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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
2、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
3、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
4、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；
5、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
6、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-C
7、hem）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
8、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
9、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-
10、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
11、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、Clo
12、udSat，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
13、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
14、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。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
15、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
16、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
