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原因的新视角,青藏高原所揭示中国风速减弱削

发布时间:2019-07-14 06:44编辑:科学浏览(59)

    地表太阳辐射驱动着地球表面上水、热、碳等循环。已有研究发现在全球多数地区地表太阳辐射在上世纪90年代之前呈现持续减弱趋势,此后辐射增强,而气溶胶溶度的变化被认为是太阳辐射年代际变化的主导因子。在中国,由于过去几十年总云量减少与地表太阳辐射减弱的矛盾,气溶胶排放增加更是被认为是辐射减弱的罪魁祸首。值得注意的是,风速减弱是过去几十年中国气候变化的一个主要特征,而风速减弱不利于气溶胶的扩散,因而可能进一步减弱地表太阳辐射。然而,由于缺乏长期的气溶胶浓度观测,使得上述猜想缺乏数据支持。

    作为地球上所有生命的初级能量来源,太阳辐射深刻地影响着大气、水循环及生态系统。在青藏高原上更是如此,更稀薄、洁净的空气以及更低的水汽含量使得其接收到了更多的太阳辐射,成为地表能量预算中最重要的一部分,深刻地影响着冰冻圈。

    近期,中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学研究中心激光雷达技术研究室的科研团队对合肥地区大气气溶胶光学特性的季节变化规律、日变化特征及其对辐射强迫计算的影响进行系统的研究,并取得一些新进展。该研究对污染地区辐射效应评估具有一定参考价值。相关成果分别于2015年7月20日和2014年5月28日发表在欧洲地球科学协会出版的Atmos.Meas.Tech.(2015,8,2901-2907)和美国地球物理协会出版的J.Geophys.Res.Atmos.(2014,10,6128-6139)上。

    20世纪50年代,叶笃正先生提出了青藏高原在夏季是热源的见解,同时首次指出青藏高原在冬季是冷源,并深入研究了夏季青藏高原热源及其对东亚大气环流的影响,由此开拓了对大地形热力作用的研究,并开创了青藏高原气象学。值叶笃正先生百年诞辰之际,中国科学院大气物理研究所LASG国家重点实验室黄刚团队(第一作者为其博士生朱丽华)沿用叶笃正1979年提出的青藏高原地表感热的计算方法,计算了全球变暖停滞期的高原感热,并探讨了期间感热变化的原因。

    近日,中国科学院青藏高原研究所青藏高原卓越创新中心研究员阳坤课题组利用常规气象资料建立了去除云效应之后的地表太阳辐射和地表风速的统计关系,提供了地表风速减弱可降低地表太阳辐射的明确证据,该效应在污染较严重地区可以致使地表太阳辐射降低达15%,而在青藏高原以及其他污染较轻的地方该效应则可以忽略。当风速强于3.5 m/s,气溶胶基本可以通过扩散被清除,地表太阳辐射则不再随风速改变。利用这一统计关系,阳坤课题组首次建立了定量估计气溶胶直接辐射效应(包括排放增加的效应与风速减弱的放大效应)对地表太阳辐射长期变化的贡献。其结果表明,该贡献值大约为20%,而不是已有研究认为的主导因子。若考虑气溶胶排放维持在1960年代水平,那么1990年之后中国地表太阳辐射将会明显增强。该研究成果已于10月14日发表在Nature出版集团旗下的刊物Scientific Reports上(Lin, C., K. Yang, J. Huang, W. Tang, J. Qin, X. Niu, Y. Chen, D. Chen, N. Lu & R. Fu. 2015. Impacts of wind stilling on solar radiation variability in China. Sci. Rep. 5, 15135; doi: 10.1038/srep15135)。

    有研究表明,自上世纪五十年代以来,世界大部分地区的太阳辐射出现了下降趋势,即所谓的“全球变暗”的现象。该现象持续了数十年,在1990年之后宣告终结,日趋明亮(M.Wild等 2005)。这样的扭转过程并未在青藏高原上发现,相反,其呈现出了持续的“变暗”趋势(W. Tang 等 2011)。

