李占清教授課題組研究成果簡(jiǎn)訊發(fā)布時(shí)間：2018-09-14 15:10:00.0
1.李占清課題組十籍、朱延年同學(xué)提出利用衛(wèi)星反演海洋性層積云云滴數(shù)濃度的改進(jìn)算法
地球表面70%以上的地區(qū)被云所覆蓋打毛，而其中大部分是海洋性層積云娃磺。因此海洋性層積云對(duì)地球能量平衡極其重要, 它們主要是通過(guò)反射太陽(yáng)輻射來(lái)影響氣候髓帽。海洋性層積云云滴數(shù)濃度是研究海洋性層積云的重要微物理參數(shù)之一横蜒，它直接或者間接的影響了云的反照率等太、云的成雨過(guò)程资柔、云的生命周期和云量，這些微物理參數(shù)共同決定了云的輻射強(qiáng)迫拍皮。這種現(xiàn)象導(dǎo)致云反照率的提高歹叮，反射更多的太陽(yáng)輻射，從而產(chǎn)生降溫作用铆帽，部分抵消了由溫室氣體導(dǎo)致的全球變暖效應(yīng)咆耿。利用衛(wèi)星反演云滴數(shù)濃度是基于海洋性層積云是由幾乎絕熱過(guò)程形成的對(duì)流單體組成的假設(shè)，然而爹橱，這種方法在應(yīng)用當(dāng)中存在諸多的問(wèn)題萨螺，從而導(dǎo)致衛(wèi)星反演的云滴數(shù)濃度可靠性降低。朱延年同學(xué)提出利用MODIS的衛(wèi)星云產(chǎn)品確定海洋性層積云云底云凝結(jié)核(CCN)數(shù)濃度的反演方法。
本研究選取了海洋性層積云多發(fā)的東南太平洋慰技，南美洲以西海域椭盏，大約1700景MODIS Terra的MOD06_L2數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km惹盼。反演了519282個(gè)110 km × 110 km的窗口庸汗。在扣除冰云、多層云和無(wú)云窗口后手报，大約有38%的有效窗口蚯舱，共計(jì)199595個(gè)窗口進(jìn)入本研究的誤差分析。研究發(fā)現(xiàn)掩蛤，在混合像元枉昏、云的不均一性和云光學(xué)厚度都會(huì)影響云滴數(shù)濃度反演。因此揍鸟，本論文提出了可以利用云光學(xué)厚度最大的10%的部分（圖2）兄裂，也就是云的對(duì)流核部分反演云滴數(shù)濃度，來(lái)降低上述影響因素所帶來(lái)的誤差阳藻。此方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于晰奖，可以反演最接近干絕熱假設(shè)的對(duì)流核云滴數(shù)濃度。并且對(duì)流核反演的云滴數(shù)濃度可以更直接的反映邊界層氣溶膠對(duì)云的影響腥泥，為氣溶膠與海洋性層積云相互作用研究提供算法支持匾南。
圖1.a 研究區(qū)域個(gè)例分布圖; b 云光學(xué)厚度最大的10%部分示意圖。
該論文研究結(jié)果已在Journal of Geophysical Research Atmospheres期刊上發(fā)表（doi: https://doi.org/10.1029/2017JD028083）蛔外。這項(xiàng)研究受國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際與地區(qū)合作項(xiàng)目（41561144004）蛆楞、國(guó)家自然科學(xué)基金（41575136; 91544217）、和NASA項(xiàng)目（NNX16AN61G）的共同資助夹厌。
備注：朱延年同學(xué)于2018年夏季畢業(yè)豹爹、獲得博士學(xué)位，目前任職陜西省氣象科學(xué)研究所矛纹。
Zhu, Y., D. Rosenfeld, and Z. Li, 2018: Under what conditions can we trust retrieved cloud drop concentrations in broken marine stratocumulus?, J. Geophys. Res. Atmos., 123, doi:org/10.1029/2017JD028083.
