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中国地区黑碳气溶胶的输送及其气候效应研究

作　者: 孙家仁
导　师: 刘煜
学　校: 中国气象科学研究院
专　业: 大气物理学与大气环境
关键词: 气溶胶—气候耦合模式黑碳气溶胶输送特征气溶胶同化系统气候效应
分类号: P402
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本论文包含以下两个主要研究内容:一.将两个国际上比较先进的模式——NCAR/UCAR联合开发的新一代大气环流模式(GCM)Community Atomospheric Model3.0(CAM3.0)和龚山陵博士主持开发的加拿大气溶胶模块(Canadian Aerosol Module,CAM)——进行单向在线耦合,开发了一个“气溶胶—气候”耦合模式。应用该耦合模式模拟比较了不同排放源(本文使用了三种排放源资料,分别为GEIA的全球资料、David Streets的2000和2004年东亚地区的资料)情形下中国地区模拟结果的差异,并将它们与中国地区的观测资料作了对比,分析了模拟的不确定性因素。结合上述排放源的比较,描述了中国地区黑碳气溶胶(BC)的输送特征,对产生这种特征的原因进行了分析。二.对中国地区的黑碳气溶胶的气候效应进行了研究。利用CAM3.0自带的气溶胶模式分别研究了全球仅中国区域有黑碳、硫酸盐、黑碳+硫酸盐气溶胶情况下对东亚夏季风的影响。这种气候效应是国际上前沿的科学问题,十分有研究价值。得出如下几点主要结论:1. GEIA试验模拟显示的全球冬夏黑碳气溶胶的分布与其源强分布一致。黑碳气溶胶的全球输送与大气环流形式比较一致,中国地区受亚洲季风的影响,在近地面上,冬季长距离输送较显著,夏季不明显。2.气溶胶—气候耦合模式模拟使用的GEIA的排放源源强约是David Streets的源强的两倍,而David Streets的两个源的源强比较一致。通过三个试验模拟结果与中国地区实测资料的比较得出,模拟结果相对于重污染城市测站以及西部偏远测站偏低,但和本底站观测值比较接近。普遍来看,GEIA试验模拟与实测资料拟合得较好。3.中国地区黑碳气溶胶的输送受东亚季风系统(如副高、西风急流等)的驱动有季节变化。一般来说,在地面上,冬季由北向南输送,夏季由南向北输送。冬季越西太平洋的长距离输送较强,夏季这种纬向输送不显著,而主要表现为由低纬向高纬的经向输送形势。500hpa以上各层的黑碳气溶胶在西风带的作用下,几乎都是自西向东的长距离输送,输送强度有季节性差异,其中,夏秋季较强,春冬较弱。黑碳气溶胶整层长距离输送形势也显示,夏秋季输送较强,春冬季较弱,由春到冬输送带先向北移动再向南移动,夏季移至最北,秋季开始南退,冬季缩至最南。黑碳气溶胶的长距离输送主要发生在500hpa以上的高层,这些高层的输送量占整层气溶胶含量的大部分。4.通过CAM3.0自带的气溶胶同化系统的模拟得出:中国区域硫酸盐气溶胶引起全球平均辐射强迫为-0.25W/m~2,黑碳为+0.13W/m~2;中国区域硫酸盐使得中国内陆约25°N以北普遍降温,与硫酸盐浓度分布相对应的,在四川盆地、东北和西北地区存在三个较显著的降温区,降温值皆可达-0.7°C左右。黑碳气溶胶引起除了青藏高原、新疆中部、云南和广西等地区升温以外,中国其它地区都降温,其中,东北、四川盆地、内蒙中北部降温显著。这两种气溶胶都使海洋上气温升高。从而使得海陆温差减小,陆地表面气压显著升高,海洋表面气压略有升高或降低,因而对东亚夏季风起到减弱的作用。其中,硫酸盐对其减弱贡献较大,导致中国区域季风降水明显减少,而黑碳气溶胶贡献较小,长江中下游地区降水还有增加。季风强度指数的定量计算上也说明了这一点。硫酸盐气溶胶对中国地区的对流活动起抑制作用,而黑碳气溶胶对中国东南地区的对流活动起加强作用。这两种气溶胶通过直接气候效应主要影响积云降水。东亚夏季风的减弱除了由于两种气溶胶对地表气温的影响引起海陆热力差异缩小并进一步改变大气环流以外,海陆降水变化差异引起的海陆潜热加热变化差异也是一个不可忽视的因素。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 引言  9-13
    1.1.1 黑碳气溶胶的基本性质  9-11
    1.1.2 黑碳气溶胶的研究历史  11-12
    1.1.3 黑碳气溶胶的国内外研究现状  12-13
  1.2 本论文的研究方法、内容和目的  13-15
第二章模式描述  15-25
  2.1 引言  15
  2.2 大气环流模式CAM3.0  15-17
    2.2.1 CAM3.0 的基本描述  15-16
    2.2.2 CAM3.0 的主要过程的参数化方案  16
    2.2.3 CAM3.0 的气溶胶同化系统  16-17
  2.3 加拿大气溶胶模块CAM  17-22
    2.3.1 CAM 模式一般描述  17-18
    2.3.2 黑碳气溶胶在CAM 模块中参与的微物理过程  18-22
  2.4 模式耦合思路  22-23
  2.5 耦合模式并行化的实现  23-24
  2.6 本章小结  24-25
第三章中国地区黑碳气溶胶的分布和输送特征  25-48
  3.1 引言  25
  3.2 排放源的数据来源、特征及处理  25-26
  3.3 模拟实验设计  26
  3.4 GEIA 试验显示的BC 的全球分布与输送概况  26-30
  3.5 误差分析  30-31
  3.6 模拟的中国地区的情况  31-37
    3.6.1 各试验中国地区的源强比较  31-33
    3.6.2 冬季不同排放源下BC 分布和输送的差别  33-37
  3.7 中国区域黑碳气溶胶分布与输送特征描述  37-46
    3.7.1 春季（MAM）  37-40
    3.7.2 夏季（JJA）  40-43
    3.7.3 秋季（SON）  43-45
    3.7.4 冬季（DJF）  45-46
  3.8 本章小结  46-48
第四章中国地区黑碳气溶胶的气候效应  48-69
  4.1 引言  48
  4.2 中国地区黑碳气溶胶对东亚夏季风的影响  48-57
    4.2.1 资料  48-49
    4.2.2 研究方法  49
    4.2.3 试验设计  49
    4.2.4 结果分析  49-57
  4.3 中国地区硫酸盐气溶胶对东亚夏季风的影响  57-67
    4.3.1 资料和试验设计  57
    4.3.2 结果分析  57-67
  4.4 硫酸盐和黑碳气溶胶对东亚夏季风的综合影响  67
  4.5 本章结论  67-69
    4.5.1 黑碳气溶胶对东亚夏季风的影响  67
    4.5.2 硫酸盐气溶胶对东亚夏季风的影响  67-68
    4.5.3 综合气溶胶对东亚夏季风的影响  68-69
第五章结论与讨论  69-71
  5.1 结论  69-70
  5.2 讨论  70-71
参考文献  71-77
致谢  77-79
个人简历  79-80
附录  80-81

中国地区黑碳气溶胶的输送及其气候效应研究

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