（2009）應(yīng)用SBDART（Santa Barbara Discrete Ordinate Radiative Transfere）模式研究北京地區(qū)在不同天氣狀況下的氣溶膠輻射強迫，即干凈天（2004年10月26日）、灰霾天（2004年10月29日）、霧天（2004年11月30日）和沙塵天（2006年04月17日），近地面PM10濃度分別為：38.1 μg m?3、320.8 μg m?3、229.2 μg m?3和197.7μg m?3，對應(yīng)產(chǎn)生的氣溶膠輻射強迫分別為：－30 W m?2、－76 W m?2、－72 W m?2和－136 W m?2，這也表明了氣溶膠濃度越高，產(chǎn)生的輻射強迫作用更大。從全球來看，中國地區(qū)是氣溶膠濃度高值區(qū)，因此所產(chǎn)生的輻射強迫以及對地面氣溫的影響要高于美國地區(qū)。Zhang et al.（2009）利用WRF-Chem模式模擬2008年1月26～30日的中國南方暴雪過程中黑碳氣溶膠的影響，結(jié)果表明黑碳氣溶膠的沉降降低雪表面反照率，使研究區(qū)域平均地面氣溫最高增加0.033 K。然而以往的氣溶膠在天氣尺度上的輻射強迫和對地面氣溫的影響的研究多集中在對單個時間段個例的研究，對中國東部地區(qū)氣溶膠及其組分的總效應(yīng)、直接效應(yīng)和間接效應(yīng)所產(chǎn)生的輻射強迫及其對溫度的影響缺少全面系統(tǒng)的定量分析。

本文應(yīng)用WRF-Chem模式研究中國東部地區(qū)氣溶膠及其部分組分（硫酸鹽、硝酸鹽和黑碳氣溶膠）在天氣尺度下的輻射強迫和對地面氣溫的影響。通過選取了多個時間段的個例（2006年08月23～25日、2008年11月10～12日、2008年12月16～18日、2009年01月15～17日和2009年04月27～29日）進行研究，從統(tǒng)計的角度進行定量分析，并具體分析其中的一個時間段的個例（2006年8月23～25日）中氣溶膠及其部分組分（硫酸鹽、硝酸鹽和黑碳氣溶膠）的總效應(yīng)、直接效應(yīng)和間接效應(yīng)的輻射強迫和對地面氣溫的影響。本文第二部分介紹模式的設(shè)置及使用數(shù)據(jù)的來源；第三部分簡要介紹了模式試驗的設(shè)計；模式驗證及模擬結(jié)果分析分別在本文的第四和第五部分給出；第六部分為結(jié)論。

2 模式設(shè)置和數(shù)據(jù)

WRF（Weather Research and Forecasting model）模式是NCAR（National Center for Atmospheric Research）及NCEP（National Centers for Environmental Prediction）等研究開發(fā)的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模式及同化系統(tǒng)，加入化學(xué)模塊后，對于大氣化學(xué)方面的研究該模式又有了很大的發(fā)展，并使其能夠更好對于氣象—大氣氣溶膠—輻射傳輸—云之間的反饋作用進行模擬（Grell et al., 2005; Fast et al., 2006; Gustafson et al., 2007; Chapman et al., 2009）。

本文采用WRF-Chem 3.3版本，該版本發(fā)布于2011年4月。模式所選的主要的物理參數(shù)化方案包括以下：改進的Lin et al.（1983）微物理方案， RRTM（The Rapid Radiative Transfer Model）長波輻射方案和Goddard短波輻射方案（Mlawer et al., 1997），YSU（Yonsei University）邊界層方案（Hong et al., 2006），NOAH（National Center for Environmental Prediction，Oregon State University，Air Force，and Hydrologic Research Lab’s）陸面模塊（Chen and Dudhia, 2001; Ek et al., 2003），Grell-Devenyi積云參數(shù)化方案（Grell and Dévényi, 2002）。所選的主要的化學(xué)參數(shù)化方案包括以下：光解率采用Fast-J方案（Wild et al., 2000），氣相化學(xué)反應(yīng)機制采用CBM-Z（Carbon-Bond Mechanism version Z）方案（Zaveri and Peters，1999），氣溶膠模塊采用MOSIC（Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry）方案（Zaveri et al., 2008），MOSIC粒徑分為8個檔（0.039～0.078、0.078～0.156、0.156～0.3125、0.3125～0.625、0.625～1.25、1.25～2.5、2.5～5.0、5.0～10 μm），液相化學(xué)反應(yīng)方案采用Fahey and Pandis（2001）。

