基于观测约束估算东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫

Anthropogenic and natural aerosol mass concentrations are simulated with an online aerosol-coupled Non-hydrostatic ICOsahedral Atmospheric Model (NICAM). Background ensemble simulations are performed by perturbing the emission inventories. The aerosol optical properties retrieved from the ground-based AERONET and space-based MODIS are assimilated with the Local Ensemble Transform Kalman Filter (LETKF) every six hours to adjust the analyzed variables aerosol mass concentrations for the year of 2010. The improved predictions of anthropogenic and natural aerosol mass concentrations will be then used as the input of the correlated K-distribution-based radiation module MSTRN8, which is online coupled with the NICAM, to calculate the shortwave aerosol direct radiative forcing of each anthropogenic aerosol component at the top of the atmosphere and at the bottom. The effect of the aerosol chemical composition on the direct radiative forcing will be investigated then. Finally, the spatial and temporal characteristics of the anthropogenic aerosol direct radiative forcing over East Asia will be analyzed quantitatively. The implementation of this project can provide reference to deeply understand the climate effect of anthropogenic aerosol and the future interventions and solutions over East Asia.

改进高分辨率非静力平衡大气模式NICAM在线耦合的气溶胶模块SPRINTARS, 建立在源排放和预报变量中区分自然和人为源的多成分气溶胶模式, 模拟各种气溶胶的质量浓度。通过扰动气溶胶排放场进行集合预报，基于局地集合转换卡尔曼滤波方法，每6小时同化一次地面AERONET和卫星MODIS反演的气溶胶光学特性，优化模式模拟的气溶胶质量浓度，生成2010年的多种人为源和自然源气溶胶成分质量浓度水平和垂直分布数据。观测优化模拟的人为气溶胶质量浓度将进一步输入NICAM在线耦合的K-分布辐射传输模块MSTRN8，定量计算各种人为气溶胶大气顶和地面短波直接辐射强迫，研究气溶胶化学成分对其直接辐射强迫的影响。在此基础上，最终给出东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫时空分布特征。本项目实现气溶胶地面和卫星观测以及模式模拟的综合集成，将为深入了解东亚地区人为气溶胶气候效应及制定应对策略提供一定的科学依据。

项目针对当前模式模拟的人为气溶胶时空分布及其直接辐射强迫不确定性问题，结合现有地面和卫星气溶胶观测特点，利用气溶胶资料同化技术约束模式模拟，提高东亚地区气溶胶模拟精度，进而基于辐射传输模式优化东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫的定量估算精度，最终确定东亚地区人为源气溶胶直接辐射强迫时空分布特征及其成因。.基于局地集合转换卡尔曼滤波（LETKF）同化方法，通过随机扰动气溶胶及其前体物源排放，建立了同化变量为气溶胶质量浓度的集合资料同化系统，实现对地面AERONET和卫星MODIS气溶胶光学特性观测资料的独立和联合同化。项目发展的气溶胶资料集合同化系统，有效提高了模式全球尤其是东亚地区气溶胶时空分布变化的模拟能力。建立了2010年观测约束模拟的逐6小时沙尘、海盐、硫酸盐，黑碳和有机碳气溶胶质量浓度水平和垂直分布数据集。.基于观测约束模式模拟，优化了东亚地区人为气溶胶地面和大气顶直接辐射强迫估算。东亚地区2010年区域年平均人为气溶胶地面和大气顶直接辐射强迫值分别为-6.17和-2.67W/m2，较无同化试验估算的地面和大气顶直接辐射强迫值分别减小了0.39和0.56W/m2。有机碳气溶胶引起的东亚地区地面和大气顶直接辐射强迫较黑碳和硫酸盐气溶胶具有更显著的季节变化特征，春季最大，秋季最小，春季地面和大气顶直接辐射强迫约为秋季的2倍。总的人为气溶胶引起的东亚地区地面和大气顶直接辐射强迫春夏季较大、秋冬季较小。春夏秋冬区域平均地面直接辐射强迫分别为-8.33、-8.16、-4.97和-4.68W/m2；大气顶直接辐射强迫分别为-3.75、-4.20、-2.34和-1.53W/m2。.项目研究实现了气溶胶观测和模式模拟的综合集成，形成了观测优化的多成分气溶胶质量浓度数据集，增强了东亚地区人为气溶胶直接辐射强迫估算精度，深化了人为气溶胶对气候的影响研究。