中国雾-霾及其对暖云降水垂直分布影响的立体观测及建模研究

The heterogeneity of three-dimensional aerosol (fog/haze indicator) distribution is one of largest uncertain factors affecting climate change. Previous studies mainly focused on two-dimensional scale. It has become an imperative scientific issue how to determine the exact three-dimensional distribution, and the observed changes in cloud-precipitation as well, which are caused by aerosol particles relative to natural variability of cloud-precipitation. We will, in this project, make use of multiple satellite data, in combination with rain gauge measurements and ground-based aerosol observations, in order to 1) establish a long-term space-ground integrated dataset with regard to aerosol-cloud-precipitation covering the whole China; 2) figure out the space-time distribution of dominant aerosol types in China and its associated causes of the most probable height (MPH), which is the location of atmosphere that aerosol can reach; 3) sort out the mechanisms of cloud-drizzle-rain transition in the contoured frequency by altitude diagram (CFAD) of radar reflectivity and its corresponding thresholds; 4) determine the impact on warm cloud-precipitation of aerosol, and differentiate the relative contributions between natural variability and aerosols, thus developing the height-resolving parameterization schemes of aerosol-warm cloud-precipitation interaction over China, reflecting the aerosol indirect effect. All of the above-mentioned work is expected to improve the prevailing schemes and enhance the prediction accuracy of the current climate model of our country. Most importantly, it will enable us to better serve our environmental diplomacy and climate negotiation.

气溶胶（雾-霾主要成因）三维分布的非均一性及其间接效应是当今气候变化最大的不确定性因素之一。由于以往的研究多侧重于二维描述，如何确定气溶胶的立体分布，区分云降水的变化是自然变率导致或气溶胶促成的，已成为厘清气溶胶气候效应亟须解决的科学问题。本项目拟利用多源卫星数据，结合地面台站降水、气溶胶观测数据：1）建立一套覆盖中国的长时间序列的天地一体化的时空匹配气溶胶-云降水数据集；2）计算中国地区各主要类型气溶胶（包括沙尘、烟尘气溶胶）的三维最大概率高度分布，并分析其成因；3）确定暖云-毛毛雨-雨三种不同模态的转换机制及其阈值确定；4）评价气溶胶对云降水垂直分布特征的影响，并区分自然变异和气溶胶间接效应对云降水影响，形成气溶胶-暖云降水相互作用在不同高度上的参数化方案。进而改进我国现有气候模式相应的参数化方案，提高模式预报准确度，更好服务我国环境外交、气候变化谈判等国家重大战略。

由于存在极为复杂的反馈作用，气象条件和气溶胶对云降水影响难以有效分离。获取精细而准确的气溶胶和云立体垂直分布是开展气溶胶云相互作用的重要数据基础，而区分云降水的垂直结构对气溶胶的响应已成为厘清气溶胶间接效应亟须解决的科学问题。本项目利用多源观测数据，结合云解析模式，取得如下主要研究结果：1）建立一套覆盖中国的长时间序列气溶胶和云垂直分布数据集，揭示了东亚春季沙尘气溶胶跨太平洋远距离输送主要机制; 2）利用多源卫星数据揭示了中国东部气溶胶和云的垂直混合状态，在此基础上首次从卫星角度发现中国东部地区气溶胶的Twomey效应；3）揭示了气溶胶推迟夏季降水新现象，提出了一天不同时刻气溶胶辐射效应和微物理效应相互竞争的新机制；4）发现气溶胶对中国东部地区不同类型云和降水垂直结构存在显著影响差异，其中气溶胶可显著促进对流云降水的上层，这种促进是以下层抑制为代价的；5）利用中国东部高密度雨量站的小时降水数据，定义了“午后局地尺度降水（LSP）”这一新概念。发现中国东部LSP事件发生频次呈显著下降趋势，降水强度呈显著增加，并指出这可能有近年来气溶胶污染加剧密切相关。6）利用L波段秒级探空和CALIPSO卫星数据构建了中国边界层高度气候数据集，首次从观测角度揭示了我国边界层时空变化特征，尤其是率先从不同热力稳定度角度，针对14点大气廓线进行了稳定、对流和中性边界层类型的划分，指出稳定边界层主要由云量决定，而对流边界层主要有地表感热特征决定。7）借助多种观测和模式模拟，指出云量、边界层顶暧平流、近地面冷平流以及气溶胶-边界层相互作用及反馈等是影响北京夏季边界层发展的主要机制。以上主要成果有望改进现有模式中的边界层参数化方案和云物理参数化方案，进而更好地提高模式预报准确度，为全面服务我国环境外交、气候变化谈判、一带一路等国家重大战略提供重要科技支撑。