2.李占清課題組臂聋、呂敏同學(xué)提出用多波長(zhǎng)激光雷達(dá)反演云凝結(jié)核數(shù)濃度垂直分布新方法
云凝結(jié)核（Cloud Condensation Nuclei，CCN）是云形成的最小胚胎或南，通過(guò)氣溶膠粒子在水汽超飽和狀態(tài)下核化形成逻住。估算CCN垂直分布對(duì)云、降水迎献、和氣溶膠-云相互作用研究至關(guān)重要。但除了極有限的飛機(jī)觀測(cè)腻贰，目前已獲得的CCN垂直變化特征的資料奇缺吁恍。
本研究提出了利用多波長(zhǎng)拉曼激光雷達(dá)反演垂直CCN變化的新方法。呂敏同學(xué)基于本團(tuán)隊(duì)的激光雷達(dá)的多波長(zhǎng)（355nm、532nm冀瓦、1064nm）光學(xué)參數(shù)伴奥，提出反演CCN數(shù)濃度垂直分布的算法。本研究首先選取了三種典型氣溶膠（城市工業(yè)翼闽、生物質(zhì)燃燒以及沙塵氣溶膠）的雙模態(tài)對(duì)數(shù)正態(tài)譜分布參數(shù)進(jìn)行模擬研究拾徙。利用國(guó)際氣溶膠自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)（Aerosol Robotic Network, AERONET）觀測(cè)站點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)的譜分布參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果建立查找表，用來(lái)得到真實(shí)譜分布參數(shù)的最優(yōu)解感局，再估算出五個(gè)過(guò)飽和度下（0.07–0.80%）的CCN數(shù)濃度尼啡。反演系統(tǒng)誤差在20%以內(nèi)，隨機(jī)誤差最大值約為15%询微，精度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平崖瞭。為了進(jìn)一步驗(yàn)證反演算法的可行性，利用激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)提供的光學(xué)參數(shù)對(duì)CCN數(shù)濃度廓線進(jìn)行了反演撑毛，并將激光雷達(dá)反演得到的近地面的CCN數(shù)濃度與地面云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器直接觀測(cè)的CCN數(shù)濃度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比书聚。結(jié)果如圖1所示，反演算法有效且可靠藻雌。
本研究對(duì)了解氣溶膠與CCN的垂直分布特性雌续，尤其是云底附近的CCN特性有非常重要的價(jià)值，為提高氣溶膠-CCN-云相互作用的認(rèn)識(shí)以及改進(jìn)氣候模式中CCN的參數(shù)化方案提供了重要的技術(shù)支持胯杭。
該論文研究結(jié)果已在Journal of Geophysical Research Atmospheres期刊上發(fā)表（doi: 10.1029/2017JD028100）驯杜。這項(xiàng)研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（ 2017YFC1501702）、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)灰霾重大項(xiàng)目（91544217）歉摧、全球院青年人才支持計(jì)劃的共同資助艇肴。
圖1(a)激光雷達(dá)反演得到的CCN數(shù)濃度反演結(jié)果；（b）（c）與地面云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器直接觀測(cè)的CCN數(shù)濃度的對(duì)比結(jié)果
備注：呂敏同學(xué)于2018年夏季畢業(yè)叁温、獲得博士學(xué)位再悼，并應(yīng)聘到南通大學(xué)任教。
Lv, M., Z. Wang, Z. Li, T. Luo, R. Ferrare, D. Liu, D. Wu, J. Mao, B. Wan, F. Zhang, and Y. Wang, 2018: Retrieval of cloud condensation nuclei number concentration profiles from lidar extinction and backscatter data , J. Geophys. Res. Atmos., 123, 6082-6098, doi:10.1029/2017JD028102.
