1、项目名称： 气溶胶-云-辐射反馈过程及其与亚洲季风相互作用的研究首席科学家： 张小曳 中国气象科学研究院起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 中国气象局二、预期目标总体目标:提 高 我 们 对 于 气 溶 胶 -云 相 互 作 用 这 个 当 今 气 候 变 化 和 云 降 水 研 究 中 最 不 确 定问 题 的 理 解 ，研 究 我 国 气 溶 胶 -区 域 性 大 气 污 染 对 天 气 和 气 候 （特 别 是 亚 洲 季 风 ）的影 响 程 度 。发展一个包含气溶胶 对云-辐射-降水影响及其反馈机制、可准确模拟气溶胶时空分布变化，并能有效耦合到全球 /区域天气气候模式
2、中气溶胶理化数值模式系统，建立 雾的数值预报 方法，并研究空气污 染对天气预报的影响，特 别是对云和降水预报的影响； 提 升 我 国 参 与 IPCC第 五 次 评 估 报 告 的 气 候 系 统 模 式 模拟 中 国 特 点 气 溶 胶 、详 细 云 过 程 和 云 辐 射 过 程 的 能 力 ，形成我国新一代气溶胶-云-辐射气候模式系统。 更深入、准确地 认识气溶胶的间接气候效 应、气溶胶对云和降水的影响，对亚洲季风的影响程度，以及对未来气候 变化的影响程度。 为 回 答气 溶 胶 是 否 应 像 温 室 气 体 一 样 纳 入 减 排 、稳 定 气 候 与 控 制 污 染 之 间 的 关
3、 系 等 气 候 变化 议 题 中 的 敏 感 问 题 、为 我 国 天 气 预 报 和 气 候 预 估 准 确 率 的 提 高 、为 污 染 控 制 的 宏观 决 策 等 提 供 系 统 、独 立 的 科 学 支 撑 。实 现 我 国 大 气 气 溶 胶 及 其 天 气 -气 候 影 响 方 面 的 研 究 与 国 家 的 应 对 气 候 变 化 、预 报 服 务 需 求 的 无 缝 隙 连 接 。不 仅 将 在 气 溶 胶 -天 气 气 候 变 化 这 一 国 际 研 究 的 热 点领 域 不 断 作 出 中 国 科 学 家 具 有 国 际 水 平 的 系 统 、独 立 的 研 究 成 果
4、 ，还 将 在 提 高 预 报能 力 、更 好 地 预 估 未 来 气 候 变 化 和 控 制 区 域 大 气 污 染 ，以 及 为 国 家 气 候 变 化 外 交 这些 重 要 国 家 需 求 方 面 ，不 断 发 挥 作 用 。锻 炼 和 形 成 一 批 活 跃 在 国 际 大 气 科 学 热 点 领域 的 中 青 年 科 学 家 群 体 ，五 年 中 要 争 取 再 有 2-3人 进 入 国 际 学 术 组 织 任 职 ，扩 大 我 国在 此 领 域 的 骨 干 研 究 队 伍 规 模 ，提 高 我 国 在 该 领 域 的 整 体 研 究 水 平 。五年预期目标:前2年目标：1) 获得对
5、中国不同区域和珠三角典型季风区大气气溶胶化学、物理和光学特性，以及典型挥发性有机物形成二次有机气溶胶(SOA) 的主要化学过程（均相和非均相），以及SOA 在老化过程的变化；并在气溶胶光学特性和云微物理特性方面初步建立有统计或有物理意义的定量联系；获得气溶胶对云微物理结构影响的三维观测数据，并初步分析结果；2) 建立两个分别针对环境气溶胶单谱活化特性的观测系统和单粒子悬浮实验的室内实验系统，在认识 气溶胶活化为云凝结核（CCN）的活化特性随粒径、化学成分等的变化特征，以及不同条件下气溶胶和云滴粒子的增长蒸发等微物理特性方面取得进展；3) 发展、完善、更新自主开发的中国区域气溶胶及其前体物排放源
