【基金标书】2011CB403400-气溶胶-云-辐射反馈过程及其与亚洲季风相互作用的研究

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 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 ，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、 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 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 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 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 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、AERONET、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 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 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 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 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。CIMEL-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 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 -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 -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 ）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 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 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 的活化性特性，以及云的各种特征参量的水平和垂直分布特征，弄清不同种类气溶胶在不同污染程度下活化为 CCN 的活化特性；并分析气溶胶对太阳辐射在不同高度的影响，以及不同粒径段气溶胶粒子对太阳辐射的影响；同时有针对性的开展多架探测飞机同时进行的云下、云内、云外气溶胶、CCN 以及云滴数浓度和谱分布的同步观测，将对比分析观测结果，研究云体的垂直结构、云中气溶胶的活化率，并在我国高浓度气溶胶区域寻找气溶胶与云滴数浓度的定量关系，分析气溶胶对云体发展和生命期的影响，建立气溶胶与云微物理量间参数化方案。组织开展一架（或多架）专门探测飞机在对流层中层（3000 米）以上不同高度的跨区域、不同季节远距离飞行探测， 研究气溶胶远距离输送过程中与云的联系及可能发生的变化。6. 环境气溶胶活化特性和单粒子悬浮实验的室内实验这方面的研究要认识的两个具体科学问题是：实际大气中气溶胶活化为CCN 的活化效率是如何 变 化的？气溶胶或者云滴的凝 结和蒸发过程如何随大气环境条件改变？ 为此，我 们将建立 2 个针对这 2 个问题的实验观测系统：1）环境气溶胶单谱活化特性的观测系统，由气溶胶进气系统、干燥系统、DMA、CCNC、和 CPC 等仪器组成，通过测量 300 nm 以下粒子的活化特性，得到该地区的活化曲线， 这些 观测结果将被用于大气气溶胶与云相互作用的模式研究；2）单粒子悬浮实验的室内实验系统，观测包括气溶胶谱、环境气溶胶整体和单谱活化特性、雾滴谱、 污染气体和气溶胶化学成分、和云滴增长蒸发等微物理过程。利用电场将单个带电 粒子悬浮在云室内，通过改变环境参数(温度、湿度、大气压、痕量气体浓度) 及粒子本身的物理化学特性(大小、成分、相 态)，来研究气溶胶粒子和云滴在不同的环境条件下的响应。性(大小、成分、相 态) ，来研究气溶胶粒子和云滴在不同的环境条件下的响应。7. 二次有机气溶胶形成与老化过程及其影响的非均相化学反应实验拟建立用于 SOA 形成和老化过程研究的在线动态检测设备 ，并集成多种气溶胶性质检测手段对这一问题进行深入研究。