3.李占清課題組膝但、王飛同學(xué)利用飛機(jī)獲得華北最污染地區(qū)氣溶膠垂直廓線參數(shù)及其變化規(guī)律
2016年李占清課題組依托科技部全球變化國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃（973）《云-氣溶膠氣候效應(yīng)的觀測(cè)與模擬研究》在華北污染最重的河北邢臺(tái)地區(qū)開展了大型地冲九、空聯(lián)合觀測(cè)試驗(yàn)，在氣溶膠跟束、云和降水等方面取得了重要的研究進(jìn)展莺奸。其中本研究飛機(jī)觀測(cè)所用儀器來(lái)自美國(guó)馬里蘭大學(xué)。
過(guò)往的飛機(jī)氣溶膠觀測(cè)主要集中在粒子濃度冀宴、尺度和組成成分等方面灭贷，針對(duì)光學(xué)特征的地面-空中對(duì)比觀測(cè)開展較少。本研究利用搭載Nephelometer和PSAP等氣溶膠光學(xué)探測(cè)儀器飛機(jī)略贮，選擇晴空少云天氣甚疟，在對(duì)流層低層（<3000m）針對(duì)河北南部地區(qū)開展了11架次的飛機(jī)觀測(cè)研究仗岖。結(jié)合地面CPAS直接觀測(cè)和Cimel遙感測(cè)量，圍繞以下三個(gè)問(wèn)題開展了研究：1）河北南部地區(qū)不同下墊面條件下氣溶膠光學(xué)特性的垂直分布特征览妖；2）氣溶膠光學(xué)特性的不同觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源轧拄，例如地面觀測(cè)、地基遙感和飛機(jī)觀測(cè)之間的相互驗(yàn)證讽膏；3）不同邊界層結(jié)構(gòu)下氣溶膠的主要來(lái)源以及σsca垂直分布與RH的相關(guān)關(guān)系檩电。
研究發(fā)現(xiàn)，受局地排放和污染物長(zhǎng)距離輸送影響府树，河北南部地區(qū)近地層污染主要以吸收型氣溶膠為主（SSA≈0.85±0.02）俐末，不同下墊面對(duì)應(yīng)的氣溶膠光學(xué)特性及垂直分布廓線有顯著不同。污染物大多集中在2000m以下挺尾，其垂直分布受邊界層結(jié)構(gòu)和大氣水汽含量影響顯著鹅搪，在相對(duì)濕度較低的情況下，存在較高的吻合度遭铺。污染物垂直分布特征可分為邊界層底層聚集型丽柿、中高層聚集型和多層型。結(jié)合氣團(tuán)來(lái)向分析魂挂，不同來(lái)源的污染物特性差異明顯甫题。
該工作近日在歐洲Atmospheric Chemistry and Physics在線發(fā)表，文章題目為Vertical distributions of aerosol optical properties during the spring 2016 ARIAs airborne campaign in the North China Plain（下載：https://www.atmos-chem-phys.net/18/8995/2018/）涂召。
圖1 不同邊界層條件下氣溶膠散射系數(shù)（σsca_550）分布以及和相對(duì)濕度（RH）之間的關(guān)系（a坠非，c清潔條件下；b果正，d氣溶膠低層聚集條件下）
本研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（ 2017YFC1501702）炎码、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)灰霾重大項(xiàng)目（91544217）、全球院青年人才支持計(jì)劃的共同資助秋泳。
Wang, F., Z. Li, X. Ren, Q. Jiang, H. He, R. R. Dickerson, X. Dong, and F. Lv, 2018: Vertical distributions of aerosol optical properties during the spring 2016 ARIAs airborne campaign in the North China Plain, Atmos. Chem. Phys., 18, 8995-9010, doi:10.5194/acp-18-8995-2018.
