沙尘气溶胶对云和降水垂直结构的影响

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云和降水是维系地球系统能量收支、水循环的重要因子，也是影响气候变化的重要过程。沙尘气溶胶是对流层中含量最多、分布最广泛的气溶胶之一，可以作为云凝结核（cloud condensation nuclei，简称为CCN）和大气冰核(ice nuclei，简称为IN)参与云微物理过程，并通过改变水凝物相态、潜热释放等过程影响云和降水的宏观结构。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称为IPCC）的报告曾多次指出，气溶胶与云和降水的相互作用（aerosol-cloud-precipitation interaction，简称为ACPI）是目前气候评估、气候预测中不确定性的主要来源之一。因此，深入研究沙尘气溶胶与云降水的相互作用，不仅可以加深对云微物理过程的理解，而且有助于在模式发展、气候预测中减小由ACPI问题引起的不确定性。本论文旨在定量估算沙尘气溶胶对云和降水垂直结构的影响。本文首先利用精确度高、观测范围广的卫星遥感数据分析了沙尘气溶胶光学厚度(Dust Optical Depth，简称为DOD)的时空分布;在此基础上，结合多种卫星观测资料与高分辨率云模式，分析沙尘气溶胶对冰云云顶温度(cloud top temperature，简称为CTT)的影响，并定量给出影响范围;此外，本文利用热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission，简称为TRMM)搭载的测雨雷达(Precipitation Radar，简称为PR)探测的降水三维结构和降水类型、经验正交函数(empirical orthogonal functions，简称为EOF)分析方法，分离、定量了热动力效应和沙尘气溶胶对降水垂直结构的影响。主要研究结果如下: (1)揭示了沙尘气溶胶源地分布及主要传输路径。本文利用Aqua卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(Moderate resolution Imaging Spectroradiometer sensor，简称MODIS)在2005年至2014年的Deep Blue Aerosol Optical Depth（简称为AOD DB）Level2级产品来计算出DOD，用于分析全球沙尘源地分布、及DOD的时空变化规律。由于MODIS Deep Blue算法在沙漠、戈壁等可见光波段反射率高的地表也能获得精确反演，因此，本文所使用的DOD数据可以覆盖全球陆地，尤其是活跃的沙尘源地。此外，本文采用MODIS Dark Target Aerosol Optical Depth（简称为AOD_DT）资料计算出洋面上DOD，并利用EOF方法分离了沙尘气溶胶在热带副热带洋面上的主要传输路径。研究结果表明:全球主要的沙尘源区位于北半球的“沙尘带”(Dust Belt):非洲北部、中东、印度次大陆、东亚，此外还包括北美和澳大利亚。全球六大沙尘源地不仅是DOD多年平均最高的地方，也是极端沙尘事件爆发最频繁、强度最大的区域。不同沙尘源地DOD的季节变化不同，非洲北部、印度次大陆、北美的季节平均DOD在夏季时最大，而中东、东亚的季节平均DOD在春季为最高;东亚、印度次大陆分别是春季、夏季全球DOD最高且DOD变化最剧烈的区域。此外，全球六大沙尘源地DOD的年际变化趋势各不相同，非洲北部、印度次大陆、澳大利亚的年平均DOD在10年期间在波动中略有下降，东亚DOD无明显趋势，中东和北美DOD自2010年后有上升趋势。长距离传输是沙尘气溶胶的重要特征之一，沙尘气溶胶在热带副热带洋面上的主要传输路径可以被EOF方法分离到不同模态，其中EOF第一模态代表了非洲沙尘气溶胶向西传至加勒比海北部和北美洲的路径，以及中东沙尘传输到阿拉伯海、孟加拉湾和北印度洋的路径，出现在每年夏季（约6月至10月）;EOF第二模态代表了非洲沙尘传输至几内亚湾、赤道大西洋、达到加勒比海南部和南美洲的路径，以及东亚气溶胶向中国海域、北太平洋传输、达到北美洲甚至欧洲的路径，出现在每年春季（约2月至5月）。 (2)利用卫星观测和数值模式研究沙尘气溶胶对冰云CTT的影响。沙尘气溶胶是有效的IN，可以在较暖的温度、较低的过饱和度时，通过异质核化过程促进冰云生成，但由此引起的冰云宏观特征（如CTT）的改变尚存在很大不确定性。为此，本文结合了多传感器、多平台的卫星观测及高分辨率云模式来分析沙尘气溶胶对冰云CTT的影响，以期减小观测研究中的不确定性、并定量沙尘气溶胶引起的冰云CTT的变化范围。本文选择发生在中国东部的一次沙尘气溶胶与中尺度对流系统(mesoscale convective system，简称为MCS)相互作用典型个例，首先利用星载被动可见光及红外光谱仪、主动云雷达和激光雷达确定本个例中云和气溶胶的水平、垂直分布;再利用高分辨率WRF(Weather Research and Forecasting)模式模拟了该MCS内、外部的三维风场，来辅助卫星观测判定沙尘气溶胶对云团不同区域的影响程度;在此基础上，在同一个云系内，区分出受到沙尘污染严重的区域、轻度污染的区域，通过对比分析确定了二者之间CTT观测值的差别;然后，通过不考虑气溶胶影响的云模式模拟结果，估算了二者之间因热动力效应所造成的CTT的差异;进一步根据前述结果，估算了沙尘气溶胶间接效应导致的二者之间CTT的差异。