模拟典型挥发性有机物（异戊二烯、蒎烯及其挥发性氧化产物）等的主要大气化学过程（均相和非均相），对形成 SOA的化学成分、粒径、吸湿性及光学性质进行原位在线监测 ，并 监测气溶胶活化为CCN 的活化效率与上述 过 程的联系，并探索这些过程对 SOA 辐射特性的影响。8. 珠三角典型季风区气溶胶对亚洲季风影响的实验研究依托珠三角城市群大气成分监测网络、茂名市博贺海洋监测平台、广东省的业务天气监测网与大气化学实验室精密的大气气溶胶粒子谱与成分谱、长短波辐射、湍流通量、微波辐射计、雷达风廓线、激光雷达等观测仪器，在亚洲季风特别是南海季风爆发、建立、维持（活跃/非活跃期、雨期/ 非雨期）期间布点开展野外综合观测试验，同时收集华 南、珠三角常 规天气监测 网的气象资料， 获取一套反映珠三角季风区气溶胶物理/化学/光学特性、以及季风活动、降水、 辐射、边界层结构的基础资料集。通过分析研究珠三角天气-气候的特征、气溶胶和亚洲季风各自变化规律的研究，得到中国关键季风区之一的珠三角大气中气溶胶浓度、化学组成、物理特性、关键光学特性的时空分布特点和 变化；以及相应季风影响期的辐射、云、降水与边界层结构等要素的特征。利用细粒子谱监测仪（TSI 3936 DMA+CPC、MSP 1000XP）以及气溶胶可溶性粒子谱监测仪（Ambient Ion Monitor URG 9000 Series），特别设计针对核模态积聚模态的气溶胶粒子谱与成分谱的观测试验，研究气溶胶谱的吸湿增长特性，分析气溶胶作为 CCN 的活化率，结合辐射以及云量观测、卫星遥感资料分析气溶胶对季风区云降水过程的影响机制。利用加强地基观测资料、卫星资料和再分析资料等多种大气气溶胶粒子谱、成分谱、 CCN 活化率、地表辐射与边界层结构等大气成分与气象要素耦合配套的资料集，分析亚洲季风特 别是南海季风爆发、建立、 维持（活跃/ 非活跃期、雨期/非雨期）期间气溶胶、云、降水和亚洲季风环流的时空变化特征，分析并估计不同时间尺度和空间尺度上气溶胶-云时空变化特征对大气加热场的影响，特别是研究大气加热场的垂直结构（如地表辐射强迫、边界层结构与稳定度）发生变化对珠三角区域季风的发生、 强度、持 续时间的影响。从宏微观上两方面着手，第一：研究气溶胶通过直接效应影响辐射加热，使大气稳定度改变，从而出现对流的异常（云的异常）；气溶胶影响辐射加热，改变大气环流，使水汽输送出现异常，从而水汽辐合辐散的变化将导致云的异常；第二：研究气溶胶的间接效应，研究气溶胶影响云雨的微观结构与微物理过程对亚洲季风的影响与反馈作用。9. 完 善 和 更 新 自 主 研 发 中 国 气 溶 胶 排 放 源 清 单 ，并 建 立 排 放 源 清 单 评 估 及反 演 系 统通过收集、整理最新的国民经济统计数据、自然 环境数据等资料，建立和完善全面、可靠的资料库，为更新排放源清单打下基础 。整理、 过滤有关中国区域气溶胶及其前体物的排放因子资料，在已有工作基础上，设计并实施关键性的试验，得到中国某些典型气溶胶及其前体物的特有排放因子。基于最新资料， 继续发展和更新前 973 项目开发的具有月时间分辨率和 0.50.5空间分辨率的排放源清单。 结合气科院气溶胶理化数值模拟系统-CUACE/Aero 的使用，完善、改 进气溶胶排放源清单，提高排放源的时空分辨率。利用地面观测和卫星监测资料，分别利用卡尔曼滤波和伴随等方法，并与观测对比分析，建立基于源同化技术的源反演模型，获得具有较高时空分辨率的动态的大气气溶胶及其前体物排放源清单，验证和完善源调查获得的清单。在气溶胶模式中在线计算当前的气溶胶及其前提物的排放强度，并基于现有排放源系统以及开发动态排放源模块，开发可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动态排放源预估系统。10. 气 科 院 双 参 数 云 模 式 CAMS的 发 展 及 应 用中国气象科学研究院人影中心从 1990 年以来一直得到了自然科学基金和国家 973 项目的系列支持， 发展了系列三维 CAMS 对流云、层状云和中尺度云系模式， “中国气象科学研究院 CAMS 云分辨模式系列的研制和 应用” 获得 2005年度气象局研究开发奖一等奖。在 CAMS 双参数云模式中，实现了预报各种水凝物比质量和比浓度的全面双矩量云分辨模式，包括云雨转化、冰晶核化、繁生；凝结凝华和水汽过饱和度，雨滴冻结、雹融化等，以及 预报云滴浓度和 CCN 变化的云滴活化过程等。提出的准 隐式方案解决了水物质正定、守恒和计算稳定。 该模式系统具备对 4 种对流云、 4 种三维中尺度层状云进行模拟的能力，较好地模拟了雹暴和山地对流云群、低 涡、冷 锋降水等过程，并通过改进云物理量初始化方法，能明显改进初始 6 小 时降水预报。