中国区域气溶胶的光学厚度特征和气候效应研究

论文摘要

作为大气中的一种重要成分,气溶胶的变化及其辐射强迫和对气候系统的影响近年来得到了科学界的高度重视,已经成为当今地球气候系统变化规律研究的核心课题之一。研究发现,气溶胶是气候强迫中最大的不确定性因子,但是迄今为止,气溶胶的特征和影响尚未得到充分研究。气溶胶光学厚度（AOT）作为气溶胶的一项重要参数,常被用于分析气溶胶特征以及气候效应。本文利用气溶胶光学厚度代表多种气溶胶组分的共同作用,采用诊断分析与数值模拟相结合的方法,以揭示AOT的空间分布、变化特征及其对我国气候的影响为主要目标。重点研究了由气候变化指数表征的中国降水、气温以及极端降水、气温的分布和变化规律,在此基础上,分析了气溶胶光学厚度与我国气候变化的可能关联。最后,利用RegCM3区域气候模式对气溶胶的气候效应进行了模拟试验。主要结论归纳如下:1.利用TOMS卫星反演的逐月资料,揭示了我国气溶胶光学厚度的空间分布及变化特征;并利用REOF和聚类分析相结合的方法将我国陆地区域分成10个区域,结合四个海区（渤海、黄海、东海和南海）,讨论了各个分区的AOT特征。结果表明,南疆盆地、华南沿海及四川盆地的AOT高值区最突出,华北至长江中下游地区的气溶胶光学厚度值也较大,青藏高原东部、青海东部及云南等地为气溶胶低值区;海上的相对高值区位于南海。气溶胶光学厚度的分布具有明显的季节性特征,随着纬度的增加,季节性差异减小。我国陆地AOT值明显高于海洋上空,海域上空的季节差异较小。绝大部分地区春季AOT值最大,不同地区极小值出现的季节不同。年平均气溶胶光学厚度值保持上升趋势,海陆上空的同期变化基本一致。AOT变化具有典型的地理特征:基本以110°E为界,在经济发达、人类活动多的东部及沿海地区增加明显;西部地区变化相对较弱,新疆西部、云南和青藏高原东南部地区的AOT值有所减小。冬夏季节的增加趋势弱于春秋季节,春季的时空分布最接近全年情况。我国海陆上空的气溶胶光学厚度均具有明显的季节性振荡特征,1a、2a和2a以上的年际周期也非常显著。2.利用1961-2000年中国550站的日最高、最低气温和降水资料,计算了16种气候变化指数,研究了近四十年来我国气候以及极端气候的变化情况。指数的变化显示,平均气温、最低和最高气温在年际和季节性尺度上都趋于增高,最高温度略有增温,最低温度显著增温,日较差显著变小。最高气温呈北方增暖明显、南方变化不明显、部分地区为弱降温趋势的分布特征;最低气温在全国基本呈现一致的升温趋势;东部地区的最高、最低气温的增温比较突出。日较差在全国呈现一致的下降趋势,在北方地区尤为明显,各季平均日较差亦均呈下降趋势,并以冬季的下降幅度为最大。气温指数大致在20世纪80年代发生了年代际的升温变化,最低气温的升高幅度小于最高气温。研究期内,降水量、极端降水量和极端降水概率均表现为弱的线性增加趋势,在20世纪80年代末期降水指数发生了年代际转折,此后极端降水量没有发生明显的变化,但极端降水事件趋于频繁,尤其在20世纪90年代,极端强降水量比例趋于增大。全国来看,西北、长江中下游及长江以南地区极端降水的降水量趋多,发生次数也增加;东北南部、华北以及四川盆地极端降水事件的变化则相反,其中华北和四川盆地的降水量和降水次数的减少趋势尤其显著。3.利用气溶胶光学厚度资料和气候变化指数,研究了两者间的同期相关关系,分析了AOT与我国气候以及极端气候变化的关系。研究表明,气溶胶光学厚度与我国气候指数变化的关系具有明显的季节性特征:春季,AOT增加趋势最明显,AOT与气温指数的关联最密切,降水量减少最多;夏季,AOT增加趋势最弱,AOT与气温指数的关联最弱,降水量增加最明显;秋冬季节,AOT与气候指数间的关系较弱。全国范围内,AOT与气温指数在新疆北部、甘肃、华北、山东半岛、西南地区西部、长江中下游及华南沿海等地区关系密切。AOT与降水指数在华北西部、长江中下游至华南呈显著正相关,在新疆北部、西南部分地区和东北少数站点呈显著负相关。