本文中WRF-Chem模式模擬區(qū)域覆蓋中國大部分區(qū)域，蒙古、日本、朝鮮半島以及亞洲中部和俄羅斯的部分地區(qū)，中心位于北京附近，采用Lambert投影，模式水平分辨率為60 km×60 km。從10 hPa高度開始模式垂直方向分為30層。初始氣象場和邊界條件都取自于NCEP-FNL（National Centers for Environmental Prediction–Final Analysis）全球分析資料（http://www.cgrer.uiowa.edu/EMISSION_ DATA_new/index_16.html[2013-10-05]），此資料時次間隔為6小時，水平分辨率為1°×1°，使用這些資料可以使得WRF-Chem模式模擬出更加合理和準確的氣象條件。化學(xué)模塊中沒有自帶的排放 源，只有一些背景值，因此在使用模式時要添加模擬需要的排放清單。本文使用David Streets 2006年的亞洲排放源清單INTEX-B（Intercontinental Chemical Transport Experiment-Phase B，http://mic. greenresource. cn/intex-b2006 [2013-10-08]）。該源的分辨率為0.5°×0.5°，包含的物種有黑碳（BC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO）、有機碳（OC）、二氧化硫（SO2）、揮發(fā)性有機物（VOC）。其中，VOC包括烷烴，烯烴、芳香烴等30個物種。氨氣（NH3）排放選用David Streets 2000年亞洲排放清單，分辨率為0.5°×0.5°。VOC的地表植被排放根據(jù)模擬的氣象條件，使用Gunther方案在線計算獲得（Guenther et al., 1993；Guenther et al., 1994），沒有加入海鹽和沙塵排放。表1給出了中國東部和中國區(qū)域排放總量，由表1可見50%以上排放集中在了中國東部地區(qū)。氣溶膠和氣體邊界條件來自于MOZART-4/GEOS-5（Model for Ozone and Related chemical Tracers-4/Goddard Earth Observing System-5）。

表1 中國東部和中國區(qū)域排放源年排放總量

地面氣溫觀測數(shù)據(jù)來自于中國氣象局（http:// www.cma.gov.cn/ [2013-10-10]），該數(shù)據(jù)基于中國的751個觀測站點，為了方便與模擬值對比分析，將觀測數(shù)據(jù)插值成與模式相同的網(wǎng)格，Xu et al. （2009）對插值方法進行了說明和驗證。氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）和單次散射反照率（Single Scattering Albedo，SSA）觀測數(shù)據(jù)都來自于AERONET（Aerosol Robotic Network，http://aeronet.gsfc.nasa.gov/new_web/index.html[2013- 10-12]）。為了更好的定量描述氣溶膠對天氣影響在不同區(qū)域的特征，本文劃分兩個重點區(qū)域：中國北方區(qū)域（29.8°～42.6°N，110.2°～120.3°E）和中國南方區(qū)域（22.3°～29.9°N，109.7°～120.2°E）進行分析研究。本文中日期和時間均為北京時。

3 試驗設(shè)計

表2給出了兩個試驗的試驗設(shè)計。我們選用模式平衡一天之后的結(jié)果來進行分析。試驗1中，選取不同季節(jié)且無明顯降水的5個時段進行模擬分析。每個時間段模擬均包括一個控制實驗（CTRL）和一個無氣溶膠敏感性試驗（NOAER），CTRL減NOAER即可得到氣溶膠對輻射和地面氣溫的影響。通過CTRL和NOAER試驗?zāi)M的地面氣溫分別與觀測值對比，分析氣溶膠對模式模擬地面氣溫的作用。WRF-Chem模式中氣溶膠通過直接和間接效應(yīng)影響天氣。直接效應(yīng)是將氣溶膠光學(xué)厚度計入大氣輻射傳輸模塊，影響對太陽輻射的收支計算（Fast et al., 2006）；間接效應(yīng)是氣溶膠通過激活（活化）過程，形成云凝結(jié)核（Chapman et al., 2009）。因此，設(shè)所研究氣溶膠AOD為0，即關(guān)閉了其直接效應(yīng)，關(guān)閉所研究氣溶膠的激活（活化）過程，即關(guān)閉了其間接效應(yīng)。試驗2中，分別模擬分析2006年8月23～25日期間氣溶膠及其部分組分（硫酸鹽、硝酸鹽和黑碳氣溶膠）的直接效應(yīng)，間接效應(yīng)和總效應(yīng)對輻射和地面氣溫的影響，其中均分別包括一個控制試驗（CTRL）和兩個敏感性試驗（NODIR和NODIRIND）。CTRL減NODIRIND即為所研究氣溶膠的總效應(yīng)，CTRL減NODIR即為直接效應(yīng)，NODIR減NODIRIND即為間接效應(yīng)。

表2 試驗設(shè)計

4 模擬性能分析

此部分選區(qū)多個時段中2006年8月23～25日時段，將模式CTRL模擬試驗的氣象參數(shù)（地面2 m溫度）、氣溶膠濃度和氣溶膠光學(xué)特性與觀測值進行了對比分析，從而對模式模擬性能進行了初步驗證。由于本文中觀測和模擬均采用的是地面2 m溫度，因此一致簡稱為地面氣溫。