在本申请中，还将对双参数云物理方案进行对比，研究改进 CAMS 双参数云降水方案中云滴核化过程和云滴数浓度的模拟技术，研究与气溶胶模式嵌套衔接的技术，以及在 GRAPES 中尺度模式中的有效应用，在第四课题中实现与CUACE/Aero 的嵌套。并利用将中国地区云的变化与气溶胶化学组成，以及排放、扩散输送、 转化和沉降等过 程联系起来的模式系统，研究不同条件下气溶胶对云的微物理结构的影响，研究气溶胶通过改变云微结构对云降水发展过程的潜热的变化和水成物的空间分布的改变导致的云动力过程的影响，评估 GCCN 对降水发展的作用等。11. 气溶胶-云- 辐射数值模拟系统基于前 973 项目发展的气体-气溶胶在线耦合的气溶胶模式系统（CUACE/ Aero），利用课题 1、2、3 关于气溶胶 -CCN-云物理参数关系的地面、高山、 飞机观测和实验资料，考虑中国地区气溶胶的谱分布、 组分以及混合态特征，开 发适合中国特点的多组分、多尺度的气溶胶活化参数化方案。由此活化方案计算的云滴谱将应用于显式的云微物理方案，并作为可预报的云微物理方案的输入，通过发展和改进中国气象科学院开发的双参数云模式-CAMS ，在 GRAPES 中实现CUACE/ Aero 与中国气象科学院开发的双参数云模式 -CAMS 的耦合，将中国地区云的变化与气溶胶化学组成，以及排放、扩散输送、 转化和沉降等过程联系起来；并通过一些地面和卫星观测，矫正形成适合于中国的云降水自动转化方案，研究多种组分气溶胶对不同云的微物理过程及降水的影响，特别是通过潜热变化和水成物的空间分布改变， 导致的对云动力过程的影响，评估 GCCN 对降水发展的作用等气溶胶对降水效率的影响； 考虑非亲水性气溶胶的老化过程，以及确定与亲水性气溶胶进行碰并和冷凝之后且为时间函数的气溶胶混合状态，并参考课题1和文献中有关气溶胶的内部混合的新数据，评估某些组 分气溶胶的内、外部混合方案所造成的辐射效应的不同，并与CARSNET 和卫星所提供的观测对比，发展气溶胶混合状态的参数化方案，研究区域中尺度模式（GRAPES）中气溶胶过程云物理辐射方案的在线交互式完全耦合方法，实现由气溶胶浓度通过辐射变温率反馈到模式的温度场、动力场乃至大尺度环流的直接辐射效应计算、以及通过影响云的微物理结构，并通过云辐射效应影响天气的数值模拟及反馈。研究气溶胶局地瞬时含量达到很高值是对云和降水的影响，评估气溶胶直接、半直接和间接辐射效应对较小尺度的天气系统的作用及反馈。结合地面及卫星观测的气溶胶一次散射反照率资料，将吸收性和散射性气溶胶分类，通过建立的气溶胶 -云-辐射三者在线交互式全耦合模式系统，寻找吸收性和散射性气溶胶与云和降水的联系，评价吸收和散射气溶胶对云微物理结构和降水不同的影响程度。继续发展和更新前 973 开发的中国气溶胶及其前体物排放源清单，利用地面观测和卫星监测资料，分 别利用卡尔曼滤波和伴随等方法，并与观测对比分析，开发既可用于为现有模式系统提供排放信息，也可评估未来排放的新的排放源评估系统。在气溶胶模式中在 线计算当前的气溶胶及其前提物的排放强度。基于现有排放源系统，研发的动态 排放源模块，开 发可计 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 动态排放源预估系统。本课题中新发展的气溶胶理化数值模式系统-CUACE/Aero 将在线耦合到大尺度（全球或区域）气候模式（课题 5、6）和中尺度模式(GRAPES)中，为此将评估气溶胶模块中与时空尺度相关的气溶胶-云-降水方案和气溶胶对流输送参数化方案，最优的方案将应用于以上两类模式中。将含有气溶胶-云-辐射-降水影响机制的 CUACE/Aero 双向耦合到中国气象局新一代天气模式 GRAPES 中，研发化学天气数值同化系统，雾- 霾数值预报系统，研究可进行天气预报和空气污染预报的中国化学天气预报方法，从气溶胶-云相互作用的角度，探索提高雾-霾以及天气预报准确率的方法。利用 CUACE/Aero 耦合的全球或区域气候模式，研究空气质量对气候变化，以及气候 变化对未来中国空气质量的影响。12. 气溶胶气候效应，特别是间接气候效应的模式研究根据科技部 2006 年立项的气溶胶 973 项目(2006CB403700)的研究成果， 中国气象局气候系统模式 BCC_AGCM2.0.1 已经实现了与中国气象局气溶胶模式系统 (CUACE/Aero) 的双向耦合，形成了气溶胶-辐射-气候模式系统（BCC_AGCM2.0.1_CUACE/Aero）。该模式系统将参与 IPCC AR5 的典型数值试验比较研究。