西北地区沙尘-云相互作用的地基云雷达和激光雷达观测研究

Dust-cloud interactions play an important role in the study of global climate change. The Northwest China is a natural laboratory to study the interactions between clouds and dust aerosols with abundant dust aerosols and lack of precipitation. In this project, a special integrated observation will be firstly designed for the study of dust-cloud interactions by employing active and passive instruments, such as cloud Radar, Multi-wavelength polarization Raman Lidar and Microwave Radiometer. Secondly, a long-term synthesized field experiment will be performed at the Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University (SACOL), establishing a combined dataset including temperature and humidity vertical profiles and aerosol and cloud properties. Thirdly, a new algorithm to retrieve vertical distribution of dust aerosol microphysical properties using Raman Lidar measurements will be developed. Finally, a combination of vertical distributions of cloud and aerosol properties and the knowledge of cloud dynamic and microphysical process will help us to reveal the mechanism of dust-cloud interactions in this region. This project will facilitate the understanding of the role of dust aerosol in cloud development and provide valuable datasets and theoretical fundament for evaluating dust aerosol indirect effect, semi-direct and its impact on climate in further studies.

沙尘气溶胶与云相互作用是全球气候变化研究的主要内容。我国西北地区沙尘气溶胶丰富、降水稀少，与云相互作用更为显著，是开展相关研究的天然实验室。本项目拟凭借兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）现有的云雷达、多波段拉曼偏振激光雷达及微波辐射计等先进主被动遥感仪器的独特优势，设计一套合理的沙尘气溶胶与云相互作用集成观测研究方案；重点开展该地区沙尘气溶胶、云及大气温湿廓线的长期连续野外综合观测试验；建立该地区沙尘气溶胶、云和大气温湿廓线实时同步的第一手观测资料集；发展一套沙尘气溶胶微物理特性的激光雷达反演算法；在充分理解其物理特性垂直分布特征的基础上，结合云宏观动力和微物理过程，深入揭示该地区沙尘气溶胶与云的相互作用机理。项目的完成，将进一步加深理解沙尘气溶胶在该地区云发展过程中的重要性，为今后评估沙尘气溶胶间接和半直接辐射效应及气候影响，提供宝贵观测资料及理论依据。

沙尘气溶胶作为亚洲干旱半干旱地区最为丰富的气溶胶类型之一，与地球气候系统中许多重要物理过程联系紧密。本项目基于兰州大学半干旱气候与环境观测站SACOL地基激光雷达、云雷达、微波辐射计等主被动遥感探测的优势，制定了我国西北地区沙尘气溶胶-云相互作用的研究方案，结合CALIPSO和CLOUDSAT卫星的主动遥感探测资料，建立了沙尘气溶胶、云宏微观物理特性和大气状态参数资料集，充分理解了沙尘气溶胶宏微观物理特性的垂直分布特征，深入揭示了我国西北地区沙尘气溶胶与云的相互作用机理。重要研究结果包括：1）沙尘气溶胶光学特性和质量浓度准确反演的前提是进行沙尘和污染气溶胶的有效分离；2）沙尘气溶胶传输过程中，其微物理特性将随着传输距离的增加而逐渐减小；3）发现了东亚沙尘气溶胶影响北极气候的快速传输通道，这与该地区盛行的东亚大槽天气系统的增强有关；4）沙尘气溶胶的存在很大程度上影响了云相态的卫星反演精度，也加速了过冷水云向冰相云的转换；5）我国西北地区由于水汽含量较少，随气溶胶浓度增加，云持续时间较少，气溶胶的半直接效应起主要作用；6）西北地区气溶胶-云-降水相互作用的正反馈机制将进一步加剧东亚干旱半干旱区的干旱化程度。