遥感技术与应用, 2023, 38(4): 880-891 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2023.4.0880

面向双碳的观测与模拟专栏

基于通用地球系统模式的不同类型气溶胶直接辐射效应的数值模拟

刘甲,1,2,3, 王壬1,2,3, 李龙辉,1,2,3

1.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023

2.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210023

3.南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 210023

Numerical Simulation of Different Types of Aerosols Direct Radiation Effect based on Community Earth System Model

LIU Jia,1,2,3, WANG Ren1,2,3, LI Longhui,1,2,3

1.Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application，Nanjing 210023，China

2.Key Laboratory of Virtual Geographic Environment，Ministry of Education，Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China

3.School of Geography，Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China

通讯作者: 李龙辉（1978-），男，陕西商南人，教授，主要从事陆地生态系统与全球气候变化研究。E⁃mail：Longhui.Li@njnu.edu.cn

收稿日期: 2021-12-06   修回日期: 2022-02-26  

基金资助: 国家重点研发计划“全球变化及应对”专项项目.  2017YFA0603603

Received: 2021-12-06   Revised: 2022-02-26  

作者简介 About authors

刘甲（1996-），女，江西九江人，硕士研究生，主要从事气溶胶辐射效应研究E⁃mail：13182875966lj@gmail.com , E-mail：13182875966lj@gmail.com

摘要

气溶胶可以通过直接效应来影响地气系统的辐射平衡，然而目前气溶胶直接辐射效应的研究主要集中于总气溶胶，缺乏不同类型气溶胶直接辐射效应研究。利用通用地球系统模式（Community Earth System Model， CESM）模拟研究了晴空和有云条件下总气溶胶、硫酸盐气溶胶和含碳气溶胶在大气层顶和地表的直接辐射强迫，并利用多源数据对模拟结果进行验证。结果表明，CESM模拟总气溶胶光学厚度与气溶胶自动观测网（Aerosol Robotic Network， AERONET）有较好的相关性（R2 =0.44），但模拟数值整体偏小；与MERRA-2（Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications Version 2）对比发现，高估了含碳气溶胶光学厚度，低估了硫酸盐气溶胶光学厚度；CESM模拟的辐射通量与基线地表辐射观测网（Baseline Surface Radiation Network， BSRN）的模拟效果良好（R2 =0.93）。在晴空条件下，CESM模拟的总气溶胶以及硫酸盐气溶胶、含碳气溶胶在大气层顶的直接辐射强迫分别为-1.37、-0.46、-0.45 W/m2；有云条件下分别为-0.30、-0.25、+0.04 W/m2，云削弱了气溶胶在大气层顶负的辐射效应，但加强了含碳气溶胶的吸热作用从而呈现出正效应；晴空条件下地表的直接辐射强迫分别为-5.60、-0.53、-2.21 W/m2，有云条件下分别为-4.38、-0.32、-1.64 W/m2，气溶胶的直接辐射效应在地表均为负效应，云对沙尘气溶胶的辐射效应影响不大，但却能削弱硫酸盐气溶胶和含碳气溶胶的直接辐射效应强度。研究结果有利于进一步理解不同类型气溶胶的直接辐射效应，并为未来改进CESM提供依据。

关键词： 气溶胶 ; CESM ; 模式评估 ; 直接辐射强迫

Abstract

Aerosols can affect the radiation balance of the earth atmosphere system through direct effects. However the research on aerosol direct radiation effect mainly focuses on total aerosol， and there is a lack of research on different types of aerosol direct radiation effect. In this study， the Community Earth System Model （CESM） is used to simulate the direct radiative forcing of total aerosols， sulfate aerosols and carbonaceous aerosols on the top of the atmosphere and the surface， and the simulation results are verified by multi-source data. The results show that there is a good correlation between the total Aerosol Optical Depth （AOD） simulated by CESM and the AERONET （R2 = 0.44）， but the simulation value is relatively small. Compared with MERRA-2， it is found that the optical depth of carbonaceous aerosol is overestimated and the optical depth of sulfate aerosol is underestimated； The radiation flux simulated by CESM and the simulation effect of BSRN are good （R2 = 0.93）.The simulation results show that the direct radiative forcing of total aerosol， sulfate aerosol and carbon aerosol at the top of the atmosphere under clear sky conditions are -1.37、-0.46 and -0.45 W/m2， and -0.30、-0.25 and +0.04 W/m2 under cloudy conditions， respectively. Therefore， the existence of clouds weakens the negative radiation effect of aerosols at the top of the atmosphere and strengthens the endothermic effect of carbonaceous aerosols， showing a positive effect； Under clear sky conditions， the direct radiation forcing on the surface is -5.60、-0.53、-2.21 W/m2， and it is -4.38、-0.32、-1.64 W/m2 under cloudy conditions， respectively. Thus， the direct radiation effect of aerosols presents a negative effect on the surface， and the presence of clouds has little effect on the radiation effect of dust aerosols， but it can weaken the direct radiation effect intensity of sulfate aerosol and carbon aerosol. The results of this study are helpful to further understand the direct radiation effects of different types of aerosols and provide a basis for improving CESM in the future.