整体而言,气溶胶光学厚度的增加有可能导致我国的平均气温、最高和最低气温下降,降水量和极端降水比率减少。4.采用RegCM3区域气候模式模拟了气溶胶对我国气候的影响。模拟结果显示,加入气溶胶光学厚度以后,我国的平均气温、最低和最高温度均降低,分别降低0.027、0.007、0.034℃;降水量也有所减少,全国平均月减少0.3 mm/d。但温度和降水的变化幅度都较小。全年来看,气溶胶在冬半年的降温效应比较强,在夏半年对降水的抑制作用较明显。增加气溶胶影响后,南疆盆地的降温最为明显,东北大部、四川盆地以及长江中下游地区的降温也比较明显;四川盆地、长江中下游及以南地区的降水减少最明显,我国西部和北方地区降水量略有增加。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 中国气溶胶光学厚度特征研究进展
• 1.2.1 气溶胶光学厚度的获取方法
• 1.2.2 我国气溶胶光学厚度特征的研究进展
• 1.3 气溶胶气候效应问题的研究进展
• 1.3.1 气溶胶对温度的影响研究
• 1.3.2 气溶胶对降水的影响研究
• 1.3.3 气溶胶光学厚度的气候效应研究
• 1.4 极端气温、降水事件研究进展
• 1.4.1 极端温度事件的研究进展
• 1.4.2 极端降水事件的研究进展
• 1.4.3 气溶胶对极端气候事件影响的研究进展
• 1.5 本文的研究工作
• 1.6 全文结构框架
• 参考文献
• 第二章 中国气溶胶光学厚度的分布特征和变化趋势
• 2.1 引言
• 2.2 资料和方法
• 2.2.1 气溶胶光学厚度资料说明及验证
• 2.2.2 数据处理及方法
• 2.3 中国气溶胶光学厚度的整体特征
• 2.3.1 中国气溶胶光学厚度的空间分布情况
• 2.3.2 中国气溶胶光学厚度的变化规律
• 2.3.3 小结
• 2.4 中国气溶胶光学厚度的区域性特征
• 2.4.1 分区方法
• 2.4.2 中国气溶胶光学厚度的分区情况
• 2.4.3 各选区气溶胶光学厚度的变化规律
• 2.4.4 小结
• 参考文献
• 第三章 近四十年来中国气候变化特征分析
• 3.1 引言
• 3.2 资料和方法
• 3.3 中国区域极端气温指数的时空特征
• 3.3.1 气候分布及年代际变化特征
• 3.3.2 年均极端气温指数的趋势变化特征
• 3.3.3 季节平均极端气温指数的趋势变化特征
• 3.4 中国区域极端降水指数的时空特征
• 3.4.1 气候分布及年代际变化特征
• 3.4.2 年均极端降水指数的趋势变化特征
• 3.4.3 季节平均极端降水指数的趋势变化特征
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 气溶胶光学厚度与中国气候变化的联系
• 4.1 引言
• 4.2 资料和方法
• 4.3 气溶胶光学厚度与中国气温变化的关系
• 4.3.1 年平均气溶胶光学厚度与中国气温的关系
• 4.3.2 季节平均气溶胶光学厚度与中国气温的关系
• 4.4 气溶胶光学厚度与中国降水变化的联系
• 4.4.1 年平均气溶胶光学厚度与中国降水的联系
• 4.4.2 季节平均气溶胶光学厚度与中国降水的联系
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 气溶胶气候效应的数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 RegCM3模式简介
• 5.3 RegCM3模式结果分析
• 5.3.1 模拟方案
• 5.3.2 模拟效果
• 5.3.3 气溶胶对我国气温的影响
• 5.3.4 气溶胶对我国降水的影响
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文研究的主要内容和结论
• 6.2 创新点
• 6.3 问题和展望
• 致谢