北美地区火活动特征和短时间尺度有效辐射效应研究

发布时间：2020-11-20 20:00

　　 火是地球系统的重要组成部分,对生态系统、经济活动和社会生活具有深远影响。了解火活动在地球系统中扮演的角色,包括火的分布特征、演变规律和影响效应,对合理有效地利用、管理和防治火活动具有重要意义。已有的研究表明,火排放气溶胶在长时间尺度(1年)和短时间尺度均具有显著的辐射效应。然而,现有的关于辐射效应的模式评估存在很大的不确定性。这一方面是由于火排放资料和模式模拟能力的影响。另一方面,从模式结果中提取与火排放气溶胶有关的信号也具有不确定性。由于气溶胶和云的生命周期以及气溶胶—云相互作用受到大气自然变率的影响,模拟自然变率所产生的内部噪声会干扰从模式结果中提取与气溶胶变化有关的信号。因此,现有的模式研究在评估火排放气溶胶的云辐射效应时,大多需要进行长时间(多年)模拟,通过多年平均来削弱噪声的影响。火排放气溶胶在短时间尺度云辐射效应的研究则大多依赖于观测。与模式研究相比,观测分析虽然能够评估云辐射效应的强度,却难以分析火排放气溶胶—云相互作用的具体过程。本文的工作分别从火活动的时空分布特征和短时间尺度有效辐射效应的角度,对北美地区的火活动展开深入研究。这里我们提出一种评估火排放气溶胶在短时间尺度有效辐射效应的方法,即牛顿松弛(又称nudging)和集合模拟相结合的方法。为了考虑由火排放资料带来的不确定性,文中使用三套不同的火排放资料驱动模式。主要结论如下:(1)由于降水的影响,墨西哥南部地区2003-2014期间春季火活动高峰期的火排放量具有准两年的年际变化特征。而在短时间尺度,降水与火排放量之间的相互作用构成正反馈过程,加强火排放量异常。本文基于观测资料发现2003-2014期间墨西哥南部地区春季4-5月的火排放量具有准两年的年际变率。相同的年际变化特征在多套火排放资料和气溶胶数据中得以验证。对不同影响因子的分析结果表明,降水也同样具有准两年的年际变率,并与火排放量呈负相关关系。在任意一年,降水减少会增加火活动发生的频率,从而导致更多的火排放量。反之亦然。在短时间尺度,降水与火排放量存在双向的相互作用。降水对火活动的影响通常可持续20天左右,而火排放量则通过快速调整过程影响降水,通常持续3-5天。当火排放量(作为对降水减少的响应)增加时,会通过气溶胶的间接效应进一步抑制降水。因此,在短时间尺度降水-火之间的相互作用构成一个正反馈循环过程,使得火排放量异常的幅度增加。(2)使用强度合理的火排放资料,模式能够较好地模拟火排放气溶胶垂直积分的性质,但气溶胶在垂直方向的分布特征受到火排放高度的影响。模式评估的结果表明,本文使用的三套火排放资料中,QFEDv2.4具有最合理的火排放强度。使用该资料模拟得到的气溶胶光学厚度(AOD),无论是时间变化特征还是强度,均与AERONET站点资料相一致。此外,在火活动下游地区使用QFEDv2.4火排放资料的试验得到的气溶胶浓度也与观测资料最为接近。然而,在火活动源区该试验的结果却表现为明显高估。这是由于QFEDv2.4火排放资料采用CAM5标准的火排放高度,最大的火排放量分布在模式最低层,往上层则大幅度减少。因此在模式最低层取样与观测比较时,会导致模式结果的高估。(3)尽管nudging风场可以很好地约束气溶胶的分布,但云的性质以及云对气溶胶变化的响应,仍对气象场的微小扰动十分敏感。需将nudging风场与包含9个以上成员的集合模拟试验相结合,才能有效地评估火排放气溶胶在短时间尺度的云辐射效应。集合模拟试验的结果表明,nudging通过约束大尺度环流场,可以很好地约束气溶胶的分布特征。同一组试验中,不同集合成员得到的AOD十分相近。然而即便如此,各集合成员得到的云辐射强迫却仍有很大的差别。这意味着在nudging风场的前提下,气象场的微小扰动仍会给云的性质以及云对气溶胶变化的响应带来很大的影响,使得评估结果具有不确定性。因此仅使用单个成员的结果来评估火排放气溶胶在短时间尺度的云辐射效应并不可靠。需要将nudging与集合模拟的方法相结合。含有不同成员个数的试验的比较结果表明,需要将nudging风场与至少9个成员的集合模拟相结合才能有效地约束云辐射效应的不确定性。(4)在美国中部和墨西哥南部地区,火排放气溶胶可在短时间尺度产生显著的短波云辐射效应,其强度约为短波直接辐射效应的3倍。其中直接辐射效应受到火排放气溶胶与云在垂直方向相对位置的影响。火排放气溶胶可通过不同机制,包括直接影响云微物理过程和通过环流反馈影响云微物理过程,分别影响暖云和冰云的性质,并产生符号相反的云辐射效应。