6、清单，并利用反演模式，研发可为 当前气候和气溶胶-云-辐射模式提供最新的气溶胶及其前体物的排放源的源系统；4) 在发展的气体-气溶胶在线耦合气溶胶模式（CUACE/ Aero）中实现气溶胶- 云 -辐射 -降水相互作用的模拟；并形成考虑气溶胶老化过程的环境气溶胶混合状态的参数化方案等；获得一个可准确模拟气溶胶分布变化，并能有效耦合到全球/ 区域天气气候模式中、包含气溶胶对云-辐射- 降水影响及其反馈作用的气溶胶模式系统；5) 改进气候模式中适合中国特点的详细云过程和云-辐射过程的合理描述，改进 气候模式中非球形气溶胶和冰云的辐射参数化方案；6) 提升中国参与IPCC AR5的气候模式系统对中国
7、特点气溶胶、详细云过程和云- 辐射过 程的模拟能力，形成我国新一代气溶胶-云-辐射气候模式系统，7) 通过对观测资料的分析，获得气溶胶、云和 亚洲季风的时空变化特征，以及在不同时间尺度和空间尺度上气溶胶-云的相互作用对亚洲季风的影响，特别是珠三角典型季风区高污染气溶胶对较强大季风系统的影响；通过嵌套了气溶胶-云模式的区域气候模式开展气溶胶对亚洲季风影响及反馈的初步研究；8) 在国内外核心刊物上发表研究论文60篇，其中在SCI收录的刊物上达到40篇以上。后3年目标：9) 获得不同化学组成气溶胶活化成云凝结核（CCN）的活化率曲线，认识其随气溶胶数浓度分布，粒径、吸湿性的变化特征； 获得气溶胶、
8、CCN和云滴粒子的时空分布特征，建立符合我国特点的气溶胶与云微物理量间的参数化方案；10) 深入研究大气气溶胶的活化、云滴增长蒸发等微物理过程，得到不同地区CCN活化效率特征，以及不同条件下气溶胶和云滴粒子的增长蒸发等微物理特性；11) 改进新的气溶胶-云-辐射数值模式系统（CUACE/ Aero-Chem）中降水转化的方案， 分析研究气溶胶对降水效率的影响。在中国气象局自主发展的中尺度天气数值模式（GRAPES ）中实现气溶胶- 云-辐 射三者在线交互式全耦合，并测试能够业务运行的区域性雾-霾天气数值预报系统；12) 研发成功带有气溶胶数值同化的雾-霾天气数值预报系统，深入认识当今中国地区气
9、溶胶与云（雾）及降水的相互作用机制；13) 以我国参与IPCC AR5的新一代气溶胶-云-辐射气候模式系统为主要手段结合区域气候模式，更深入、准确地认识气溶胶在全球和亚洲区域的间接气候效应；14) 评估大气气溶胶对区域和全球气候的影响程度，特别是气溶胶的直接和间接气候效应对亚洲季风的影响程度，且重点研究气溶胶对降水变化以及季风覆盖区变化的影响，并对 比气溶胶对东亚和对印度季风的不同影响，探索影响亚洲季风、特别是东亚季风 自然及人为变化的因素，并认识亚洲季风异常对气溶胶重新分布的反馈作用；15) 根据IPCC给出的排放情景，通过全球和区域气候模式，预估未来不同的排放情景下的气候变化程度，评估气溶
10、胶在其中的贡献；基于现有排放源系统以及开发的源评估及反算系统，计算不同气候变化情景下因工业布局、新科技、人口以及其它因子变化的情况下的污染排放情况，评价气候变化对空气污染状况的可能反馈；16) 不断研究新的气候变化谈判中可能与气溶胶有关的议题，提供系列决策咨询报告，服务国家的气候 变化外交活动；17) 在国内外核心刊物上发表研究论文80篇，其中在SCI收录的刊物上达到60篇以上。三、研究方案1）学术思路本 申 请 拟 设 臵 6个 课 题 ，其 中 第 一 、二 、三 课 题 聚 焦 在 气 溶 胶 -云 -辐 射 相 互 关 系的 观 测 研 究 上 ，为 在 云 模 式 和 中 尺 度 模
11、 式 中 （第 四 课 题 ）、在 全 球 和 区 域 气 候 模 式 中（第 五 、六 课 题 ）形 成 和 改 进 适 合 中 国 特 点 的 气 溶 胶 -云 -辐 射 相 互 作 用 的 数 值 模 拟 提供 输 入 ，为 第 四 课 题 模 式 输 出 的 气 溶 胶 及 云 微 物 理 特 性 空 间 分 布 ，为 雾 形 成 机 制 的数 值 模 拟 研 究 等 提 供 输 入 与 检 验 ；第 四 课 题 最 重 要 的 研 究 是 发 展 一 个 包 含 气 溶 胶 对云 -辐 射 -降 水 影 响 及 其 反 馈 机 制 、可 准 确 模 拟 全 球 及 中 国 区 域 气
