李占清教授课题组研究成果简讯发布时间：2018-09-14 15:10:00.0
1.李占清课题组、朱延年同学提出利用卫星反演海洋性层积云云滴数浓度的改进算法
地球表面70%以上的地区被云所覆盖，而其中大部分是海洋性层积云。因此海洋性层积云对地球能量平衡极其重要, 它们主要是通过反射太阳辐射来影响气候。海洋性层积云云滴数浓度是研究海洋性层积云的重要微物理参数之一，它直接或者间接的影响了云的反照率、云的成雨过程、云的生命周期和云量，这些微物理参数共同决定了云的辐射强迫。这种现象导致云反照率的提高，反射更多的太阳辐射，从而产生降温作用，部分抵消了由温室气体导致的全球变暖效应。利用卫星反演云滴数浓度是基于海洋性层积云是由几乎绝热过程形成的对流单体组成的假设，然而，这种方法在应用当中存在诸多的问题，从而导致卫星反演的云滴数浓度可靠性降低。朱延年同学提出利用MODIS的卫星云产品确定海洋性层积云云底云凝结核(CCN)数浓度的反演方法。
本研究选取了海洋性层积云多发的东南太平洋，南美洲以西海域，大约1700景MODIS Terra的MOD06_L2数据，空间分辨率为1 km。反演了519282个110 km × 110 km的窗口。在扣除冰云、多层云和无云窗口后，大约有38%的有效窗口，共计199595个窗口进入本研究的误差分析。研究发现，在混合像元、云的不均一性和云光学厚度都会影响云滴数浓度反演。因此，本论文提出了可以利用云光学厚度最大的10%的部分（图2），也就是云的对流核部分反演云滴数浓度，来降低上述影响因素所带来的误差。此方法的创新点在于，可以反演最接近干绝热假设的对流核云滴数浓度。并且对流核反演的云滴数浓度可以更直接的反映边界层气溶胶对云的影响，为气溶胶与海洋性层积云相互作用研究提供算法支持。
图1.a 研究区域个例分布图; b 云光学厚度最大的10%部分示意图。
该论文研究结果已在Journal of Geophysical Research Atmospheres期刊上发表（doi: https://doi.org/10.1029/2017JD028083）。这项研究受国家自然科学基金国际与地区合作项目（41561144004）、国家自然科学基金（41575136; 91544217）、和NASA项目（NNX16AN61G）的共同资助。
备注：朱延年同学于2018年夏季毕业、获得博士学位，目前任职陕西省气象科学研究所。
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.李占清课题组、吕敏同学提出用多波长激光雷达反演云凝结核数浓度垂直分布新方法
云凝结核（Cloud Condensation Nuclei，CCN）是云形成的最小胚胎，通过气溶胶粒子在水汽超饱和状态下核化形成。估算CCN垂直分布对云、降水、和气溶胶-云相互作用研究至关重要。但除了极有限的飞机观测，目前已获得的CCN垂直变化特征的资料奇缺。
本研究提出了利用多波长拉曼激光雷达反演垂直CCN变化的新方法。吕敏同学基于本团队的激光雷达的多波长（355nm、532nm、1064nm）光学参数，提出反演CCN数浓度垂直分布的算法。本研究首先选取了三种典型气溶胶（城市工业、生物质燃烧以及沙尘气溶胶）的双模态对数正态谱分布参数进行模拟研究。利用国际气溶胶自动监测网（Aerosol Robotic Network, AERONET）观测站点长期观测的谱分布参数统计结果建立查找表，用来得到真实谱分布参数的最优解，再估算出五个过饱和度下（0.07–0.80%）的CCN数浓度。反演系统误差在20%以内，随机误差最大值约为15%，精度达到国际领先水平。为了进一步验证反演算法的可行性，利用激光雷达观测数据提供的光学参数对CCN数浓度廓线进行了反演，并将激光雷达反演得到的近地面的CCN数浓度与地面云凝结核计数器直接观测的CCN数浓度结果进行对比。结果如图1所示，反演算法有效且可靠。
本研究对了解气溶胶与CCN的垂直分布特性，尤其是云底附近的CCN特性有非常重要的价值，为提高气溶胶-CCN-云相互作用的认识以及改进气候模式中CCN的参数化方案提供了重要的技术支持。
该论文研究结果已在Journal of Geophysical Research Atmospheres期刊上发表（doi: 10.1029/2017JD028100）。这项研究受国家重点研发计划项目（ 2017YFC1501702）、国家自然科学基金会灰霾重大项目（91544217）、全球院青年人才支持计划的共同资助。
图1(a)激光雷达反演得到的CCN数浓度反演结果；（b）（c）与地面云凝结核计数器直接观测的CCN数浓度的对比结果
备注：吕敏同学于2018年夏季毕业、获得博士学位，并应聘到南通大学任教。
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.李占清课题组、王飞同学利用飞机获得华北最污染地区气溶胶垂直廓线参数及其变化规律
