数值模拟结合多平台观测研究气溶胶气候效应

Aerosols impact climate directly by scattering and absorbing incoming solar radiation (Direct effect), and indirectly by acting as cloud condensation nuclei (CCN) that affect cloud properties and precipitation (Indirect effect). Both model calculations and satellite-based estimations of aerosol direct and indirect forcing are subject to large uncertainties as a result of various simplifications and underlying assumptions. Further studies are needed. In this proposal, we propose to combine numerical model simulations with multi-platform observations, including surface-based network, airborne observations, and satellite retrievals, to systematically evaluate the model performance with regard to aerosol forcing and explore the possible sources contributed to the discrepancies in the modeled and satellite-constrained aerosol forcing. Based on the detailed data analysis, we seek to improve the representations of aerosol processes, aerosol-cloud-radiation interaction in the model. By analyzing the vertical profiles of aerosol and cloud measured from various airborne field campaigns and surface networks we will evaluate the aerosol-cloud-radiation relationship derived from satellite data, and derive new algorithms to better represent the connection between aerosol properties and cloud. This proposal will improve our understanding in aerosol-cloud-radiation interaction, reduce the uncertainties of model and observed-based estimates, and thus to simulate the aerosol climatic effect and project future climate more accurately.

气溶胶通过直接散射和吸收太阳辐射（直接效应），间接通过作为云凝结核（CCN）改变云和降水（间接效应），从而影响气候。目前大量的研究，无论是模式计算还是利用卫星观测推算强迫值，都有很多的简化和假定，因此模式之间或者模式和观测推算之间，还存在着相当大的不确定性，需要做进一步的研究。本项目提出数值模拟结合多平台观测资料，包括地面观测、飞机观测、卫星反演等，系统地评价模式模拟和由观测直接推算的误差来源，在此基础上改进模式的气溶胶参数化方案、改进模式中气溶胶对云和辐射影响的参数化表达；同时通过对气溶胶特性，特别是垂直廓线和粒子谱的资料分析，检验现有的用于从卫星反演推算辐射强迫的气溶胶与云特性之间的关系的合理性，以便改进或者提出新的更为准确地表征气溶胶对云的影响的关系。这不仅能够提高我们对气溶胶-云-辐射影响的认识，从而降低模式之间，以及模式与观测间估计的辐射强迫的差异，更有助于改进对气候的模拟。

气溶胶气候效应是目前气候研究中最大的不确定因素之一。气溶胶的微物理特性，包括化学成分、粒径谱、以及混合态等，不仅对其光学特性以及辐射强迫产生重要的影响，更重要的是，通过对云的作用而对地气系统的辐射收支以及降水系统产生影响。本项目利用包含精细微物理过程气溶胶模块的数值模式，模拟研究了气溶胶微物理特性，特别是混合态对散射和吸收的影响、以及对地气系统辐射能以及大气加热率的作用，发现相比较外部混合，由于核壳混合导致的更强的大气吸收，将会导致更强的地面降温，特别是对气溶胶浓度较高的地区尤为重要。通过对长期的气溶胶和云微物理特性卫星反演资料的系统的统计分析，发现在主要人为气溶胶影响的大陆地区，云滴有效半径随着气溶胶指数增加而增加，而在邻近的海洋云滴有效半径随着气溶胶指数增加而减小，也就是说在海洋上空，气溶胶与云滴有效半径的关系符合Twomey效应，而在陆地则呈现相反的效应。进一步结合气象条件的分析发现，正相关更易于出现在大气不稳定、云顶较干、及湍流较强的情况下，揭示了夹卷混合过程对气溶胶-云相互作用的影响。无论是气溶胶还是云的卫星反演的误差，也会在一定程度上造成虚假的气溶胶-云之间的相关性。利用提供了详尽的气溶胶和云微物理特性的飞机观测资料，讨论了云滴形成的关键因素，揭示了动力条件（低层大气稳定度和夹卷过程）和气溶胶微物理对云微物理特性和云滴谱离散度的影响。项目已发表高水平学术论文11篇，其中SCI论文7篇。培养博士3名，硕士2名，圆满甚至超额完成了项目计划任务书的研究内容，达到了预期目标。