4.李占清課題組潦闲、王倩倩同學(xué)在氣溶膠對(duì)閃電活動(dòng)的長(zhǎng)期氣候效應(yīng)研究方面取得重要發(fā)現(xiàn)
氣溶膠可通過(guò)兩種效應(yīng)對(duì)閃電活動(dòng)產(chǎn)生影響：輻射效應(yīng)和微物理效應(yīng)。前者指氣溶膠通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射迫皱，減少地表到達(dá)太陽(yáng)輻射歉闰，減弱大氣不穩(wěn)定度和對(duì)流強(qiáng)度，從而抑制雷暴卓起；后者指氣溶膠通過(guò)作為云凝結(jié)核參與云的微物理過(guò)程和敬，改變?cè)频螖?shù)濃度和粒徑，推遲暖雨過(guò)程戏阅，增加大氣過(guò)冷水含量昼弟，增強(qiáng)混合云發(fā)展和閃電的發(fā)生。生物質(zhì)燃燒（煙塵）氣溶膠主要是作為云凝結(jié)核奕筐。而沙塵氣溶膠粒子譜較寬舱痘，小的沙塵可以作為云凝結(jié)核蚕键，大的粒子可以作為巨型凝結(jié)核加速暖雨過(guò)程；此外衰粹，沙塵還是有效的冰核，可以影響冰相過(guò)程笆怠。
以往氣溶膠對(duì)閃電活動(dòng)影響的研究多基于個(gè)例的觀測(cè)和模擬铝耻，鮮有有關(guān)氣溶膠對(duì)閃電長(zhǎng)期氣候效應(yīng)方面的研究。鑒于此蹬刷，王倩倩同學(xué)利用11年的TRMM衛(wèi)星閃電資料瓢捉、MODIS 氣溶膠資料和ECMWF再分析資料，研究了氣溶膠對(duì)閃電活動(dòng)的長(zhǎng)期氣候影響办成，并成功分離出氣溶膠泡态、動(dòng)力和熱力的不同影響機(jī)理和相對(duì)貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)沙塵氣溶膠和煙塵氣溶膠對(duì)閃電影響的共同性和不同性迂卢。閃電活動(dòng)的日變化和季節(jié)變化趨勢(shì)主要受熱力條件的影響某弦，氣溶膠對(duì)閃電的影響與氣溶膠含量、類型和局地氣候等都有關(guān)系而克。當(dāng)氣溶膠較少（光學(xué)厚度AOD<0.3）時(shí)靶壮，閃電頻率隨氣溶膠含量增加而增多，該階段以氣溶膠的微物理效應(yīng)為主導(dǎo)员萍。AOD接近0.3時(shí)腾降，氣溶膠的微物理和輻射效應(yīng)達(dá)到平衡, 閃電頻率對(duì)氣溶膠含量變化的響應(yīng)并不顯著。當(dāng)而氣溶膠含量進(jìn)一步增加碎绎，氣溶膠類型不同對(duì)閃電影響也不一樣螃壤。在干燥的沙塵區(qū)，強(qiáng)氣溶膠輻射效應(yīng)顯著增加大氣穩(wěn)定度筋帖，閃電活動(dòng)受到明顯抑制奸晴。但在濕潤(rùn)的熱帶森林地區(qū)，煙塵氣溶膠的輻射和微物理效應(yīng)都比較顯著幕随，由于兩者的抵消閃電活動(dòng)隨氣溶膠含量增加沒有明顯變化蚁滋。
該研究工作近日在歐洲的Atmospheric Chemistry and Physics在線發(fā)表，題目為“The climate impact of aerosols on the lightning flash rate: is it detectable from long-term measurements?”赘淮。（下載：https://www.atmos-chem-phys.net/18/12797/2018/）辕录。美國(guó)麻省理工大學(xué)國(guó)際雷暴研究最知名的Williams教授作為評(píng)審人之一，對(duì)該文給出高度評(píng)價(jià): “excellent contribution to the literature on the effects of thermodynamics and aerosol on lightning activity, and gets high marks for its efforts to study simultaneously the roles of multiple variables.
圖1 研究區(qū)域
圖2 閃電對(duì)氣溶膠的響應(yīng)：ARI(輻射效應(yīng))梢卸，ACI(微物理效應(yīng))
這項(xiàng)研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（ 2017YFC1501702）走诞、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)灰霾重大項(xiàng)目（91544217）、全球院青年人才支持計(jì)劃的共同資助蛤高。
Wang, Q., Z. Li, J. Guo, C. Zhao, and M. Cribb, 2018: The climate impact of aerosols on the lightning flash rate: Is it detectable from long-term measurements?, Atmos. Chem. Phys., 18, 12,797-12,816, doi:org/10.5194/acp-18-12797-2018.