12、 溶 胶 时 空 分 布 变 化 ，并 能 有 效 耦 合 到 全 球 /区 域 天 气 气 候 模 式 （第 五 和 第 六 课 题 ）中 的 气 溶 胶 -云 -辐 射 数值 模 拟 系 统 。深 入 认 识 当 今 中 国 地 区 气 溶 胶 与 云 （雾 ）及 降 水 的 相 互 作 用 机 制 ，建 立雾 的 数 值 预 报 方 法 ；第 五 课 题 的 主 要 研 究 是 将 气 溶 胶 -云 -辐 射 数 值 模 拟 系 统 更 新 耦合 到 中 国 气 象 局 参 与 IPCC AR5的 全 球 气 候 模 式 中 ，通 过 全 球 气 候 模 式 研 究 气 溶 胶对 云 的
13、 改 变 导 致 的 气 溶 胶 的 间 接 气 候 效 应 ，评 估 气 溶 胶 对 亚 洲 季 风 的 影 响 程 度 ，并评 估 气 溶 胶 在 未 来 气 候 变 化 中 的 贡 献 ，同 时 为 第 六 课 题 区 域 气 候 模 式 提 供 边 界 ；第六 课 题 分 两 个 主 要 的 部 分 ，一 是 利 用 资 料 研 究 亚 洲 季 风 和 气 溶 胶 各 自 的 变 化 及 相 互影 响 ，二 是 通 过 区 域 气 候 模 式 更 详 细 地 评 估 气 溶 胶 对 亚 洲 季 风 环 流 和 降 水 的 影 响 与反 馈 。同 时 结 合 第 四 课 题 预 估 在
14、未 来 不 同 的 气 候 变 化 情 景 下 的 污 染 排 放 ，认 识 气 候变 化 对 未 来 中 国 空 气 质 量 的 可 能 影 响 。2）技术途径1. 资 料 收 集收 集 过 去 几 十 年 来 国 内 外 的 地 面 试 验 观 测 资 料 和 卫 星 遥 感 资 料 ，特 别 是 长 期观 测 网 的 数 据 ，主 要 的 网 络 包 括 ： EMEP、IMPROVE；收 集 、整 理 国 际 大 型 观 测 计 划JAMEX (A Joint AerosolMonsoon Experiment)，ACPC、ACE-Asia、TRACE-P、TARFOX、INDOEX、A
15、ERONET、APEX、ADEC、BSRN、GEBA和 ARM等 观 测 期间 飞 机 、舰 船 和 地 面 上 的 观 测 数 据 以 及 已 有 的 我 国 气 溶 胶 、区 域 本 底 观 测 站 气 溶 胶观 测 资 料 ； 收 集 IGAC，GEWEX等 研 究 计 划 的 研 究 成 果 ；收 集MODIS、CALIPSO、CloudSat，PARASOL，AURA、MISR、ENVISAT、POLDER、TOMS、AVHRR和 GLI卫 星 探 测 资 料 ；收 集 我 国 19612009年 台 站 的 气 象 和 气 溶 胶 相关 的 观 测 资 料 。2. 气 溶 胶 理
16、化 、光 学 特 性 的 网 络 化 观 测依 托 中 国 气 象 局 大 气 成 分 观 测 网 （CAWNET），在 中国14个关键区域的38个代表 性 观测站（ 图 1），开 展 近 地 面 层 不 同 粒 级 气 溶 胶 浓 度 、化 学 组 成 、气 溶 胶 散 射 、吸收 特 性 、能 见 度 、气 溶 胶 数 浓 度 的 连 续 、网 络 化 观 测 ，获 得 多 粒 级 气 溶 胶 浓 度(PM10、PM2.5、PM1)、在 7个 波 段 上 的 吸 收 特 性 、散 射 特 性 、能 见 度 、以 及 通 过 滤 纸采 样 及 实 验 室 测 定 获 得 的 六 类 七 种
17、气 溶 胶 组 分 （黑 碳 、有 机 碳 、沙 尘 、硫 酸 盐 、硝 酸。1. 。14。30。盐 、铵 盐 及 海 盐 气 溶 胶 ）的 浓 度 等 ，获 得 气 溶 胶 各种特性及其影响在中国近底层大气中的时空分布和变化。3. 气 溶 胶 及 云 特 性 的 地 基 站 网 遥 感 、激 光 雷 达 观 测 与 卫 星 遥 感 -反 演依 托 由 28个 CEMEL太 阳 光 度 计 组 成 的 中 国 气 象 局 气 溶 胶 遥 感 观 测 网（CARSNET）（图 2）、以 及 90多 个 辐 射 观 测 站 、数 台 激 光 雷 达 ，并 以 科 技 部 2006年 立项 的 气
