中国东部气溶胶对暖云宏微观特性的影响

发布时间：2017-12-06 20:33

  本文关键词：中国东部气溶胶对暖云宏微观特性的影响

  更多相关文章： 中国东部 气溶胶-云相互作用 云物理特性 多源卫星

【摘要】：由于人类活动和生物质的燃烧或沙尘暴等产生的气溶胶颗粒被风输送到城市中,导致城市分布较为密集的中国东部地区含有大量的气溶胶颗粒。气溶胶对局地气候如季风强度和降水分布等产生重要影响。反之,中国东部地区季风气候影响气溶胶的湿沉降和传输过程。同时,中国东部气溶胶的分布与变化影响云的宏微观物理特性,因此,对中国东部气溶胶-云相互作用研究显得尤为重要。针对目前研究较少将气溶胶类型、大气因素和云演变过程综合考虑到中国东部地区气溶胶-云相互作用研究中,分析不同因素对其相互作用过程的影响的问题,本文基于多源卫星数据和气象资料,深入研究气溶胶类型、气象因素以及历史数据对气溶胶-云相互作用的影响以及海陆的云的宏微观物理特性差异。该研究为今后的气溶胶-云相互作用研究提供模型参数输入和参考依据。在气溶胶层和云层混合基础上,本文基于同时刻获取的气溶胶和云参数数据,系统分析了长江三角洲地区的云参数对气溶胶光学厚度增加的响应。研究结果表明,云光学厚度和云液态水路径与云滴有效半径之间的关系并不是唯一的,它们同时受到气溶胶光学厚度大小的影响。在轻污染情况下,云滴有效半径随气溶胶光学厚度增加而减小;在污染和重污染情况下,云滴有效半径随气溶胶光学厚度增加而增大。云量对气溶胶光学厚度增加的响应和云滴有效半径一致。云光学厚度随着气溶胶光学厚度增加而减小,云顶气压随着气溶胶光学厚度增加而增大。相对于沙尘气溶胶来说,烟尘气溶胶条件下的气溶胶-云相互作用更强。研究结果也表明,相对湿度高的环境能够促进水平和垂直方向上的大云滴的生成,增加云量。不稳定大气环境能够促进较高较厚的云生成,相反地,稳定大气环境能够使水平方向上云量增加。从动力学角度,大气上升运动能够促进较高较厚的云的生成。针对同一时刻获取的气溶胶和云属性参数数据进行研究,则会忽略大气协变和历史数据对其的影响,本文研究分析了中国东部海陆暖云云物理参数分别在高/低气溶胶环境下,经过三个小时的云演变过程,海陆暖云云物理参数的变化情况,以及这种变化受初始大气条件的影响。该研究用到的数据包括上午星MODIS/Terra和下午星MODIS/Aqua卫星数据以及同步气象资料。经过3小时的云演变过程,将初始时刻(上午星)定义的高气溶胶样本对应的云参量变化量的平均值与低气溶胶样本对应的云参量变化量的平均值进行差值,用于表征气溶胶光学厚度对云参量变化量的影响。研究表明,云滴有效半径和云量对气溶胶光学厚度增加的响应在海洋和陆地研究区表现不一致。而气溶胶光学厚度对云参量(云光学厚度,云液态水路径和云顶气压)的影响在两个研究区的表现较为一致。研究进一步分析了初始大气气象条件和初始云量对该云量变化的影响。结果显示:压强垂直速度对云量变化的影响微弱。当相对湿度小于70%时,随相对湿度的增加,云量变化减小。当LTS25时,大气环境越稳定,云量变化越大。若初始云量小于0.8时,则初始云量与云量变化量有微弱的正相关关系。为了揭示暖云在不同云演化阶段的云物理参数特征差异,本文以中国东部海洋和陆地上空的暖云为研究对象进行研究对比分析。研究表明,与海洋上空的暖云相比,陆地上空的暖云云光学厚度较大,云滴有效半径较小,云液态水路径在低值区域概率分布较大,高值区域概率分布较小。相反地,云滴数浓度在低值区域概率分布较低,在高值区域概率分布较高。该研究结果符合Twomey效应。海洋暖云云参数的协同变化特征与陆地暖云一致,即云滴有效半径和云液态水路径呈现正相关关系,云液态水路径越大,云滴有效半径越大。同时可以发现,云滴有效半径越小,云光学厚度增加。云滴有效半径与云滴数浓度呈现负相关关系。本文进一步分析了中国东部陆地具有不同气溶胶浓度分布的华北和江淮上空单层暖云的宏观和微观物理特性差异,该研究用到的数据主要是CPR/CloudSat卫星产品。研究表明,云的几何光学厚度随着云的发展会增加。江淮地区的单层暖云比华北地区的单层暖云几何厚度大。华北地区的云液态水含量特征与江淮的基本类似,不同的是华北地区的云液态水含量分布是双峰,表明在华北地区存在明显的低云和中云。云液态水路径能够很好地表征云颗粒形成降雨的过程。江淮地区云雷达反射率较小以及形成雨的过程较慢。除此之外,在海拔高度3 km以下,在江淮地区云滴有效半径比较小且其对应的位置比较低。以上结果表明,高气溶胶浓度会抑制降雨的形成。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P426.5;X513

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