2016年李占清课题组依托科技部全球变化国家重大科学研究计划（973）《云-气溶胶气候效应的观测与模拟研究》在华北污染最重的河北邢台地区开展了大型地、空联合观测试验，在气溶胶、云和降水等方面取得了重要的研究进展。其中本研究飞机观测所用仪器来自美国马里兰大学。
过往的飞机气溶胶观测主要集中在粒子浓度、尺度和组成成分等方面，针对光学特征的地面-空中对比观测开展较少。本研究利用搭载Nephelometer和PSAP等气溶胶光学探测仪器飞机，选择晴空少云天气，在对流层低层（<3000m）针对河北南部地区开展了11架次的飞机观测研究。结合地面CPAS直接观测和Cimel遥感测量，围绕以下三个问题开展了研究：1）河北南部地区不同下垫面条件下气溶胶光学特性的垂直分布特征；2）气溶胶光学特性的不同观测数据来源，例如地面观测、地基遥感和飞机观测之间的相互验证；3）不同边界层结构下气溶胶的主要来源以及σsca垂直分布与RH的相关关系。
研究发现，受局地排放和污染物长距离输送影响，河北南部地区近地层污染主要以吸收型气溶胶为主（SSA≈0.85±0.02），不同下垫面对应的气溶胶光学特性及垂直分布廓线有显著不同。污染物大多集中在2000m以下，其垂直分布受边界层结构和大气水汽含量影响显著，在相对湿度较低的情况下，存在较高的吻合度。污染物垂直分布特征可分为边界层底层聚集型、中高层聚集型和多层型。结合气团来向分析，不同来源的污染物特性差异明显。
该工作近日在欧洲Atmospheric Chemistry and Physics在线发表，文章题目为Vertical distributions of aerosol optical properties during the spring 2016 ARIAs airborne campaign in the North China Plain（下载：https://www.atmos-chem-phys.net/18/8995/2018/）。
图1 不同边界层条件下气溶胶散射系数（σsca_550）分布以及和相对湿度（RH）之间的关系（a，c清洁条件下；b，d气溶胶低层聚集条件下）
本研究受国家重点研发计划项目（ 2017YFC1501702）、国家自然科学基金会灰霾重大项目（91544217）、全球院青年人才支持计划的共同资助。
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.李占清课题组、王倩倩同学在气溶胶对闪电活动的长期气候效应研究方面取得重要发现
气溶胶可通过两种效应对闪电活动产生影响：辐射效应和微物理效应。前者指气溶胶通过吸收和散射太阳辐射，减少地表到达太阳辐射，减弱大气不稳定度和对流强度，从而抑制雷暴；后者指气溶胶通过作为云凝结核参与云的微物理过程，改变云滴数浓度和粒径，推迟暖雨过程，增加大气过冷水含量，增强混合云发展和闪电的发生。生物质燃烧（烟尘）气溶胶主要是作为云凝结核。而沙尘气溶胶粒子谱较宽，小的沙尘可以作为云凝结核，大的粒子可以作为巨型凝结核加速暖雨过程；此外，沙尘还是有效的冰核，可以影响冰相过程。
以往气溶胶对闪电活动影响的研究多基于个例的观测和模拟，鲜有有关气溶胶对闪电长期气候效应方面的研究。鉴于此，王倩倩同学利用11年的TRMM卫星闪电资料、MODIS 气溶胶资料和ECMWF再分析资料，研究了气溶胶对闪电活动的长期气候影响，并成功分离出气溶胶、动力和热力的不同影响机理和相对贡献，发现沙尘气溶胶和烟尘气溶胶对闪电影响的共同性和不同性。闪电活动的日变化和季节变化趋势主要受热力条件的影响，气溶胶对闪电的影响与气溶胶含量、类型和局地气候等都有关系。当气溶胶较少（光学厚度AOD<0.3）时，闪电频率随气溶胶含量增加而增多，该阶段以气溶胶的微物理效应为主导。AOD接近0.3时，气溶胶的微物理和辐射效应达到平衡, 闪电频率对气溶胶含量变化的响应并不显著。当而气溶胶含量进一步增加，气溶胶类型不同对闪电影响也不一样。在干燥的沙尘区，强气溶胶辐射效应显著增加大气稳定度，闪电活动受到明显抑制。但在湿润的热带森林地区，烟尘气溶胶的辐射和微物理效应都比较显著，由于两者的抵消闪电活动随气溶胶含量增加没有明显变化。
该研究工作近日在欧洲的Atmospheric Chemistry and Physics在线发表，题目为“The climate impact of aerosols on the lightning flash rate: is it detectable from long-term measurements?”。（下载：https://www.atmos-chem-phys.net/18/12797/2018/）。美国麻省理工大学国际雷暴研究最知名的Williams教授作为评审人之一，对该文给出高度评价: “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.