基于提出的方法,本文分别评估火排放气溶胶在单日和十天平均的有效辐射效应。4月7日在墨西哥南部陆地区域与相邻海洋,虽然火排放气溶胶浓度相近,但直接辐射效应的符号却相反。这是由于陆地区域的黑碳气溶胶分布在云层上方,因而有更多云反射的太阳辐射被黑碳气溶胶所吸收,增强了黑碳气溶胶的吸收作用,产生正的直接辐射效应。而在相邻的海洋区域,由于云量较少,吸收增强的机制并不存在,产生负的直接辐射效应。对十天平均的结果来说,美国中部和墨西哥南部地区区域平均的短波云辐射效应分别为-0.86Wm-2和-3.02 Wm-2,相应的短波直接辐射效应分别为-0.1 Wm-2和-0.56 Wm-2。在墨西哥南部区域,显著的负的云辐射效应覆盖整个区域。而在美国中部地区,火排放气溶胶的短波云辐射效应在南北侧符号相反,北侧为增暖效应,南侧为冷却效应。两个区域负的云辐射效应与火排放气溶胶引起的暖云的变化有关。火排放气溶胶作为云凝结核直接影响暖云微物理过程,引起云滴数浓度和液态水路径增加,从而产生负的短波云辐射效应;正的云辐射效应则与冰云的变化有关。火排放气溶胶会带来垂直方向向上的速度和水汽输送减少。通过这一环流反馈影响冰云,引起冰水路径和冰晶数浓度的减少,从而产生正的短波云辐射效应。因此,在短时间尺度,火排放气溶胶可通过不同的机制分别影响暖云和冰云,并产生显著的符号相反的云辐射效应。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X513
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 火是地球系统的重要组分
        1.2.1 火对大气化学成分的影响
        1.2.2 火排放气溶胶的辐射效应和气候效应
    1.3 火的基本性质
        1.3.1 火活动的分类和时空分布特征
        1.3.2 火活动发生发展的影响因子
        1.3.3 火活动在不同时间尺度的变率
    1.4 火排放气溶胶辐射效应的研究进展
        1.4.1 火排放气溶胶在不同时间尺度的辐射效应
        1.4.2 火排放气溶胶辐射效应的不确定性及成因
    1.5 本文的研究内容
    本章参考文献
第二章 资料和模式简介
    2.1 火排放数据
        2.1.1 基于自下而上方法的火排放数据
        2.1.2 基于自上而下方法的火排放数据
    2.2 气溶胶数据
    2.3 植被数据
    2.4 气象场数据
    2.5 模式简介
    本章参考文献
第三章 北美地区火活动的时空分布特征
    3.1 引言
    3.2 火活动多年平均特征
        3.2.1 火排放总量
        3.2.2 火活动种类
    3.3 美国中部地区火活动年际变率
    3.4 墨西哥南部地区火活动年际变率
        3.4.1 年际变率特征的观测验证
        3.4.2 年际变率的成因分析
    3.5 不同火排放数据比较
    3.6 本章小结
    本章参考文献
第四章 评估模式对火排放气溶胶的模拟能力
    4.1 引言
    4.2 试验设计和研究方法
        4.2.1 对牛顿松弛方法（Newton Relaxation）的简单介绍
        4.2.2 试验设计
    4.3 评估模式对火排放气溶胶的模拟能力
        4.3.1 模式结果与再分析资料比较
        4.3.2 模式结果与AERONET站点资料比较
        4.3.3 模式结果与IMPROVE资料比较
    4.4 本章小结
    本章参考文献
第五章 火排放气溶胶短时间尺度的有效辐射效应
    5.1 引言
    5.2 试验设计
    5.3 火排放气溶胶辐射效应的定义和计算方法
    5.4 十天平均的模式结果
        5.4.1 火排放气溶胶的分布特征
        5.4.2 火排放气溶胶的辐射效应
    5.5 日平均的模式结果
    5.6 有关试验设计方法的讨论
    5.7 本章小结
    本章参考文献
第六章 全文总结与讨论
    6.1 全文总结
    6.2 本文的创新点
    6.3 讨论与展望
致谢
在学期间研究成果

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本文编号：2891922