基于卫星数据的全球烟尘气溶胶-云相互作用机理研究

The heterogeneity of three-dimensional aerosol distribution and its interaction with clouds are among the major sources of radiative forcing uncertainty of climate change. Previous studies mainly focused on two-dimensional informations. It has become an imperative scientific issue that how to determine the exact three-dimensional distribution of aerosols and clouds, and how can aerosol effects on clouds decouple from its natural variability. We will, in this project, make use of multiple satellites data, in combination with ground-based aerosol and meteorological observations, in order to achieve following goals:1) establish a long-term space-ground integrated datasets with regard to smoke aerosol-cloud interaction covering China, and global three-dimensional datasets of smoke aerosol and cloud parameters; 2) figure out the global smoke aerosol and cloud vertical structure and its associated causes of the most probable height(MPH) and average occuring height; 3) sort out the coupling mechanisms of aerosol indirect and semi-direct effects and determine their corresponding thresholds; 4) analysis smoke aerosol-cloud interaction due to different vertical structure, meteorological conditions, seasons and regions, thus developing the resolving parameterization schemes of smoke aerosol-cloud interaction globally, reflecting the aerosol indirect and semi-direct effects. All the above-mentioned work is expected to improve the prevailing schemes and enhance the predition accuracy of the current global climate model of our country. Most importantly, it will hopefully enable us to better serve our environmental diplomacy and climate negotiation.

非均一的全球气溶胶三维分布及复杂的气溶胶-云相互作用是气候变化辐射强迫中最主要的不确定性来源。以往的研究往往侧重于二维数据分析，如何确定气溶胶和云的立体分布，区分云参数变化是自然辨率导致还是气溶胶引起，是目前气溶胶气候效应研究中亟待解决的科学问题。本项目拟利用多源卫星数据，结合地基气溶胶、气象观测以及再分析场数据：1）建立覆盖全球的长时间序列烟尘气溶胶-云-气象条件数据集；2）计算中国地区及全球烟尘气溶胶和云的三维分布（包括最大可能出现高度、平均出现高度），并分析其成因；3)以中国地区为例，研究气溶胶间接效应与半间接效应的耦合机制；4）分析不同垂直结构、不同气象条件、不同季节和不同地区烟尘气溶胶-云相互作用，形成烟尘气溶胶-云相互作用的参数化方案。进而改进现有全球气候模式中相应的参数化方案，提高模式预报的准确性，更好地服务我国环境外交、气候变化谈判等国家重大战略。

非均一性的全球气溶胶三维分布，及其气溶胶-云相互作用通常是一个受到气象条件和辐射等诸多因素影响，且耦合了多个物理化学过程的缓冲系统。烟尘气溶胶是典型的气溶胶类型，其与云的相互作用关系不仅耦合了第一和第二间接效应，还会存在半间接效应的烧云效应影响，进一步使其整体效应复杂化。通过利用激光雷达数据获取高精度气溶胶类型数据，并进一步确定气溶胶与云的三维分布特征能够较好得将这些耦合在一起的效应逐步分解开来。本研究CALIPSO激光雷达数据建立了覆盖全球的长时间序列烟尘气溶胶-云-气象条件数据集；获取了全球典型地区全球烟尘气溶胶和云的三维分布特征，包括气溶胶和云的最大可能出现高度、平均出现高度等；以中国地区为例，研究气溶胶间接效应与半间接效应的耦合机制，利用2006至2015年10年的CALIOP大气廓线数据分析得到东亚大陆上的烟尘气溶胶主要出现在夏季和秋季，其中在北纬20～30度位置也发现了一个高度在2～3km烟尘气溶胶带一只从东经110度延伸到东经143度。利用后向轨迹追踪方案也发现夏季东经144.5度北纬34.5度3km高度处的气团经过聚类分析后发现其主要来源包括东亚大陆（37%）和南部海洋（33%）上空。利用CALIPSO/CALOP探测到含有烟尘气溶胶区域，利用MODIS反演得到气溶胶和云特征研究其相互作用。结果显示在AOD大于0.3的时候，CF有随着AOD的增加而减小，而气溶胶层在云层下方时CF随着AOD增加而增大。当气溶胶层在云层下方式CTP随着AOD增大而减小。进一步分析了不同垂直结构、不同气象条件的烟尘气溶胶-云相互作用，将为未来数值天气模式中加入气溶胶-云相互作用的参数化方案方面具有重要意义。此外，本研究还立足独立自主通过仿真研究提供了未来国产卫星发展激光雷达探测气溶胶和云参数的重要参考指标。