气溶胶的直接辐射强迫对兰州气象条件的影响
摘 要：随着沙尘暴的越来越多，沙尘气溶胶对局地天气的影响也越来越大，研究沙尘气溶胶与局地辐射和气象条件之间的关系对天气预报和进一步研究气溶胶都有十分深远的意义。本项目的目的就是在大量观测基础上，利用统计分析的知识对资料进行分析。找出兰州地区气溶胶粒子分布与直接辐射强迫的一般规律，从而得出兰州地区气溶胶的直接辐射强迫，并分析其气候响应。本文通过对来自于兰州大学半干旱气候与环境监测站（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University）3、4和5月份的沙尘气溶胶的光学厚度、地面辐射资料和气象条件，包括温、压、湿、风等资料进行研究，挑出有代表性的无沙尘天气，扬沙天气和沙尘暴天气来进行研究对比，分析气溶胶对直接辐射强迫的影响和从而造成的对气象条件的影响。我们得到沙尘气溶胶主要受沙尘天气的影响，以675nm通道为例，最大值为1.503，最小值为0.221.兰州冬季整层大气气溶胶光学厚度与能见度的呈明显且严格的反相位的趋势，气溶胶的光学厚度越大，水平能见距越小；且定义出AOT（675）＜0.65定义为无沙尘天气，AOT（675）≥ 2.05时，定义为沙尘暴天气；当气溶胶密度越小， 地表冷却越强，地表温度响应越显著；气溶胶同时对风和湿度都会产生影响，但这种影响并不十分明显，笔者认为是应该进一步研究的。
关键词：气溶胶，辐射强迫，气象条件
引 言：我们所处的地气系统处在一个能量收支近乎平衡的状态中，某种大气环境发生变化或者天文因素的变化，必然会对地面和对流层大气的辐射热量收支产生变化，同时，由于气候的反馈效应，全球气候也会相应地产生变化。辐射强迫定义为其他因素不变，大气环境或天气因素中某一因素的变化使地球对流层一下辐射收支产生的变化，即全球对流层顶辐射净收入产生的变化，它与对流层的气温变化等各种气象因素都关系密切。近年来，由于沙尘暴的肆虐及人类向空气中排放的污染物逐渐增多，气溶胶的气候效应逐渐扩大，对气象条件及人类活动产生了比较大的影响。气溶胶通过对太阳辐射的吸收和散射，使到地面的太阳辐射减少，这是气溶胶的直接辐射效应；同时，陆地上气溶胶数密度越大，云数密度越来越大，产生更大的反射率，从而减少辐射强迫，这是气溶胶的间接影响[1]。其中影响较大的为沙尘气溶胶。气溶胶可以通过气溶胶的光学厚度和水平能见度来表征，大气气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thick—ness，简称AOT[2])是气溶胶光学参数之一，是表征大气混浊度和气溶胶含量的一个重要物理量。理论上，AOT值的大小也可作为表征沙尘天气过程发生与否及强度大小的一个物理量。沙尘气溶胶的主要来源是沙尘天气，在日常的观测中我们通过水平能见度对沙尘天气进行划分，一般，当水平能见度＜1km时，定义为沙尘暴天气，此时沙尘气溶胶数密度大，浓度高，对气象条件及辐射收支平衡产生的影响较明显；沙尘暴天气过后，多会产生浮尘或者扬沙天气，一般水平能见度＜10km，对辐射收支平衡也会产生一定的影响；而一般，若水平能见度＞10km,可认为是无沙尘天气，其影响较弱。高庆先等研究表明[3]，沙尘暴天气发生和影响期间，入射太阳辐射和地面散射辐射之间有明显的反相关关系，相关系数达到0.64，在沙尘暴天气发生和影响期间源区总辐射和反射辐射之间的相关关系，相关系数到达0.91，全年相关系数高达0.94。气溶胶粒子谱分布在不同天气条件下有很大差异，在沙尘暴天气中，粒径0．1—1．0 m的大粒子以及粒径大于1．0 m的巨粒子数有明显的增加，粒子数浓度要比晴天背景大气大了约一个量级.[4]
总而言之，气溶胶在空气中的分布越来越多，会通过吸收和散射太阳直接辐射，造成地气系统的辐射收支产生变化，进而对局地的气象条件诸如温、压、湿、风产生一定的影响，而这种气象条件又会影响气溶胶粒子的重新分布，对地气系统的辐射和气象条件通过反馈产生进一步的影响。
本文主要研究2007年3月、4月和5月的沙尘气溶胶造成的辐射平衡及收支的影响对兰州市气象条件的影响，分3种情况研究了无沙尘天气、扬沙天气和沙尘暴天气的辐射收支平衡的差异和气象条件的不同，来分析和研究沙尘气溶胶造成的辐射收支及平衡的变化对兰州气象条件的影响。
一、资料及分析
1、资料来源
本文所有的观测资料均来自于兰州大学半干旱气候与环境监测站（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University）,包括3月、4月和5月气溶胶675nm的气溶胶光学厚度和440nm的气溶胶光学厚度，和各个层次（包括4m、8m、12m、16m和32m）的风速、大气温度、湿度和降水量、大气压等气象要素的值，和地面的辐射资料。