在新的项目申 请中，全球模式基于（BCC_AGCM2.0.1_CUACE/Aero），区域气候模式以 RegCM3 为基础，将更新嵌套第 4 课题新发展、包含气溶胶对云-降水-辐射相互作用的气溶胶数值模拟系统（CUACE/Aero-Chem），形成新的 BCC_AGCM2.0.1_CUACE/Aero-Chem 和RegCM3_CUACE/Aero-Chem,并通过分析最新的卫星遥感资料(CloudSat 和CALIPSO)，得到对东亚和全球云结构的进一步认识，以此为基础，改进以云的垂直相关性为基础的云产生器算法，建立大尺度模式中不能分辨的次网格云的垂直重叠和水平结构处理方法，通过蒙特卡洛独立气柱近似（McICA ），来计算网格平均的辐射通量和加热率，改 进气候模式中次网格云-辐射处理方案，减少云辐射反馈的不确定性。此外利用中国气象科学院研制的双参数云模式，和观测部分课题获得气溶胶 CCN 活化率，以及云滴和进入云的气溶胶之间的定量联系，在气候模式中改进气溶胶-云相互作用的处理，并建立非球形气溶胶粒子和冰云粒子辐射参数化，形成我国新一代气溶胶-云-辐射-气候模式系统。在此基础上，研究中国代表性区域气溶胶的垂直分布特征及其对气溶胶和云的辐射强迫的影响，模拟所有气溶胶综合的直接和间接强迫对全球气候的影响，预估未来气候变化中气溶胶的贡献程度。13. 气 溶 胶 对 亚 洲 季 风 影 响 程 度 研 究利用现代统计诊断方法，分析地基观测资料、 卫星资料和再分析资料等多种气溶胶和气象要素观测资料，包括：气溶胶指数、气溶胶光学厚度、季风指数、温度、云量、云的光学厚度、云滴有效半径、降水、辐射资料和OLR等的时空变化特征等，研究气溶胶、云和亚洲季风之间的相互作用。即：一方面研究气溶胶、云和亚洲季风变化的统计关系，另一方面 诊断大气加热场的时空变化，研究气溶胶的时空分布特征与大气加热场之间的关联，以及大气加 热场垂直结构变化对亚洲季风的发生、 强度和持续时间 的影响。同时在课题5和课题6中，分别利用考虑了中国特点气溶胶-云过程和云辐射反馈过程的全球气候模式和区域气候模式，研究全球变化背景下，不同类型气溶胶在不同混合状态下的直接和间接辐射强迫及其气候效应。并特别通过敏感试验，研究气溶胶的直接和间 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的变化以及季风覆盖区变化的影响。利用 诊断分析的大气加热场的结果，与模式输出的大气加热场对 比， 综合模式和统计结 果评估气溶胶对大气加热场和亚洲季风的影响及反馈。 课题6区域模式所需要的边界由课题5的全球模式提供。 同时 ，全球和区域气候模式均根据 IPCC AR5提供的情景开展未来气候变化成度的预估，并 评估其中气溶胶的 贡献。四、年度计划研究内容 预期目标第一年完成大规模气溶胶云立体观测的准备工作并开始获取观测数据；开始气溶胶云物理过程室内实验的各项准备工作；收集最新的数据资料，更新中国区域气溶胶排放源清单，利用反演模式对排放源清单进行处理；发展和改进已有的云模式；收集气溶胶、云和亚洲季风的相关数据资料，研究其变化特征及相互作用。1) 初步获得对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；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；3) 发展、完善、更新可 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) 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；5) 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；6) 在国内外核心刊物上发表研究论文25篇，其中在SCI 收录的刊物上不少于13篇。研究内容 预 期目标第二年研究二次有机气溶胶的主要化学过程，分析气溶胶光学特性与云微物理特性的相关关系及定量联系；进行不同粒径、不同化学组成气溶胶的活化试验及云滴粒子的增长蒸发试验；改进气溶胶数值模拟系统中云辐射降水相互作用模块，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；在中国参与IPCC AR5的气候模式系统及区域气候模式系统中嵌套耦合课题四研发的气溶胶、云、辐射模块，研究气溶胶对亚洲季风的影响与反馈。