18、溶 胶 973项 目 (2006CB403700)中 已 经 发 展 的 有 中 国 特 色 的 地 基 遥 感 气 溶 胶 光学 特 性 反 演 方 法 为 基 础 ，获 取 我 国 气 溶 胶 光 学 厚 度 、谱 分 布 、折 射 率 虚 部 、一 次 散 射反 照 率 、消 光 系 数 分 布 等 气 溶 胶 关 键 辐 射 特 性 的 系 统 观 测 资 料 。特 别 是 此 次 申 请 拟通 过 拉 曼 激 光 雷 达 探 索 反 演 折 射 率 虚 部 、一 次 散 射 反 照 率 等 关 键 气 溶 胶 辐 射 特 性 垂直 分 布 ，同 时 利 用 CARSNET仪 器 中
19、红 光 和 近 红 外 波 段 的 仪 器 云 模 式 状 态 散 射 观测 数 据 ，探 索 获 得 不 同 区 域 归 一 化 云 指 数 （NDCI）。利 用 联 网 观 测 获 得 的 不 同 红 外 窄波 段 ，根 据 卫 星 遥 感 获 得 的 地 表 反 照 率 ，运 用 Rstar-4B辐 射 传 输 模 式 ，并 与 利 用 微 波辐 射 计 与 全 天 空 成 像 仪 、云 雷 达 获 得 的 结 果 相 比 较 ，反 演 云 的 气 溶 胶 光 学 厚 度 与 云滴 有 效 半 径 、并 评 估 不 同 仪 器 反 演 结 果 之 间 的 差 异 。2. 。28。CIME
20、L-318。CARSNET 。在 国 家 卫 星 气 象 中 心 自 主 开 发 的 陆 上 和 海 上 气 溶 胶 反 演 的 成 熟 算 法 基 础 上 ，利 用 风 云 三 号 上 午 星 FY-3A和 风 云 三 号 下 午 星 FY-3B搭 载 的 中 分 辨 率 光 谱 成 像 仪MERSI 1公 里 分 辨 率 、多 时 次 的 全 球 资 料 ，获 取 研 究 期 间 陆 上 和 海 上 气 溶 胶 数 据 集 。该 工 作 是 气 溶 胶 -云 -辐 射 相 互 作 用 研 究 的 重 要 支 撑 ；在 气 溶 胶 算 法 改 进 方 面 ，重 点 引入 中 国 北 方 沙
21、漠 、半 干 旱 区 域 地 表 的 双 向 反 射 实 测 资 料 ，利 用 偏 振 、多 角 度 等 信 息改 进 中 国 区 域 高 地 表 反 照 率 上 空 气 溶 胶 的 定 量 反 演 技 术 。研 究 并 解 决 海 陆 交 界 处 陆上 气 溶 胶 和 海 上 气 溶 胶 反 演 结 果 不 连 续 的 难 题 。同 时 利 用 国 家 卫 星 气 象 中 心 自 主 开 发 的 云 检 测 、云 相 态 和 云 分 类 的 算 法 ，处 理风 云 二 号 静 止 卫 星 、风 云 三 号 极 轨 卫 星 资 料 ，获 取 研 究 期 间 大 范 围 、高 时 次 的 云 识
22、别 、云 相 态 和 云 分 类 数 据 集 ，特 别 是 利 用 目 前 国 际 上 最 为 先 进 的 红 外 高 光 谱 遥 感 技术 ，并 将 NOAA极 轨 卫 星 和 FY-2系 列 静 止 卫 星 结 合 ，结 合 数 值 模 式 ，探 索 云 顶 高 度较 为 准 确 的 定 量 遥 感 方 法 。拟 利 用 风 云 三 号 中 分 辨 率 光 谱 成 像 仪 MERSI和 微 波 成 像仪 MWRI的 资 料 ，联 合 光 学 和 微 波 遥 感 的 优 势 ，探 索 多 个 高 度 云 光 学 厚 度 、云 中 粒子 有 效 半 径 的 遥 感 方 法 ，光 学 -微 波