图1 研究区域
图2 闪电对气溶胶的响应：ARI(辐射效应)，ACI(微物理效应)
这项研究受国家重点研发计划项目（ 2017YFC1501702）、国家自然科学基金会灰霾重大项目（91544217）、全球院青年人才支持计划的共同资助。
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.李占清课题组、王玉莹同学研究发现华北雾霾发生重要机理-气溶胶吸湿增长特性规律
雾霾形成与演变除了取决于人为排放污染物外，也与气象条件和气溶胶吸湿增长关系重大。气溶胶吸湿特性对粒子谱分布、云凝结核形成、辐射强迫、人体健康等均有重要影响。 但由于观测技术条件限制，在我国有关气溶胶吸湿特性及其影响方面研究很少。近些年来李占清课题组利用购买和研发的一系列国际先进仪器（ACSM、V/H-TDMA、SMPS、CCNc等）对我国华北地区气溶胶的吸湿特性进行了系统、综合观测研究。
课题组王玉莹同学利用在2015年“阅兵”期间在北京城区的观测分析研究，发现我国政府采取的一系列控制排放措施能够有效改变气溶胶化学成分和吸湿特性。减排措施使吸湿性物质占比明显降低，40-200nm粒径气溶胶粒子的吸湿性参数（κ）减弱32.0%~8.5%。气溶胶的吸湿能力的降低能够有效减弱大气液相化学反应，从而抑制雾霾的发生发展。本研究揭示了产生“阅兵蓝”天气和人为共同影响效应。该研究工作已在Atmospheric Chemistry and Physics期刊上发表（doi: https://doi.org/10.5194/acp-17-5239-2017）。
王玉莹同学也利用2016年5~6月在华北最污染的河北邢台地区的观测试验研究了新粒子生成规律，发现高排放高污染地区的气溶胶特性与其他地区有明显区别。充足的前体物排放及强烈的大气氧化能力使得该地区新粒子生成现象频发、大气颗粒物快速老化，从而使得大气气溶胶具有明显的内混特征，并具有较强的吸湿性，从而促进了雾霾的快速形成。基于此结果，进一步研究了气溶胶成云的核化特性，确定了一个基于气溶胶数浓度估算云凝结核（CCN）数浓度时的重要参数（κ="0.31）。该参数能够很好地代表该地区的气溶胶影响成云的最核心化学特征。该研究已在Atmospheric" Chemistry and Physics期刊上发表（doi: https://doi.org/10.5194/acp-18-11739-2018）。
图 1. 减排前后不同粒径气溶胶粒子的吸湿性参数对比（C1为减排期间，C2、P为非减排期间的干净及污染阶段）
图 2. 邢台地区气溶胶吸湿性参数明显高于我国其他地区，并且由于光化学的影响，白天气溶胶吸湿性明显高于夜间。
本研究受科技部全球变化国家重大科学研究计划（2013CB955800），国家重点研发计划项目（2017YFC1501702）、国家自然科学基金委员灰霾重大项目（91544217）、国家留学基金委（201706040194）等项目的共同资助。
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.