4.1 地面氣溫驗證

圖1顯示了模擬和觀測的平均地面氣溫，模式能較好的再現(xiàn)地面氣溫分布。氣溫高值區(qū)主要分布在中國中東部，南方和四川盆地地區(qū)，這些區(qū)域氣溫均達25°C以上。低值區(qū)主要分布在中國東北（10～20°C）以及高原地區(qū)（0～15°C）。模式在黑龍江和華南地區(qū)模擬氣溫偏低（最大差5°C）。分析模擬驅(qū)動氣象場NCEP數(shù)據(jù)顯示，這種模擬氣溫差異與驅(qū)動場誤差有關(guān)。

圖1 2006年8月23～25日（a）模擬和（b）觀測的平均地面氣溫（單位：°C）

圖2 2006年8月23～25日模式模擬的（a）PM2.5、（b）SO42－（硫酸鹽）、（c）NO3（硝酸鹽）和（d）BC（黑碳）平均近地面質(zhì)量濃度（單位：μg m?3）

4.2 氣溶膠濃度驗證

圖2顯示了模擬的細粒子氣溶膠PM2.5、硫酸鹽（SO42－），硝酸鹽（NO3－）和黑碳氣溶膠的地表濃度分布（北方和南方區(qū)域見圖2a紅框）?？傮w上，氣溶膠濃度高值位于中國東部，顯示出華北平原，長江三角洲和四川盆地幾個高值中心。這與當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展快所導(dǎo)致的人為氣溶膠及其前體物的排放總量高有關(guān)。華北地區(qū)PM2.5濃度最高值達70 μg m?3，在川渝、湖南及長江中下游及地區(qū)次之，濃度約為30～50 μg m?3。硫酸鹽氣溶膠的濃度高值區(qū)位于華北和四川東部地區(qū)，約10～14 μg m?3，中國中東部其余地區(qū)約為4～10 μg m?3。硝酸鹽氣溶膠濃度高值位于河北南部、河南和湖北北部，達20～28 μg m?3，在湖南、山東和長江下游次之約8～20 μg m?3。黑碳氣溶膠濃度最低，主要位于河北南部和河南，約8～14 μg m?3，四川地區(qū)次之，約4～6 μg m?3。

表3為模式模擬的PM2.5及其組分：硫酸鹽、硝酸鹽、黑碳、銨鹽（NH4+）和有機碳氣溶膠和臭氧（O3），二氧化硫和二氧化氮（NO2）氣體近地面濃度與文獻搜集所獲得的四個站點的觀測值進行對比。四個站點分別為：榆垡（39°51'N，116°30'E）、興?。?0°24'N，117°30'E）、西安（34°15'N， 108°56'E）、上海（31°13'N，121°28'E）。由表3可以看出，模式模擬的PM2.5及其組分和氣體濃度與觀測值較為吻合，但在西安站點模式模擬的PM2.5和硫酸鹽氣溶膠濃度略低于觀測值，分別低估 了40 μg m?3（33%）和18 μg m?3（56%），這是由于模式模擬中對西安城市地區(qū)排放量的低估所致。

表3 2006年8月23～25日模擬和觀測近地面PM2.5及其組分濃度( SO42－，NO3－，BC，NH4+和OC，單位：μg m?3)和氣體濃度（O3，SO2和NO2，單位：10?9）

注：榆垡、興隆、西安和上海的觀測數(shù)據(jù)分別來自于文獻：Matsui et al.（2009），Wu et al.（2011），Zhang et al.（2011）和Hou et al.（2011）。

4.3 光學(xué)特性驗證

氣溶膠光學(xué)特性的驗證中，模式模擬的AOD和SSA與四個站點的觀測值進行對比，四個站點分別為：榆垡（39°18'N，116°11'E）、太湖（31°25'N，120°12'E）、蘭州（35°56'N，104°08'E）和香港（22°18'N，114°10'E）。模式模擬的AOD與觀 測值的對比如圖3所示，從總體上，模式模擬的AOD在趨勢和量級上與觀測值有較好的吻合，但模擬值均存在不同程度的低估，尤其在蘭州和 香港這兩個城市站點，分別低估了0.15和0.4左右，這可能由于模式模擬的分辨率較高，模式 低估了這兩個城市站點的氣溶膠濃度所造成 的。表4給出了模式模擬的SSA與觀測值的對比，由表4可以看出，模式模擬的SSA略低于觀測值（最大在榆垡站低估了0.21），但總體上吻合較好。

