沙尘天气对华北气溶胶光学特性的影响及其气候效应研究

综合分析国内外已有研究成果，利用自有的气溶胶观测数据，结合气象观测、气溶胶地面和垂直观测、采样分析以及模式模拟等技术手段，重点研究以下内容：（1）华北地区气溶胶光学特性和气溶胶浓度特征，包括气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、粒子尺度谱、折射率以及气溶胶浓度的地域分布；（2）沙尘天气对气溶胶光学特性和大气环境的影响，利用同步的气溶胶地面和垂直观测资料，针对典型天气过程研究沙尘天气对华北地区气溶胶光学特性的影响，探讨不同的天气背景下气溶胶光学特性的差异；（3）利用区域气候模式针对华北地区大气中沙尘气溶胶增多对区域气候和环境的影响进行详实分析和数值模拟，研究沙尘气溶胶的气候效应，从而有利于区域气候变化的深入研究。

本课题利用气象、气溶胶和大气环境观测资料，研究和分析了沙尘天气对气溶胶光学特性的影响，模拟和检验了中国地区气溶胶光学厚度(AOD)的分布特征，并针对典型沙尘天气过程研究了沙尘天气发生前后大气环境质量、气溶胶光学厚度等的变化规律和特征，最后利用数值模式模拟了华北地区沙尘气溶胶的气候效应。研究成果主要包括：（1）沙尘天气使得受影响站点气溶胶光学厚度有所增加，波长指数有所降低，在沙尘天气过程前、过程中和过程后三个阶段，气溶胶光学厚度呈明显的“谷-峰-谷”的变化趋势，而波长指数则相反，呈现显著的“峰-谷-峰”的变化特征。（2）沙尘天气过程中，沙尘气溶胶粒子对整个大气气溶胶的贡献显著，增大了气溶胶浓度，使得AOD和大气气溶胶的平均粒径增加，粗模态粒子所占比重加大（3）沙尘天气发生前几日PM2.5和PM10浓度开始出现同步的明显升高特征，沙尘天气结束后， PM10的浓度快速下降，PM2.5的浓度下降幅度相对较小，且不同地区以及城区和郊区呈现不同的变化特点。（4）沙尘天气过程前后华北不同区域内的主要大气污染物浓度变化特征有明显差异，在沙尘源区、主要路径区、平原影响区等地区的粗粒子PM10、细粒子PM2.5以及气态污染物SO2和NO2的浓度由于本地源和区域输送源贡献的差异，呈现不同的变化趋势和规律。（5）区域气候模式中的沙尘模块能较准确地模拟出沙尘天气发生的时间以及传输路径，通过模拟和检验我国春季气溶胶光学厚度及沙尘气溶胶光学厚度的分布特征，得到春季AOD主要有三个高值区：南疆盆地和北疆部分地区，河西走廊地区，以及四川盆地和临近的中南部分地区，其中前两个AOD高值区主要由沙尘气溶胶引起，后者主要受人为活动排放的气溶胶影响。（6）沙尘期间，气溶胶体积尺度谱基本为单峰分布，体积尺度谱变化特征集中在粗模态，AOD增加以粗粒子为主；折射率实部值在沙尘期间随波长增加有所减小，折射率虚部值在沙尘期间明显小于非沙尘期间。（7）沙尘气溶胶总体上使得华北地区的地表气温有一定的下降，其中，沙尘气溶胶浓度较高的华北北部下降最为明显，华北南部和西南部地区，沙尘气溶胶对气温的影响相对较小。沙尘气溶胶对华北地区降水的分布和变化影响较为复杂，降水增加的区域主要分布在华北北部、东北部、西北部以及华北中部、中南部，降水减少的区域则集中在华北中北部、东南部，降水增加区域略多于降水减少区域。