5.李占清課題組蚣旱、王玉瑩同學(xué)研究發(fā)現(xiàn)華北霧霾發(fā)生重要機(jī)理-氣溶膠吸濕增長(zhǎng)特性規(guī)律
霧霾形成與演變除了取決于人為排放污染物外碑幅，也與氣象條件和氣溶膠吸濕增長(zhǎng)關(guān)系重大。氣溶膠吸濕特性對(duì)粒子譜分布塞绿、云凝結(jié)核形成沟涨、輻射強(qiáng)迫、人體健康等均有重要影響异吻。 但由于觀測(cè)技術(shù)條件限制裹赴，在我國(guó)有關(guān)氣溶膠吸濕特性及其影響方面研究很少。近些年來(lái)李占清課題組利用購(gòu)買和研發(fā)的一系列國(guó)際先進(jìn)儀器（ACSM诀浪、V/H-TDMA棋返、SMPS、CCNc等）對(duì)我國(guó)華北地區(qū)氣溶膠的吸濕特性進(jìn)行了系統(tǒng)雷猪、綜合觀測(cè)研究睛竣。
課題組王玉瑩同學(xué)利用在2015年“閱兵”期間在北京城區(qū)的觀測(cè)分析研究，發(fā)現(xiàn)我國(guó)政府采取的一系列控制排放措施能夠有效改變氣溶膠化學(xué)成分和吸濕特性求摇。減排措施使吸濕性物質(zhì)占比明顯降低射沟，40-200nm粒徑氣溶膠粒子的吸濕性參數(shù)（κ）減弱32.0%~8.5%。氣溶膠的吸濕能力的降低能夠有效減弱大氣液相化學(xué)反應(yīng)月帝，從而抑制霧霾的發(fā)生發(fā)展躏惋。本研究揭示了產(chǎn)生“閱兵藍(lán)”天氣和人為共同影響效應(yīng)。該研究工作已在Atmospheric Chemistry and Physics期刊上發(fā)表（doi: https://doi.org/10.5194/acp-17-5239-2017）嚷辅。
王玉瑩同學(xué)也利用2016年5~6月在華北最污染的河北邢臺(tái)地區(qū)的觀測(cè)試驗(yàn)研究了新粒子生成規(guī)律簿姨，發(fā)現(xiàn)高排放高污染地區(qū)的氣溶膠特性與其他地區(qū)有明顯區(qū)別。充足的前體物排放及強(qiáng)烈的大氣氧化能力使得該地區(qū)新粒子生成現(xiàn)象頻發(fā)簸搞、大氣顆粒物快速老化扁位，從而使得大氣氣溶膠具有明顯的內(nèi)混特征，并具有較強(qiáng)的吸濕性趁俊，從而促進(jìn)了霧霾的快速形成域仇。基于此結(jié)果寺擂，進(jìn)一步研究了氣溶膠成云的核化特性暇务，確定了一個(gè)基于氣溶膠數(shù)濃度估算云凝結(jié)核（CCN）數(shù)濃度時(shí)的重要參數(shù)（κ="0.31）。該參數(shù)能夠很好地代表該地區(qū)的氣溶膠影響成云的最核心化學(xué)特征怔软。該研究已在Atmospheric" Chemistry and Physics期刊上發(fā)表（doi: https://doi.org/10.5194/acp-18-11739-2018）垦细。
圖 1. 減排前后不同粒徑氣溶膠粒子的吸濕性參數(shù)對(duì)比（C1為減排期間，C2挡逼、P為非減排期間的干凈及污染階段）
圖 2. 邢臺(tái)地區(qū)氣溶膠吸濕性參數(shù)明顯高于我國(guó)其他地區(qū)括改，并且由于光化學(xué)的影響，白天氣溶膠吸濕性明顯高于夜間家坎。
本研究受科技部全球變化國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃（2013CB955800）嘱能，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC1501702）吝梅、國(guó)家自然科學(xué)基金委員灰霾重大項(xiàng)目（91544217）、國(guó)家留學(xué)基金委（201706040194）等項(xiàng)目的共同資助惹骂。
Wang, Y., Z. Li, Y. Zhang, W. Du, F. Zhang, H. Tan, H. Xu, T. Fan, X. Jin, X. Fan, Z. Dong, Q. Wang, and Y. Sun, 2018, Characterization of aerosol hygroscopicity, mixing state, and CCN activity at a suburban site in the central North China Plain, ACP, 18, 18, 11,739-11,752, doi:10.5194/acp-18-11739-2018.
Wang, Y., F. Zhang, Z. Li, H. Tan, H. Xu, J. Ren, J. Zhao, W. Du, and Y. Sun, 2017: Enhanced hydrophobicity and volatility of submicron aerosols under severe emission control conditions in Beijing, Atmos. Chem. Phys., 17, doi:10.5194/acp-17-5239-2017.