圖3 2006年8月23～25日模擬（紅線）和觀測（黑點）的氣溶膠光學(xué)厚度（AOD，波長：500 nm）

表4 2006年8月23～25日模擬和觀測的單次散射反照率（SSA，波長：500 nm）

5 模擬結(jié)果

5.1 氣溶膠對模式模擬地面氣溫的影響

試驗1中五個不同時間段模式模擬的區(qū)域平均PM2.5近地面質(zhì)量濃度和對地面氣溫的影響如圖4所示，在此我們選用北方區(qū)域和南方區(qū)域進行對照分析。由圖4中可見，PM2.5近地面濃度在南北區(qū)域均有明顯的日變化特征。氣溶膠濃度在夜間由于大氣對流運動減弱逐漸累積，早上06:00～08:00達到最高，隨著日出后太陽輻射逐漸增強，空氣對流活動加強，有利于氣溶膠擴散，氣溶膠濃度逐漸降低，下午17:00左右達到最低。五個時段中，北方區(qū)域的氣溶膠濃度明顯高于南方區(qū)域，PM2.5近地面濃度的高值在北方區(qū)域約為40～80 μg m?3，在南方區(qū)域約為30～47 μg m?3，最高值（80 μg m?3）出現(xiàn)在2009年冬季的模擬中（圖4d），這是由于冬季大氣對流運動較弱造成的。

圖4 模式模擬的北方（實線）和南方（虛線）區(qū)域平均PM2.5近地面質(zhì)量濃度（右坐標軸，黑線，單位：μg m?3）和對地面氣溫的影響（左坐標軸，紅線，單位：K）

在五個時段的模擬中，氣溶膠均對地面氣溫有明顯的降溫效果（個別時間的輕微增溫是由黑碳氣溶膠的加熱作用所致），并且存在明顯的日變化。由于夜間沒有太陽輻射，氣溶膠對夜間氣溫影響較小，其影響主要集中在白天。氣溶膠對地面氣溫影響的第一個高值出現(xiàn)在早上08:00左右，雖然此時太陽輻射并未達到最高，但由于對應(yīng)氣溶膠濃度日變化最高值，因此降溫較為明顯。此后，隨著氣溶膠濃度的降低，對地面氣溫的影響逐漸減小，直至正午12:00左右，隨著太陽輻射達到最高，氣溶膠降溫作用再次增強，并在16:00～18:00左右達到另一個峰值。五個時段的模擬結(jié)果中，氣溶膠最高可使地面氣溫降低約0.2～1 K，降溫效果最強為2009年春季的模擬，氣溶膠使北方區(qū)域平均降溫最高將近1 K（圖4e），雖然此時段的氣溶膠近地面濃度不是最高，但是可能由于此時段中間接效應(yīng)起到了很強的作用，導(dǎo)致降溫劇烈。本文模擬得到的氣溶膠的冷卻作用比Zhang（2008）應(yīng)用WRF-Chem模式了德克薩斯州地區(qū)2000年8月的5天中，氣溶膠使近地面氣溫降低作用（最高0.18 K）更大，這可能的原因在于中國地區(qū)氣溶膠濃度遠高于美國地區(qū)（PM2.5質(zhì)量濃度僅為20 μg m?3），因此其冷卻效果更加顯著。

表5統(tǒng)計了北方和南方區(qū)域模式模擬的有氣溶膠（CTRL）和無氣溶膠（NOAER）的地面氣溫與觀測值的平均絕對誤差和均方根誤差（標準誤差）。由表5可見，在有氣溶膠的地面氣溫的平均絕對誤差和均方根誤差均小于無氣溶膠，因此在有氣溶膠的情況下模擬的地面氣溫更接近于實際觀測，氣溶膠的參與改善了模式對地面氣溫的模擬。

表5 北方（南方）區(qū)域模式模擬的有氣溶膠（CTRL）和無氣溶膠（NOAER）的地面氣溫與觀測值的平均絕對誤差（單位：°C）和均方根誤差（單位：°C）

注：括號為南方區(qū)域。平均絕對誤差：，均方根誤差：，為網(wǎng)格數(shù)量，為網(wǎng)格，f為網(wǎng)格的模擬值，r為網(wǎng)格的觀測值（Talor，2001）。

5.2 氣溶膠及其部分組分的輻射強迫和對地面氣溫的影響

依據(jù)試驗2的模擬結(jié)果，此部分定量分析2006年8月23～25日期間氣溶膠及其部分組分（SO42－、NO3－和BC）的總效應(yīng)、直接效應(yīng)和間接效應(yīng)分別對到達地面短波輻射和地面氣溫的影響。

