中国地区气溶胶吸湿增长因子参数化的模式研究

Aerosol diameter grows as relative humidity increases, leading to changes of aerosol optical properties and radiative forcing, which means that aerosol hygroscopicity is one of the key factors in determining its optical and radiative effects. Nowadays, atmospheric models commonly use parameterization methods to represent the hygroscopic growth of aerosol, however, the parameteriztions are derived from measurements out of China. When applying such parameterizations in China, uncertainties could appear, degrading the accuracies of model results. Accodingly, this study aims to understand the characteristics of aerosol hygroscopic growth in China and develope aerosol hygroscopic growth parameterizations that are more reasonable for China. To achieve these research goals, this study will analyze related observation data obtained in China, conduct model simulations using a regional online coupled model, and perfome sensitivity experiments. This study is an effort to improve the abilities of modeling aerosol optical properties and radiative forcing in China and to further understand characteristics of aerosol optical and radiative effects.

气溶胶的粒径会随湿度而变化，改变其光学特性，进而影响其辐射效应，因此气溶胶的吸湿增长特性是决定气溶胶光学和辐射效应的关键因子之一。目前的大气模式通常采用参数化方法来反映气溶胶的吸湿增长，但这些参数化方案都是基于国外实验观测数据得到，应用于中国地区时会有偏差，从而降低模式模拟的准确性。本研究通过对中国地区气溶胶吸湿增长的相关观测数据的分析，认识气溶胶吸湿增长的特征和机制，结合区域大气化学/气溶胶-气候耦合模式的模拟试验和不确定性分析，获得适用于中国地区的更为合理的气溶胶吸湿增长参数化方案，为提高模式对中国地区气溶胶光学参数和辐射强迫的模拟能力及进一步认识气溶胶的光学和辐射特性提供有价值的参考。

通过调研以往关于气溶胶吸湿增长的理论、实验和观测等研究，发展了气溶胶吸湿增长因子的参数化方案，将其应用于区域空气质量模式和区域气候-大气化学在线耦合模式中，对华北、中国东部等地区进行了模拟，模拟结果与AERONET、MODIS、CALIPSO等观测的对比均较好，显示发展的参数化方案基本可以反映中国东部地区气溶胶的吸湿增长情况。在此基础上，模拟研究了中国东部地区气溶胶光学厚度的季节变化，发现模式可以反映气溶胶光学厚度在中国东部的时空变化趋势，与地基AERONET观测相比，总体相关系数可达0.6，但模拟值整体偏低约20%，且模式在春、秋季的表现优于夏、冬季。同时，结合CALIPSO卫星观测，模拟研究了中国东部气溶胶消光系数的垂直分布特征，发现在中国东部陆地上空和东部近海地区，气溶胶消光系数的峰值往往分别出现在近地面和约1公里高空，气溶胶的化学成分及水汽的垂直分布是决定气溶胶消光系数垂直分布的两个主要原因。此外，针对近些年来我国越来越多的氮氧化物排放，硝酸盐气溶胶在中国地区所占比例越来越高，模拟研究了当前排放情况下我国硝酸盐气溶胶浓度的空间分布、直接辐射强迫以及季节变化，发现中国东部硝酸盐气溶胶年平均值可达8.5微克/立方米，其引起的大气顶直接辐射强迫年平均强度可达-3.7瓦/平方米。