基于卫星和地面观测的中国东部地区气溶胶气候效应评估研究

Aerosols remain as one of the most uncertain factors for climate prediction, as well as one of the research focus areas in the world. Along with the fast development of economy in the east China area, aerosol pollution becomes serious and makes the properties of aerosols, clouds and radiation in this area unique. Understanding the impacts of aerosols on the climate over East China can help improve the aerosol parameterization scheme in the climate model, so that we can have more accurate climate prediction and provide better services to our country for the international climate negotiation. Using the satellite observations from CERES and MODIS, ground site observations from AERONET, this study analyzes the direct, indirect and total radiation impacts of aerosols over the heavy polluted East China area. Considering the significant spatial and temporal variation of aerosol and cloud properties, this study will simply classify the research region into North, South and the Whole areas. For every area in four different seasons, we (1) analyze the statistical properties of aerosol, cloud, and radiation, (2) determine the direct, indirect and total impacts of aerosols to longwave, shortwave and net radiation at the top of atmosphere, and (3) quantify the relative climate contributions from aerosol direct and indirect impacts. Moreover, we analyze the spatial and temporal variations of aerosols’ climate impacts. These studies will help provide scientific support for the improvement of climate prediction over China in the future.

气溶胶的气候效应是气候变化预测中最大的不确定性因子，也是国际科学前沿热点。中国东部地区近二十年经济的快速发展使得该地区的气溶胶和受其影响的云、辐射具有独特特征，是气溶胶气候效应认识不足的重要地区之一。改善对我国东部地区气溶胶气候效应的认识，有助于改进气溶胶参数化方案从而改善气候模式，服务国家气候预测和国际气候谈判。本项目拟基于卫星观测（CERES和MODIS）和全球气溶胶探测网（AERONET）地面站点观测，利用统计分析方法和理论分析方法研究我国东部北方、南方和整个东部地区在春、夏、秋、冬四个季节的气溶胶气候效应：（1）气溶胶、云和辐射的统计特征；（2）气溶胶对长波、短波和净辐射的直接、间接和总体影响；（3）气溶胶直接、间接气候效应的相对贡献。最后，分析理解气溶胶、云的统计特征和气溶胶气候效应在时间、空间上的变化。这些研究将为我国气候模式模拟能力的改进提供科学支持。

气溶胶气候效应是气候变化预测中最大的不确定性因子，也是国际科学前沿焦点。我国东部地区是气溶胶气候效应认识不足的重要地区之一。本项目基于卫星、地面遥感和飞机直接观测，利用统计和理论分析方法研究了我国东部地区的气溶胶气候效应。研究成果包括3个方面。（1）系统性总结了我国东部和青藏高原典型地区气溶胶和云特征及其相关性：在气溶胶特征上，构建了基于VIIRS卫星适合复杂下垫面的气溶胶光学厚度反演方法，揭示了我国东部典型城市气溶胶质量浓度PM2.5的时空分布特征及其成因，量化了典型城市局地排放和远程输送对PM2.5的相对贡献，解析了影响气溶胶AOD与PM2.5关系的多个影响因子；在云特征上，研发了基于数值均衡化的新型云识别反演方法，开发了基于云雷达的云微观特征遥感反演方法，量化了卫星云观测时间代表性误差，揭示了云特征的时空变化等；在两者相关性上，揭示了弱降水对气溶胶促进、强降水对气溶胶减少作用，揭示了气溶胶抑制弱降水、促进强降水作用，并明确了气候模式中气溶胶与云模拟误差的弱相关；（2）研究了我国东西部多个地区气溶胶的直接辐射效应、间接辐射效应和总辐射影响：揭示了吸收性气溶胶和散射性气溶胶的不同直接辐射效应，量化了气溶胶总辐射效应对局地污染的反馈增强贡献，揭示了气溶胶直接辐射效应造成香港冬季近20年降温等；（3）揭示了气溶胶的第一间接效应特征和成因：用卫星观测揭示了气溶胶对云垂直结构的影响，用飞机观测揭示了气溶胶对浅对流的第一间接效应与云水含量、气溶胶浓度和垂直速度密切相关，并揭示了该影响在华北地区符合Twomey效应，用地基观测揭示了水汽含量、大气稳定度、风场、气溶胶类型、气溶胶量等因素对气溶胶第一间接效应的影响等。这些研究成果有助于认识和理解我国东部地区气溶胶气候效应，改善云相关参数化方案，进而改进天气和气候模式，提升预报效果，服务国家天气预报、防灾减灾、气候预估和国际气候谈判。