    气溶胶既是造成大气污染的主要成分之一,也是影响地气系统辐射平衡的重要辐射强迫因子。气溶胶可以通过其直接辐射强迫和间接效应影响气候。即一方面气溶胶粒子通过直接散射和吸收太阳辐射,从而直接造成大气吸收的太阳辐射能、到达地面的太阳辐射能以及大气顶反射回外空太阳辐射能的变化。另一方面气溶胶粒子的存在,可以改变云的物理和微物理特征并进而改变云的辐射特征,影响太阳能在地气系统中的分配。由于气溶胶是由具有不同谱分布、形状、化学组成和光学性质的物质构成的,而且气溶胶浓度的时空变化可达几个数量级。所以导致目前对于气溶胶的辐射效应评估不确定性仍然很大。

    该研究结果表明:高原中东部地区自1980年代后持续减弱的地表感热在全球变暖停滞期有所恢复;高原感热的这一变化主要由地表风速的减弱停滞及地气温差的增加导致;在全球变暖停滞期,一方面,东亚中高纬地区经向温度梯度的改变使前期持续减弱的高原地表风速有所恢复,另一方面,夜间总云量的增加通过加强大气逆辐射,减弱地面有效辐射,导致地温及地气温差的显著增加。该成果将发表在《大气科学进展》的叶笃正百年纪念专刊中,目前已经预出版上线。

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    是什么原因导致了太阳辐射“变暗”或“变亮”呢?目前,学术界并未有一致的被广为接受的解释,但基本上可以锁定在大气层,即不用考虑太阳活动、地球公转轨道变动等影响。那么,起主导作用的是云、水汽、臭氧亦或是气溶胶的含量变化呢?有待进一步解答。

    科研人员利用实验观测资料分析研究了合肥地区大气气溶胶的光学微物理特性,获取了合肥地区气溶胶的季节统计规律;从中揭示了合肥地区大气气溶胶夏季光学厚度大、春季粒子大、冬季吸收性强等科学事实;进一步评估了合肥地区气溶胶辐射强迫效应以及影响因素,结果表明污染地区气溶胶光学特性日变化大,通常用日平均值作为辐射效应评估的输入参数会引起10%以上的相对偏差。因此,对于高污染地区建议利用长期的高时间分辨的瞬时测量值进行辐射效应评估。

    论文信息:Zhu, L. H., G. Huang, G. Z. Fan, X. Qu, G. J. Zhao, and W. Hua, 2017: Evolution of surface sensible heat over the Tibetan Plateau under the recent global warming hiatus. Adv. Atmos. Sci., 34, doi: 10.1007/s00376-017-6298-9.

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    中国科学院青藏高原研究所特聘教授、瑞典哥德堡大学地球科学系陈德亮课题组与国家气候中心合作,提出了探索太阳辐射“变暗”原因的新视角,并以高原上格尔木与拉萨两个辐射观测站为例做了深入分析。过去的研究更多分析太阳总辐射,而该文章作者认为,结合一个分别模拟太阳直射和散射的模型以及相关的长期观测可以揭露太阳辐射在大气层中的消光过程,进而更明确影响太阳辐射变化的主导因子。具体地,该研究分析了用于模拟太阳直射和散射的辐射系数(直射系数和散射系数),该系数通过对比观测和Solar Analyst 的模拟进行标定。尽管未能定量地回答云量变化的影响,该研究结果表明,高原大气变湿在格尔木和拉萨分别解释了18%和5%的太阳辐射变暗,并基本排除了气溶胶含量变化的因素——这是因为高原上气溶胶对太阳辐射的消光作用主要是通过散射作用,即会导致地表接收到的太阳辐射直射部分减少而散射部分增多,而观测到的这两部分太阳辐射都呈现了降低趋势。

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    论文链接

    去除云效应之后地表太阳辐射和地表风速的统计关系;气溶胶直接辐射效应(分为排放增加的效应Ra与风速减弱的放大效应Ru)对地表太阳辐射长期变化的贡献。

    另外,该研究同时还为青藏高原区域高分辨率太阳辐射估算提供了基础:考虑高原复杂的地形,与其将高原稀数分布的辐射观测直接插值到高分辨率网格上,显然对不受地形影响的辐射系数进行插值会有更好的效果。

    2007-2013年间SKYNET合肥站观测的气溶胶光学参数及辐射效应评估偏差的频次分布图

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    该研究成果以林长贵为第一作者,陈德亮为通讯作者,文章发表于International Journal of Climatology。该研究得到中科院A类战略性先导科技专项:泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设(XDA20060401)、中国国家留学基金委、气象行业科研专项、瑞典VR、STINT、BECC 和 MERGE 等的资助。

    大气所揭示全球变暖停滞期青藏高原地表感热变化特征及可能影响因子

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