圖5給出了北方和南方區(qū)域平均PM2.5及其部分組分（SO42－、NO3－和BC）近地面質(zhì)量濃度日變化特征。整體上看，北方區(qū)域PM2.5，SO42－，NO3－和BC的近地面質(zhì)量濃度均大于南方區(qū)域。但北方區(qū)域和南方區(qū)域PM2.5濃度均呈現(xiàn)出明顯的日變化特征，在早上07時左右達到最高值，北方區(qū)域和南方區(qū)域PM2.5濃度分別約為51 μg m?3和25 μg m?3；在傍晚17時左右濃度達到最低，分別約為23 μg m?3和16 μg m?3。硫酸鹽氣溶膠主要通過SO2氧化生成，但其濃度沒有明顯的日變化特征，北方區(qū)域和南方區(qū)域濃度最高值均分別約為8 μg m?3和5 μg m?3。而硝酸鹽氣溶膠濃度具有明顯的夜間高，白天低的趨勢，北方區(qū)域和南方區(qū)域硝酸鹽氣溶膠濃度均在早上07時左右達到最高值，分別約為16 μg m?3和8 μg m?3，此后呈不斷下降趨勢，在傍晚18時左右達到最低值，分別約為5 μg m?3和4 μg m?3。本文中模擬得到的硝酸鹽氣溶膠濃度日變化特征與Morin et al.（2011）的研究結(jié)果相一致，HNO3氣體與硝酸鹽氣溶膠間的氣粒轉(zhuǎn)化對溫度及其敏感，當溫度較低時主要以硝酸鹽存在，而溫度較高時主要以氣態(tài)HNO3形式存在，因此硝酸氣溶膠濃度呈現(xiàn)出白天低夜晚高的日變化特征。黑碳氣溶膠的濃度亦呈現(xiàn)出在早上7時出現(xiàn)峰值隨后逐漸減小至下午16～18時達到低值的日變化特征，這一日變化特征在北方地區(qū)尤為顯著。這是由于夜間對流活動較弱，氣溶膠易于累積，在早間07時左右黑碳氣溶膠濃度達到最高值，北方和南方區(qū)域黑碳氣溶膠濃度分別約為：6 μg m?3和2 μg m?3，之后隨著太陽輻射的增加，對流運動的加強，濃度逐漸減小，在下午達到最低值，北方和南方區(qū)域黑碳氣溶膠濃度分別約為：2 μg m?3和1 μg m?3。本文模擬黑碳氣溶膠濃度的日變化特點與李楊等（2005）和蔡子穎等（2011）結(jié)果較為一致。

圖6給出了氣溶膠及其部分組分（SO42－、NO3－和BC）的地面短波輻射強迫以及對地面氣溫的影響的區(qū)域平均值?？傮w上，氣溶膠及硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠能夠吸收和散射太陽輻射，并能夠形成云凝結(jié)核，增加云的光學(xué)厚度和云層反射率，因此氣溶膠的直接與間接效應(yīng)均降低了到達地面的短波輻射，導(dǎo)致地面氣溫降低。從區(qū)域上看，北方區(qū)域平均氣溶膠直接效應(yīng)所造成的負的短波輻射強迫作用（－11.3 W m?2）要高于南方區(qū)域（－5.8 W m?2）（圖6a、b），引起北方和南方地區(qū)地面氣溫分別降低了0.074 K和0.039 K（圖6c、d），這主要是由于北方區(qū)域氣溶膠濃度高于南方區(qū)域所致（圖5）。但是由于南方區(qū)域相對濕度高（80%～90%，圖略），能夠促進氣溶膠的激活，從而有利于云凝結(jié)核的形成和增長（Jia and Guo, 2012)。南方區(qū)域氣溶膠間接效應(yīng)所產(chǎn)的的短波輻射強迫高于北方區(qū)域，分別為－14.4 W m?2和－12.4 W m?2，引起的地面氣溫的改變分別為－0.094 K和－0.035 K。

圖5 2006年8月23～25日模式模擬的（a）北方和（b）南方區(qū)域平均PM2.5（左坐標軸）及其部分組分（SO42－、NO3－和BC，右坐標軸）近地面質(zhì)量濃度（單位：μg m?3）的日變化

圖6 2006年8月23～25日北方（左列）和南方（右列）區(qū)域平均氣溶膠（AER）及其部分組分（SO42－、NO3－和BC）（a、b）地面短波輻射強迫以及對（c、d）地面氣溫的影響

對于硫酸鹽氣溶膠而言，其在南方區(qū)域的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)的輻射強迫和對地面氣溫的影響略高于北方區(qū)域。這主要的原因在于南方區(qū)域的具有更強的太陽輻射和濕度。硫酸鹽氣溶膠在北方和南方區(qū)域的短波輻射強迫分別為－7.0 W m?2和 －10.5 W m?2（直接和間接效應(yīng)之和），對地面氣溫的影響分別為－0.062 K和－0.074 K。其中硫酸鹽氣溶膠的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)的作用相當。相比于Giorgi et al.（2002）應(yīng)用RegCM模式模擬1993～1997年間中國四川盆地人為硫酸鹽氣溶膠使地面氣溫降低0.1～0.7 K，本文模擬數(shù)值略小，可能是由于本文計算的輻射強迫和地面氣溫變化為區(qū)域平均值，包括了部分氣溶膠低值區(qū)域，而四川盆地是硫酸鹽氣溶膠高值區(qū)（圖2b），因而其對地表氣溫的影響更強。