Keywords： Aerosol ; CESM ; Model evaluation ; Direct radiation forcing

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本文引用格式

刘甲, 王壬, 李龙辉. 基于通用地球系统模式的不同类型气溶胶直接辐射效应的数值模拟. 遥感技术与应用[J], 2023, 38(4): 880-891 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2023.4.0880

LIU Jia, WANG Ren, LI Longhui. Numerical Simulation of Different Types of Aerosols Direct Radiation Effect based on Community Earth System Model. Remote Sensing Technology and Application[J], 2023, 38(4): 880-891 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2023.4.0880

1 引 言

大气气溶胶是悬浮于大气中的固态和液态颗粒物，直径大约为0.002~100 μm；在垂直方向上主要分布在5 km以下的大气中，在水平方向上主要分布在亚洲、非洲和南美洲［1-2］。气溶胶按照来源可分为自然源气溶胶和人为源气溶胶，按照化学成分的不同可分为沙尘、海盐、黑碳、有机碳、硫酸盐和硝酸盐气溶胶等，其中沙尘气溶胶和海盐气溶胶主要来源于自然源，黑碳、有机碳和硫酸盐气溶胶主要来源于人为源。气溶胶在大气中存在的时间较短，因此被称为短生命气候强迫物质［3］。虽然气溶胶在大气中存在的时间短，但却能够通过直接辐射效应、半直接辐射效应和间接辐射效应对全球气候造成重要影响［4-6］。其中，直接辐射效应是指气溶胶通过吸收和散射太阳辐射来直接影响辐射能量收支［7］；半直接辐射效应是指具有强吸收性的气溶胶（如：沙尘、黑碳气溶胶）通过吸收太阳辐射并向外释放辐射能，从而加热大气并使云滴增加，减少云量［8］。气溶胶辐射强迫是衡量气溶胶辐射效应的重要指标［9］，辐射强迫在数值上定义为某种辐射强迫因子发生变化时净辐射的改变量，定量地表示为大气层顶和地表单位面积的辐射通量变化，单位为W/m2。当辐射强迫为正值时，这种强迫因子将对大气层顶和地面起加热作用；当辐射强迫为负值时，这种强迫因子将对大气层顶和地面起冷却作用［10-11］。

目前，数值模拟是研究气溶胶辐射效应的主要方式之一［12-13］。Alvim等［14］利用CAM5（Community Atmosphere Model 5）中的MAM3（Modal Aerosol Module 3）气溶胶机制对巴西上空气溶胶光学厚度进行模拟，并利用AERONET（Aerosol Robotic Network）观测数据和MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）卫星遥感数据进行验证，发现CAM5-MAM3整体低估了气溶胶光学厚度。胡志远［15］利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled to Chemistry）模式模拟太平洋地区的气溶胶光学特性，发现气溶胶光学厚度与卫星反演的结果基本一致，能较好模拟沙尘、硫酸盐和硝酸盐气溶胶，但明显低估了含碳气溶胶。Yu等［16］结合不同卫星及模式模拟气溶胶在全球陆地的直接辐射强迫，在大气层顶的辐射强迫约为-4.9±0.7 W/m2，地表的辐射强迫约为-11.8±1.9 W/m2。Park等［17］对亚洲地区不同类型的气溶胶直接辐射强迫进行估算，得到气溶胶在亚洲地区大气层顶的辐射强迫约为-2.9 W/m2，地表辐射强迫约为-6.8 W/m2。Zhang等［18］研究全球大气顶、地表、大气的年均直接辐射强迫分别为-0.4、-1.46和1.86 W/m2。Raji等［19］利用区域气候模式针对沙尘气溶胶进行辐射效应模拟，发现冬季和春季沙尘气溶胶在大气层顶的短波辐射强迫为正效应。