最后，利用WRF/WRF-Chem分析了不同的微物理参数化方案、不同初始场、不同积云对流参数化方案、不同冰核参数化方案等对冰云CTT的模拟效果。研究结果表明:受沙尘污染的冰云CTT的概率分布函数(probability distribution function，简称PDF)更偏向暖的一端，且出现双峰结构，在-25℃处出现较暖的峰值，这是异质核化生成的冰晶所导致。对于给定的云冰水路径、云光学厚度，受沙尘污染的冰云总是有更多CTT＞-38℃的样本。数值模拟表明，不添加气溶胶相关模块时，不同微物理参数化方案、不同初始场、不同积云对流参数化方案的WRF模拟都可以合理模拟出轻度污染区冰云CTT的分布，但是对于受沙尘气溶胶严重污染的区域，不同模拟差异很大，且均无法合理模拟出CTT的PDF在-25℃处的峰值。通过结合卫星观测与WRF模拟，定量确定了本个例中沙尘气溶胶对冰云CTT的影响范围是15～35.3℃每单位AOD。另外，利用WRF-Chem分析不同冰云核化参数化方案的对冰云CTT的模拟效果，结果表明Meyers方案、Demott方案和Niemand方案比Morrsion方案更接近观测，改善了冰云CTTPDF在-25℃处的峰值;但是对另一个-43℃附近的PDF峰值并没有显著改善，可能由于WRF-Chem中未充分考虑异质核化对同质核化的影响。 (3)利用EOF方法定量分析沙尘气溶胶对降水垂直结构的影响。降水的垂直结构（即降水率随高度的变化）是由云动力、热力、微物理过程综合决定的。沙尘气溶胶可作为CCN和IN参与云粒子形成过程、改变水凝物相态和潜热释放的时空分布，影响降水宏观结构。本文利用TRMM PR探测的降水三维结构、降水类型、以及EOF分析方法定量沙尘气溶胶对降水垂直结构的影响。本文选择发生在赤道大西洋的沙尘气溶胶与MCS相互作用的个例，把同一MCS系统分离为受沙尘气溶胶污染样本、干净样本;并根据TRMM PR对降水类型的分类，把降水样本区分为对流降水和层云降水。由于PR算法根据降水廓线的垂直结构和雷达回波的水平变化来区分降水类型，其雨型分类与基于云动力学、云系发展阶段的分类方法具有等效的效果，均能在一定程度上限制样本之间由云的热动力过程造成的差异，使得气溶胶对云和降水的影响效果更为突出。本文进一步利用EOF分析方法从数学上将降水率随高度的变化分离为相互独立的变化模态，又利用相关分析从物理上给出不同变化模态的物理意义，从而定量了沙尘气溶胶对降水垂直结构的影响。此外，本文还分析了热带大西洋14年的卫星观测数据，讨论了雨顶高度与背景气溶胶的时间相关性及其气候意义。研究结果表明降水的垂直结构主要受云热动力过程控制，并与沙尘气溶胶存在潜在联系。对于给定的近地表降水率，受沙尘污染的层云降水雨顶高度系统地、显著地高于干净的层云降水。但是对流降水的雨顶高度在不同区域之间未见明显差异。对降水廓线的EOF分析表明，对流降水的EOF前三模态(分别简称为EOF1、EOF2、EOF3)、层云降水的EOF1在受污染与清洁情况无明显差异，且均与前人基于长时间大范围的降水廓线EOF分析结果一致。但是，受沙尘污染的层云降水EOF2和EOF3出现了冻结层以上降水强度增大的现象。相关性分析表明，沙尘污染区层云降水EOF2和EOF3与大气可降水量、云冰水含量的相关性显著增强。由此推测EOF2和EOF3可能代表了沙尘气溶胶作为IN增强了冻结层以上的冰相降水过程，且该现象在云动力过程较弱的层云降水表现明显，而对于云动力过程较强的对流降水表现不明显。在本个例中，沙尘气溶胶对层云降水垂直结构的影响占6.12％。此外，对沙尘气溶胶与MCS相互作用的大量个例进行EOF分析，同样发现沙尘气溶胶使EOF3出现冻结层以上降水强度增大的现象，占降水垂直变化总体的2.39％。另外，统计研究发现，热带大西洋上层云降水归一化雨顶高度（简称为NSH）与背景场粗模气溶胶光学厚度的时序变化具有很高的一致性，二者的时间相关系数达0.512，这一数值超过了绝大部分气象要素与层云NSH的相关性。这说明热带大西洋层云降水的垂直发展与沙尘气溶胶之间存在显著联系，可能反映了沙尘气溶胶对层云降水垂直结构的影响具有气候意义。

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作者
董雪;
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作者单位

中国科学技术大学;

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授予单位中国科学技术大学;
学科空间物理学
授予学位博士
导师姓名李锐,赵纯;
年度 2018
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类人工影响天气;气象基本要素、大气现象;
关键词
沙尘气溶胶; 云和降水; 垂直结构;

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