硝酸鹽氣溶膠的短波輻射強迫以及對地面氣溫的影響略小于硫酸鹽氣溶膠，北方和南方區(qū)域平均地面短波輻射分別減少4.1 W m?2和6.9 W m?2，因而使得地面氣溫亦分別減少0.021 K和0.039 K，略低于Li et al.（2009）利用模式研究得到的2003年7月中國地區(qū)人為硝酸鹽氣溶膠對地面氣溫的影響（－0.09 K）。從區(qū)域來看，北方區(qū)域的硝酸鹽氣溶膠的直接效應(yīng)的作用小于間接效應(yīng)，換言之，即硝酸鹽氣溶膠引起的北方區(qū)域地面氣溫的降低主要是由硝酸鹽氣溶膠的間接效應(yīng)所致。而南方區(qū)域則是相反，即由硝酸鹽的直接效應(yīng)起主要作用。這可能是由于雖然南方區(qū)域硝酸鹽氣溶膠濃度小 于北方區(qū)域，但是南方區(qū)域相對濕度大（AOD 高），且有更強的太陽輻射，因此其直接效應(yīng)更加顯著。北方和南方區(qū)域均有一定的云量（圖略），雖然南方區(qū)域相對濕度很高，有利于硝酸鹽氣溶膠的激活形成云凝結(jié)核，但是其云量的增加（0.004）沒有北方區(qū)域（0.03）多，其間接效應(yīng)相對較弱。

與硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠（散射型氣溶膠）不同，黑碳氣溶膠作為重要的吸收性氣溶膠，能夠強烈地吸收太陽輻射，從而加熱大氣，因此其直接效應(yīng)雖然同樣減少了到達地表的短波輻射，但是地面氣溫卻增加了；黑碳氣溶膠間接輻射強迫很小并且有正有負，具有很強的不確定性，這主要是由于云的反饋過程比較復(fù)雜造成的（Ackerman et al., 2000; Kristjánsson, 2002; Highwood and Kinnersley, 2006; Bond et al., 2013）。由圖6可見，黑碳氣溶膠使得北方和南方區(qū)域平均到達地表的太陽短波輻射分別減少了6.5 W m?2和5.8 W m?2，而地表氣溫則分別增加了0.053 K和0.017 K。雖然在南方區(qū)域黑碳氣溶膠濃度低，但黑碳氣溶膠的消光系數(shù)（12.5 m2g?1，波長：550 nm）要強于硫酸鹽氣溶膠（4.18 m2g?1，波長：550 nm），并且其吸收性很強（Liao et al., 2004），所以黑碳氣溶膠在南方的輻射強迫的要高于硫酸鹽氣溶膠。

此模擬的地面氣溫變化與Wang（2004）應(yīng)用CCM3模式研究發(fā)現(xiàn)黑碳氣溶膠20年全球平均直接效應(yīng)增加地面氣溫0.09±0.07 K較為相近。

圖7進一步展示了兩個研究區(qū)域平均氣溶膠及其部分組分（SO42－、NO3－和BC）總效應(yīng)、直接效應(yīng)和間接效應(yīng)的地面短波輻射強迫及其對地面氣溫的影響的日變化結(jié)果。整體上看，氣溶膠對到達地面短波輻射的影響與對地面氣溫的影響有很好的對應(yīng)關(guān)系。

由圖7a、d、g、j可見，氣溶膠總效應(yīng)導(dǎo)致的地面短波輻射強迫分別在上午08～10時左右和下午16～18時左右呈現(xiàn)出最大值，約為－43～－39 W m?2。氣溶膠的直接和間接效應(yīng)均對上午08～10時左右輻射強迫峰值有貢獻。上午08～10時左右氣溶膠濃度高（圖5），并且此時太陽天頂角大，因此造成了很強的直接輻射強迫。如Liao and Seinfeld（1998）指出，散射性氣溶膠（硫酸鹽）輻射強迫隨太陽天頂角增加而增加。由于此時南方區(qū)域的云量的增加達到了峰值（圖未給），所以此時的間接輻射強迫也非常顯著。下午16～18時左右雖然太陽天頂角大，但是氣溶膠濃度低，因此直接效應(yīng)較弱，此時輻射強迫峰值主要受間接效應(yīng)影響，在下午16～18時左右北方區(qū)域云量的增加達到峰值，南方區(qū)域（峰值相對較小）云量在此階段也在不斷上升。

受到輻射強迫高值影響，地面氣溫在這2個時刻下降幅度最大，約為－0.27～－0.21 K。其中，硫酸鹽氣溶膠總效應(yīng)對短波輻射的影響在中午12時和下午16時左右分別達到最高約為－28（南方區(qū)域）～－25 W m?2（北方區(qū)域），對地面氣溫的影響最大為在－0.13 K（南方區(qū)域）?？傮w而言，硝酸鹽氣溶膠對短波輻射和氣溫的影響比硫酸鹽氣溶膠小，這是由硝酸鹽氣溶膠濃度白天低夜間高的日變化特征所決定的。硝酸鹽氣溶膠對短波輻射和地面氣溫的影響在南方區(qū)域更加顯著，最大分別為－33 W m?2和－0.09 K（14:00左右）。受太陽輻射強度的影響，黑碳氣溶膠對短波輻射的影響最大值出現(xiàn)在南方區(qū)域，約為－38 W m?2，高于北方區(qū)域的－17 W m?2，其升溫作用明顯，北方和南方區(qū)域均在中午14時左右達到最高，分別為0.21 K和0.13 K。

