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云和气溶胶是影响气候变化诸多因子中两个非常重要却又最不确定的因子。由于云和气溶胶辐射强迫机制的复杂性，观测手段的限制和系统资料的缺乏，以及两者之间复杂的相互作用等等原因，对于云和气溶胶的辐射强迫和气候效应的研究，国内外一直进展不大。沙尘是大气气溶胶的主要种类之一，对区域甚至全球的生态环境和气候变化具有重大影响。它不但将入射的太阳辐射反射到外太空，产生直接辐射强迫，而且可以作为云凝结核来影响云滴的数浓度以及云的微物理特性，产生间接辐射强迫。另外，它还可以影响大气辐射加热结构，从而改变大气环流并对气候造成影响。塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠是沙尘气溶胶的主要源区，对于这样一个重要沙尘源区，有关沙尘气溶胶与云和气候的反馈相互作用的研究甚少。本论文初步研究了东亚沙尘气溶胶对云和辐射强迫的影响。
在研究中，本论文采用了最新发布的云与地球辐射能量系统CERES SSF Aqua MODIS Edition 1B高光谱和高空间分辨率资料，该资料把云参量的反演与同时刻大气层顶的宽带辐射通量匹配了起来，并引进了新的角分布模式，从而使云特性和辐射参量数据具有较高的精度。
为研究由于沙尘气溶胶所引起的云的改变，本文选取了CLD和COD两区来表示不同环境下的云，CLD和COD两区相应的地面观测资料是从我国和蒙古之间的701个地面气象观测站获取的。在30°N-40°N和80°E-110°E范围内，如地面气象观测站的观测记录上显示无任何沙尘，则把此区的云称为CLD;如地面气象观测站的地面观测记录出现了沙尘暴，吹风，或者是浮尘中的任一种形式的沙尘，而在同一区卫星也监测到了云，则称此云区为COD区。CLD区代表没有沙尘存在的云区，而COD区表示有沙尘存在的云区。
首先，本论文对比分析了我国北方地区在2004年3月26-28日沙尘暴过程中CLD区和COD区的云的微物理特性和辐射强迫，讨论了这次沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理特性和辐射强迫的影响。文中涉及到的云的微物理特性包括：云的冰晶核直径(De)，光学厚度(OPD)，有效云顶温度(T<,e>)和云水通量(W<,p>)。研究发现：De的平均值由CLD区的61.3微米降到了COD区的53.6微米，这说明沙尘气溶胶可以作为云的凝结核，改变云滴的数浓度，导致云滴尺寸变小。CLD区的OPD平均值为72.6，比COD区的OPD平均值大了50.5；CLD区的W<,p>平均值为1372.1 g/m<'2>，COD区的W<,p> 平均值比CLD区的小了1005.3 g/这是由于在较低大气层，干的沙尘和湿云相混后，从而使云中湿度降低，云凝结减少所致。CLD区的净辐射强迫值约为-198.578 W/m<'2>，COD区的净辐射强迫值约为-140.608W/m<'2>，可见，在这次沙尘暴个例分析里，COD区的净辐射强迫值比CLD区少了近30％。这些研究结果表明，COD区和CLD区中云的微物理特性和估算出的相应辐射强迫值差别很大，由于两区气象条件相似，因此，这种差异源于沙尘的影响。沙尘气溶胶明显改变了云的微物理特性，减弱了大气层顶云的净辐射强迫，抑制了云的冷却效应。
不过，以上的结论仅是通过一次沙尘暴的个例分析得出的，还需要更多的事例和资料去统计验证。为此，本论文又利用2002年7月至2004年6月期间，从Aqua卫星获取的CERES SSF Aqua MODISEdition 1B资料和相关的地面观测资料，统计了这两年期间的33个沙尘事件，对东亚中纬度地区沙尘云的辐射强迫值进行了反演估算。估算出的大气层顶云的瞬时短波辐射强迫在COD区为-275.7W／m<'2>，在CLD区为-311.0W／m<'2>，CLD区云的瞬时短波辐射强迫比COD区强12.8％。大气层顶云的长波辐射强迫在CLD区约为102.8W／m<'2>，比在COD区的长波辐射强迫少20％左右。大气层顶云的瞬时净辐射强迫在CLD区约为-208.2W／m<'2>，比COD区的大42.1％。如果考虑大气的日循环，估算的净辐射强迫平均值在CLD区为-52.7W／m<'2>，在COD区为-9.35W／m<'2>。研究结果再次表明：沙尘区和无沙尘区的辐射强迫有着很大差别，沙尘区中，云下沙尘气溶胶的存在明显减弱了云的冷却效应。在COD区被沙尘气溶胶减弱了的这部分云的冷却效应相当于沙尘气溶胶的增暖效应(-9.35+52.7=43.4 W／m<'2>)。由于地面气象观测站观测到的沙尘暴发生天数的长期平均频率为2.3％，标准偏差为±1.5％，因而得出沙尘气溶胶的平均增暖效应为(1±0.6)W／m<'2>。这一点如能进一步证实，这将会是东亚地区在沙尘暴多发季节里的最强的气溶胶强迫，将对大气环流和气候起到意义重大的增暖作用。
最后，本论文还分别讨论了COD区、CLD区的辐射强迫和太阳天顶角、有效云顶温度以及云水通量的关系。COD和CLD两区之间云的净辐射强迫的差异随着太阳天顶角的增加而加大，并呈线性变化。在245K＜T<,e>≤260K的云顶温度范围内，COD区的短波辐射强迫比CLD区的少了30％多。在T<,e>≥245K的范围内，COD区的净辐射强迫比CLD区的少了50％多。在300g／m<'2>＜W<,p>≤700g／m<'2>的范围内，COD区的短波辐射强迫明显小于CLD区的；不过，在W<,p>＜300g／m<'2>的范围内，COD区的长波辐射强迫比CLD区的小。COD和CLD两区之间的短波辐射强迫和净辐射强迫的差异随着云水通量的增大而增加。
由于沙尘无论是在时间上还是空间上都分布较广，沙尘和云的相互作用在区域甚至全球的气候变化中会产生重要的影响。因此，本文的研究是具有一定现实意义的。当然，本文只是研究亚洲沙尘暴对气候产生的影响所迈出的第一步，今后，还需要进行大量这方面的研究工作。 |