1) 获得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；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) 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) 实现气溶胶-云- 辐射-降水相互作用的模拟；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；4) 提升中国参与IPCC AR5的气候模式系统对中国特点气溶胶、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；5) 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；6) 在国内外核心刊物上发表研究论文35篇，其中在SCI 收录的刊物上不少于27篇。研究内容 预 期目标第三年继续进行气溶胶云立体大规模观测，重点分析飞机和高山观测获得的气溶胶和云凝结核观测数据；通过室内试验深入研究大气气溶胶的活化、云滴增长蒸发等微物理过程；改进模式中的降水转化方案，分析研究气溶胶对降水效率的影响；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。1) 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；2) 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 ；3) 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；4) 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；5) 在国内外核心刊物上发表研究论文25篇，其中在SCI 收录的刊物上不少于20篇。第四年进一步深入分析我国不同区域气溶胶、CCN 和云滴粒子的 时空分布特征及相互关系；利用条件控制试验研究各种条件下气溶胶和云滴的微物理特征；在气溶胶模式系统基础上发展雾霾天气数值预报系统；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；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。1) 获得气溶胶、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；2) 获得不同条件下气溶胶和云滴粒子的增长蒸发等微物理特性；3) 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溶胶与云（雾）及降水的相互作用机制；4) 评估气溶胶气候变化中的贡献；评价气候变化对空气污染状况的可能反馈；5) 在国内外核心刊物上发表研究论文25篇，其中在SCI 收录的刊研究内容 预 期目标物上不少于20篇。第五年完成所有的观测、测试、数据分析及模式研究内容，归纳、总结研究成果。1) 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；2) 在国内外核心刊物上发表研究论文30篇，其中在SCI 收录的刊物上不少于20篇。一、研究内容1）拟在大规模、长期的气溶胶物理-化学-光学特性网络化观测的基础上，开展由地基、高山站、飞机、 卫星遥感、室内实验系统分析和典型季风区观测与实验相结合的气溶胶-云相互作用的研究，为气溶胶-云-辐射数值模拟系统提供输入与检验； 2）同时将观测与深入的数值模拟相结合，在自主研发和更新的气溶胶排放源清单的支持下，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，研究雾的数值预报方法，结合本申请团队上一 973项目研发的区域性霾天气的数值预报系统，形成区域性雾-霾天气数值预报系统； 3）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，研究气溶胶对云的改变导致的气溶胶间接气候效应，通过全球模式研究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；4）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，并研究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。利用全球模式提供的边界场，并通 过耦合了气溶胶-云-辐射数值模拟系统的区域气候模式，评 估气溶胶的直接和 间接气候效应对亚洲季风的影响程度，研究气溶胶与亚洲季风相互作用的机制。 评估在未来气候变化中气溶胶的作用。并预估在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。