北方區(qū)域氣溶膠直接效應(yīng)導(dǎo)致的地面短波輻射強迫在上午09時左右達到最高值：－32 W m?2，從而使地面氣溫降低0.2 K，而隨著黑碳氣溶膠強烈的加熱作用，15時前后氣溫上升，最高升溫0.08 K。南方區(qū)域氣溶膠直接效應(yīng)導(dǎo)致的輻射強迫和降溫最大為－26 W m?2和－0.08 K，同樣受黑碳氣溶膠增溫的影響，午后出現(xiàn)增溫（最高0.05 K）。硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠的直接效應(yīng)對輻射和氣溫影響的日變化比較類似，均在中午時段顯現(xiàn)高值。其中，南方區(qū)域硝酸鹽的直接效應(yīng)的輻射強迫最為明顯，在14時達到最高值－45 W m?2，相對應(yīng)的使氣溫降低0.12 K。黑碳氣溶膠的直接效應(yīng)對短波輻射的影響十分顯著，在北方和南方區(qū)域短波輻射強迫最高分別約為－18 W m?2和－27 W m?2，地面氣溫在14時左右升高最為明顯，分別為0.15 K和0.04 K（圖7b、e、h、k）。

圖7 2006年8月23～25日模式模擬的北方和南方區(qū)域平均氣溶膠（AER）及其部分組分（SO42－、NO3－和BC）總效應(yīng)、直接效應(yīng)和間接效應(yīng)的地面短波輻射強迫（單位：W m?2）及其對地面氣溫的影響的日變化（單位：K）

北方區(qū)域氣溶膠間接效應(yīng)導(dǎo)致的地面短波輻射強迫在午后達到最高值－33 W m?2，其貢獻主要來自于硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠，與之相對應(yīng)，使地面氣溫降低0.19 K。而在南方區(qū)域，氣溶膠間接效應(yīng)對短波輻射和地面氣溫的影響均表現(xiàn)為雙峰型，高值分別在上午10～11時左右和下午16～17時左右，約為：－33 W m?2和－0.23 K。硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠的間接效應(yīng)對輻射和地表氣溫的影響并沒有很明顯的日變化特征，但總體上是負強迫和降溫的效果。硫酸鹽氣溶膠間接效應(yīng)在北方區(qū)域的短波輻射強迫約－15～3 W m?2，對地面氣溫的影響為－0.07～0.02 K；在南方區(qū)域的短波輻射強迫約－13～1 W/m2，對地面氣溫的影響為－0.08～0 K。硝酸鹽氣溶膠間接效應(yīng)的短波輻射強迫和對地表氣溫的影響在北方區(qū)域更加顯著，最高分別為－16 W m?2和－0.06 K。相比于直接效應(yīng)的影響，黑碳氣溶膠間接效應(yīng)對地面短波輻射和氣溫的影響要小很多，并且其間接效應(yīng)具有很強的不確定性，有待進一步研究（圖7c、f、i、l）。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用WRF-Chem模式研究中國東部地區(qū)氣溶膠及其部分組分（SO42－、NO3－和BC）在天氣尺度下的輻射強迫和對地面氣溫的影響，主要結(jié)論如下：

模式能夠較好地模擬中國東部地區(qū)的地面氣溫，氣溶膠及其部分組分（SO42－、NO3－和BC）的分布。通過不同季節(jié)且無明顯降水的5個時間段的模擬研究氣溶膠對地面氣溫的影響，結(jié)果顯示，北方區(qū)域平均PM2.5近地面濃度（40～80 μg m?3）高于南方（30～47 μg m?3），并且均體現(xiàn)出白天低夜間高的日變化特征。氣溶膠對地面氣溫有明顯的降溫效果，在早上08時和下午17時左右最為顯著，最高可降低約0.2～1 K。模擬的地表氣溫與觀測數(shù)據(jù)的對比顯示，有氣溶膠的情況下模擬的地面氣溫更接近于實際觀測。

本文定量分析了2006年8月23～25日期間氣溶膠及其部分組分（SO42－、NO3－和BC）的總效應(yīng)，直接效應(yīng)和間接效應(yīng)分別對到達地面短波輻射和地面氣溫的影響。北方區(qū)域平均氣溶膠直接效應(yīng)所造成的負的短波輻射強迫作用（－11.3 W m?2）要高于南方區(qū)域（－5.8 W m?2），引起北方和南方地區(qū)地面氣溫分別降低了0.074 K和0.039 K，其中最高值分別約－32 W m?2和0.2 K（上午09時）。南方區(qū)域平均氣溶膠間接效應(yīng)所產(chǎn)的的短波輻射強迫高于北方區(qū)域，分別為－14.4 W m?2和－12.4 W m?2，引起的地面氣溫的改變分別為－0.094 K和－0.035 K，其中最高值分別約－33 W m?2和－0.23 K。