23、-模 式 多 源 信 息 协 同 反 演 方 法 获 得 卫 星 遥 感 云 物理 特 性 的 观 测 资 料 。 将 地 基 遥 感 与 卫 星 遥 感 相 结 合 ，在 气 溶 胶 光 学 特 性 和 与 云 微 物理 特 性 方 面 建 立 有 统 计 意 义 或 有 物 理 意 义 的 定 量 联 系 。4. 高 山 站 点 对 气 溶 胶 -云 相 互 作 用 的 高 空 直 接 观 测在 大 规 模 连 续 网 络 观 测 、地 基 遥 感 、激 光 雷 达 和 卫 星 遥 感 -反 演 联 合 研 究 的 基 础上 ，选 择 泰 山 （海 拔 1500米 ）开 展 对 气 溶 胶
24、 -云 相 互 作 用 的 高 空 直 接 观 测 。拟 利 用 扫 描电 迁 移 率 粒 径 分 析 仪 中 的 DMA 选 定 特 定 粒 径 段 的 粒 子 （关 注 细 颗 粒 物 30-300 nm），然 后 分 别 利 用 云 凝 结 核 计 数 器 和 凝 结 粒 子 计 数 器 ，研 究 不 同 过 饱 和 度 比 下 ，气 溶 胶活 化 为 云 凝 结 核 的 活 化 效 率 ，并 利 用 气 溶 胶 质 谱 仪 、扫 描 电 迁 移 率 粒 径 分 析 仪 开 展同 步 观 测 ，获 取 细 颗 粒 中 化 学 成 分 （硫 酸 盐 、硝 酸 盐 、铵 盐 、有 机 物 ）
25、的 浓 度 变 化 序 列和 化 学 成 分 的 谱 分 布 、云 凝 结 核 浓 度 等 资 料 。同 时 利 用 单 粒 子 烟 尘 光 度 计 -SP2，观测 黑 碳 气 溶 胶 粒 子 的 数 浓 度 、质 量 浓 度 以 及 粒 径 分 布 ，并 同 时 观 测 与 其 它 气 溶 胶 混合 的 黑 碳 气 溶 胶 粒 子 的 数 浓 度 、质 量 浓 度 以 及 粒 径 分 布 ，进 一 步 分 析 混 合 型 粒 子 的时 空 分 布 、输 送 特 性 及 其 寿 命 等 。结 合 热 线 含 水 量 仪 （LWC），雾 滴 谱 仪 ，雨 滴 谱 仪和 微 波 辐 射 计 ，以
26、及 气 溶 胶 散 射 、吸 收 仪 ，太 阳 光 度 计 、能 见 度 、分 八 级 气 溶 胶 采 样仪 （MOUDI）等 的 同 步 观 测 ，直 接 观 测 到 高 空 1500 m的 不 同 粒 径 化 学 组 成 的 气 溶 胶 -CCN-云 （雾 ）滴 -辐 射 特 性 及 其 对 降 水 的 影 响 。并 能 够 在 不 同 季 节 、不 同 天 气 条 件 下对 云 的 生 消 过 程 开 展 直 接 和 长 期 的 观 测 与 研 究 ，弄 清 气 溶 胶 粒 子 随 尺 度 和 组 成 变 化的 CCN活 化 特 性 ，以 及 与 云 （雾 ）滴 的 关 系 ，内 外 混
27、 合 的 特 征 等 。为 研 究 我 国 区 域 大气 云 （雾 ）形 成 过 程 中 的 气 溶 胶 作 用 提 供 重 要 的 数 据 基 础 。5. 飞机对气溶胶-云微物理特征的直接和垂直分布观测利用项目申请单位中国气象科学研究院已有的大量气溶胶和云微物理结构观测资料，再 结合项目参与 单位北京人影中心，河北人影中心和山西人影中心的人工影响天气飞机的飞行业务，有针对性的设计每年超过 100 架次的飞机观测气溶胶、CCN 以及云的微物理特性等。当前在中国的人影飞机中，具备云和气溶胶分别探测的单位只有北京、河北和山西人影，以及吉林省人影 办。吉林的气溶胶污染程度远低于京津和华北，而北京、河北和山西人影 办均是本项目申请的参加单位。主要是利用机载气溶胶 质谱(AMS)、 扫描电迁移率颗粒径谱仪(SMPS)、云凝结核计数器和凝结粒子计数器、被动腔体气溶胶粒谱探测仪(PCASP) 、机载粒子测量系统（PMS）、 单颗粒黑碳气溶胶光度仪(SP2) 等仪器设备，观测不同季节、不同天气条件下，云中不同部位气溶胶的成分、粒子谱，气溶胶活化成 CCN 的活
