利用多平台观测研究我国半干旱地区气溶胶-云相互作用的机理及其气候效应

Aerosol-cloud interaction, playing an important role in energy budget and hydrological cycle, has been considered as the one of most important and uncertain forcing in climate modeling and prediction, especially in semi-arid regions, where the dust event is prevailing and the ecological environment is fragile. This program will investigate the aerosol-cloud-precipitation-radiation interaction over the semi-arid regions in northwest of China by using the long-term continues ground-based and satellite observations. Comparing with the previous studies using such as short-time field campaigns or polar-orbiting satellite, we use the long-term dataset from ground-based advanced positive and negative remote sensing instruments, such as cloud radar, Multi-wavelength polarization Raman Lidar, Microwave Radiometer, Multifilter Rotating Shadowband Radiometer, Condensation Particle Counter, and FY-2 series geostationary meteorological satellite. Based on the combined long-term, high-quality aerosol-cloud-precipitation-radiation dataset for semi-arid regions, the cloud will be classified into different types. For each kind of cloud, the mechanism of aerosol-cloud interaction, including aerosol first and second indirect effect, semi-direct effect and invigoration effect, will be fully investigated. Finally, taking the advantage of radiative transfer simulation, we can quantify the aerosol-mediated changes in cloud radiation forcing for different types of clouds, which could be valuable for evaluating the aerosol indirect climate effect over semi-arid regions.

云-气溶胶相互作用是我国西北半干旱区气候变化研究中最重要最不确定的影响因子。本项目拟采用地基与星载的综合观测资料，结合辐射传输模拟，对该地区气溶胶-云-降水-辐射相互作用进行全面深入的研究。有别于以往短期外场观测实验或利用极轨卫星数据的研究方法，本项目将采用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)先进的主被动遥感仪器所提供的长期高精度云、气溶胶数据集，全面细致分析云底高度处的气溶胶数浓度、化学成分及气溶胶垂直分布等对不同类型云的宏观、微观物理特性、降水特征、大气温、湿、风廓线等所造成的影响。结合风云系列地球静止气象卫星反演的具有较高时间分辨率的辐射通量数据集和辐射传输模拟，定量分析气溶胶因改变各类型云的宏微观物理特性所导致的云辐射强迫的变化，即气溶胶的间接强迫，为该地区云-气溶胶相互作用的气候模拟和卫星资料研究提供参考依据。

云-气溶胶相互作用是我国西北半干旱区气候变化研究中最重要最不确定的影响因子。本项目采用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)先进的主被动遥感仪器所提供的近10年的高精度云、气溶胶数据集，结合辐射传输模拟，通过与同纬度美国南部大平原综合观测站（SGP）横向对比分析，对该地区气溶胶-云-辐射相互作用的独特性进行全面深入研究。首先，对比两个站点的气候背景条件，将气溶胶对云性质的影响从动力学和热力学的影响中分离出来。两个站点的云类型和相应的云量是相似的。SGP站的主要气溶胶是硫酸盐，SACOL站主要是沙尘，而且SACOL站点的气溶胶光学厚度更大，气溶胶吸收性更强。之后，计算气溶胶第一类间接效应指数（FIE），用云下气溶胶光学厚度指代云凝结核数浓度时，SGP站的FIE为0.021～0.152，SACOL站的FIE为-0.078～0.047。SGP站的FIE大于SACOL站，这可能是由于（1）在相对较干净的大气条件下，云反照率效应更为敏感；（2）SACOL站的主要气溶胶类型是沙尘，它的吸湿性较小，这两个原因导致的。尽管两个站点的第一类间接效应存在差异，但气象条件对两个站点FIE的影响是一致的。在下沉运动和干燥条件下，气溶胶第一类间接效应更容易被检测到。进一步获取云的持续时间来评估气溶胶第二类间接效应，发现云持续时间通常随着气溶胶含量的增加而延长，这与气溶胶第二种间接效应的假设是一致的。当气溶胶含量达到较大值时，云持续时间和气溶胶之间的负相关关系则表明了半直接效应。最后，我们结合地球静止气象卫星反演的具有较高时间分辨率的辐射通量数据集和辐射传输模拟，定量分析气溶胶间接效应的辐射强迫，发现FIE的每增加0.05个增量，第一类间接效应所产生的辐射强迫为-3.2 Wm-2。上述结果，为该地区云-气溶胶相互作用的气候模拟和卫星资料研究提供了重要的参考依据。