對氣溶膠組分（SO42－、NO3－和BC）的研究中顯示，硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠做為散射型氣溶膠能夠散射和反射太陽輻射，并且形成云凝結(jié)核，增加云量，減少到達地面的太陽輻射，使地面氣溫降低。硫酸鹽氣溶膠的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)的作用相當，其總效應(yīng)在北方和南方區(qū)域平均的短波輻射強迫分別為－7.0 W m?2和－10.5 W m?2，對地面氣溫的影響分別為－0.062 K和－0.074 K。硝酸鹽氣溶膠的短波輻射強迫以及對地面氣溫的影響略小于硫酸鹽氣溶膠，北方和南方區(qū)域平均的地面短波輻射分別減少4.1 W m?2和6.9 W m?2，因而使得地面氣溫亦分別減少0.021 K和0.039 K。硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠的直接效應(yīng)對輻射和氣溫影響的日變化比較類似，均在中午時段顯現(xiàn)高值，但它們的間接效應(yīng)并沒有很明顯的日變化特征，但總體上也是負強迫和降溫的效果。其中，南方區(qū)域硝酸鹽的直接效應(yīng)的輻射強迫最為明顯，在14時達到最高值－45 W m?2，相對應(yīng)的使氣溫降低0.12 K。黑碳氣溶膠使得北方和南方區(qū)域平均到達地表的太陽短波輻射分別減少了6.5 W m?2和5.8 W m?2，而地表氣溫則分別增加了0.053 K和0.017 K。黑碳氣溶膠能夠吸收太陽輻射，并放出紅外輻射，從而加熱大氣，相比于間接效應(yīng)，黑碳氣溶膠的直接效應(yīng)對短波輻射和氣溫的影響更加顯著，在北方和南方區(qū)域短波輻射強迫最高分別約為－18 W m?2和－27 W m?2，增溫作用在14時左右最為明顯，分別為0.15 K和0.04 K。

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Radiative Forcing of Aerosols and Its Impact on Surface Air Temperature on Synoptic Scale in Eastern China

LIAO Li1, 2, LOU Sijia1, 2, FU Yu3, CHANG Wenyuan1, and LIAO Hong1

1(),,100029;2,100049;3(),,100029

Using the WRF-Chem (Weather Research and Forecasting—Chemistry) model, we investigate aerosol radiative forcing and its impacts on surface air temperature in Eastern China on the synoptic scale. Simulations of five selected periods without precipitation (August 23–25, 2006; November 10–12, 2008; December 16–18, 2008; January 15–17, 2009; and April 27–29, 2009) indicate that aerosol concentrations are generally lower in the daytime and higher at night. Simulated surface–layer concentrations of PM2.5averaged over Northern China (29.8°–42.6°N, 110.2°–120.3°E,) are 40–80 μg m?3, higher than the simulated values of 30–47 μg m?3 in Southern China (22.3°–29.9°N，109.7°–120.2°E). Aerosols exerted a large cooling effect on surface air temperature (SAT, 2 m above ground level), and the effect is the strongest at 08:00 and 17:00 with decreases in temperature by 0.2–1 K. We also find that including aerosols in simulations improves the simulation of SAT. Based on the simulation of a weather event during August 23 to 25 in 2006, we quantitatively analyze the total (direct + indirect), direct, and indirect radiative effects of aerosols on SAT. Shortwave radiative forcing at the surface induced by direct effects of aerosols is stronger in Northern China than that in Southern China, with average forcings of －11.3 W m?2and －5.8 W m?2, respectively, and corresponding coolings of SAT by 0.074 K and 0.039 K. However, shortwave radiative forcing induced by indirect effects of aerosols is weaker in Northern China than that in Southern China, with average forcings of －12.4 W/m2and －14.4 W m?2, respectively, and corresponding coolings of SAT by 0.035 K and 0.094 K. The direct and indirect effects of sulfate are of similar magnitude. The total effect of sulfate on shortwave radiative forcing in Northern and Southern China is －7. 0 W m?2and －10.5 W m?2, respectively, causing a cooling of SAT by 0.062 K and 0.074 K, while the effect of nitrate is relative weak. Due to black carbon aerosols, the solar shortwave radiation reaching the surface is decreased by 6.5 W m?2and 5.8 W m?2and the SAT increases by 0.053 K and 0.017 K averaged over Northern and Southern China, respectively. The direct effect of black carbon on shortwave radiation is much larger than the indirect effect.

Eastern China, Aerosols, Radiative forcing, Surface air temperature

1006–9895(2015)01–0068–15

P422

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13302

2013–11–06；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2014–02–17

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目2014CB441200

廖禮，男，1984年出生，博士研究生，從事氣溶膠數(shù)值模擬研究。E-mail: liaoli@mail.iap.ac.cn

廖宏，E-mail: hongliao@mail.iap.ac.cn