2、能见度分析
在资料的处理中，我们首先通过用MODTRAN模拟水平气象视距和气溶胶光学厚度的经验公式[5]换算出气溶胶的光学厚度造成的水平气象视距，通过水平气象视距，分别分为＜1km,＜10km,＞10km的，即沙尘暴天气、扬沙浮尘天气和无沙尘天气，研究其对辐射收支产生的变化，并对此三种不同的天气过程对其温、压、湿、风等各种天气条件进行分析，得到的结果如下：
由表1可以通过气溶胶的675nm的关学厚度与水平视距的严格对应关系，可以得出，春季3、4、5月的大气气溶胶在675通道的平均光学厚度分别为0.588477,0.5342054和0.426214,季平均光学厚度为0.516299。
从表1可以看出，3月，4月和5月的沙尘日分别为7日，8日和2日。3月和4月是沙尘活动较频繁的日子，且3月的沙尘量相对4月份较大；5月的沙尘活动较少，但是气溶胶的光学厚度最大值出现在5月14日，估计此期间有很强的沙尘活动。
如资料[2]所述，一般，我们是以其月或季平均光学厚度来分辨沙尘天气和无沙尘天气，此处，考虑到兰州春季沙尘气溶胶较多和兰州地形较复杂的特性，从气溶胶的光学厚度和水平能见距的严格对应关系得角度出发，把区分光学厚度的临界暂且定为AOT（675）=0.65，和AOT（675）＞2.05，这更符合我们研究沙尘天气。当AOT（675）＜0.65时，我们定义为无沙尘天气，而当AOT（675）＞0.65时，定义为扬沙浮尘天气，而当AOT（675）＞2.05时，我们才定义为沙尘暴天气。
表1 兰州3、4、5月水平日均能见度与日平均光学厚度罗列
水平能见距罗列 光学厚度能见距罗列
日期 3月 4月 5月 3月 4月 5月
1 28.3 9.8 27.2 0.2700485 .6777826 .2799991
2 888 14.8 13.8 888 .4800177 .5101672
3 3.5 18.3 32.5 1.397587 .3994122 .2377327
4 25.9 4.8 60.0 0.2931089 1.1363940 .1331357
5 8.7 8.7 45.9 0.746696 .7422266 .1721031
6 9.3 13.1 15.2 0.706334 .5348615 .4698395
7 3.0 13.0 8.6 1.5033730 .5388030 .7526807
8 17.1 7.5 13.7 .4241827 .8315075 .5140634
9 888 15.7 21.4 888 .4589076 .3490631
10 16.4 22.0 888 .4409709 .3404674 888
11 18.5 7.1 21.6 .3963172 .8711188 .3459063
12 27.4 19.0 18.0 .2783530 .3883401 .4078371
13 888 27.6 30.0 888 .2760713 .2570373
14 888 58.3 1.6 888 .1369391 2.0501290
15 888 12.4 10.4 888 .5574488 .6429842
16 4.9 29.3 22.3 1.1214000 .2616057 .3353736
17 12.2 39.7 27.5 .5662801 .1973032 .2773925
18 9.9 72.8 31.3 .6717442 .1105009 .2461763
19 13.7 29.1 31.3 .5148954 .2633918 .2463434
20 28.0 22.9 17.5 .2729465 .3281792 .4158363
21 35.1 9.5 11.7 .2213082 .6927760 .5884760
22 888 22.9 888 888 .3279898 888
23 11.5 888 888 .5938713 888 888
24 13.8 9.0 32.3 .5110448 .7242301 .2390871
25 11.2 10.9 67.2 .5915789 .6227006 .1193893
26 18.5 17.0 18.7 .3968243 .4273268 .3929210
27 31.3 2.7 30.6 .2461740 1.6201310 .2515846
28 3.6 888 38.1 1.3593680 888 .2048799
29 17.4 13.4 12.3 .4182413 .5226683 .5642883
30 17.2 14.5 10.5 .4223216 .4886494 .6420290
31 21.5 26.4 .3469648 .2875501
沙尘日 7 8 2 7 8 2 1039