目前国内外在对气溶胶直接辐射效应的模拟研究中，主要集中于研究总气溶胶的直接辐射效应。然而，不同类型气溶胶的光学特性具有较大的差异性，因而产生的直接辐射效应也不同［20-22］。本文在对总气溶胶直接辐射效应研究的基础上，探究了以人类活动为主导的硫酸盐气溶胶和含碳气溶胶的直接辐射效应。此外，针对现有研究对模型的模拟能力验证比较单一的缺陷，本研究将分别利用AERONET和MERRA-2（Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications Version 2）气溶胶数据，验证CESM（Community Earth System Model）对气溶胶光学厚度的模拟能力，并利用BSRN（Baseline Surface Radiation Network）和CERES（The Clouds and the Earth’s Radiant Energy System）辐射数据验证CESM对辐射通量的模拟能力。

2 模式与数据

2.1　模式简介

本研究利用地球系统耦合模式第一版CESM1.2，该模式是美国国家大气研究中心（National Center Atmospheric Research， NCAR）于2010年7月份推出的地球系统模式。CESM主要包括大气模块（Community Atmosphere Model， CAM）、海洋模块（Parallel Ocean Program， POP）、陆面模块（the Community Land Model， CLM）、陆冰模块（Land-Ice Component）和海冰模块（Community Ice CodE， CICE）5个子模块。CESM考虑了气溶胶的直接和间接效应、碳—氮循环的相互作用、全球植被的动态变化、人类活动引起的土地利用变化情况。本研究选用大气模块第五版（CAM5），陆面模块第四版（CLM4），海洋模块第二版（POP2）。大气模块以0.9°×1.25°的水平分辨率运行，垂直方向分为26层，其中对流层和平流层的气溶胶数据集分开处理，将气溶胶分为黑碳气溶胶、一次有机碳气溶胶、二次有机碳气溶胶、硫酸盐气溶胶、沙尘气溶胶、海盐气溶胶。CESM中包含了气溶胶机制、对流层化学机制、辐射传输机制、云的微观和宏观机制［23］，这些机制为模拟气溶胶的直接和间接效应提供了基础。本文使用的三模态气溶胶方案MAM3中包含积聚模态、粗模态、爱根模态，不同模态假设为外部混合，同一模态假设为内部混合。其中积聚模态中包含硫酸盐、一次有机碳、二次有机碳、黑碳、沙尘、海盐气溶胶；粗模态中包含硫酸盐、沙尘、海盐气溶胶；爱根模态中包含硫酸盐、二次有机碳、海盐气溶胶［24］。陆面模块以0.9°×1.25°的水平分辨率运行，使用CLM4.0-CN模式，该模式中的植被光合作用模型是基于Farquhar等［25］和Collarz等［26］提出。CLM4.0对比之前版本有着更加详细的植被功能类型，并且考虑了地表覆盖和土地利用变化的影响［27］。

2.2　试验设计

为了得到总气溶胶、硫酸盐气溶胶和含碳气溶胶在全球范围的直接辐射效应。本研究设计了4组平行试验：①所有外强迫随时间变化；②去掉所有气溶胶的直接辐射效应；③去掉硫酸盐气溶胶的直接辐射效应；④去掉含碳气溶胶的直接辐射效应（表1）。S1试验积分70 a，前50 a为模式spin-up的时间，取后20 a做平均分析，试验S2、S3、S4分别以S1为参照案例积分20 a做平均分析。试验S1与S2的差为总气溶胶的直接辐射效应，试验S1和S3的差为硫酸盐气溶胶的直接辐射效应，试验S1和S4的差为含碳气溶胶的直接辐射效应。

表1   气溶胶的直接辐射强迫试验设计

Table 1  Experimental design of aerosol direct radiative forcing

试验名称外强迫条件
S1所有外强迫条件随时间变化
S2去掉所有气溶胶的直接辐射效应
S3去掉硫酸盐气溶胶的直接辐射效应
S4去掉含碳气溶胶的直接辐射效应

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2.3　气溶胶数据

（1）AERONET站点数据：本研究采用的气溶胶地面观测数据为来源于AERONET气溶胶自动观测网的实测数据［28］。AERONET目前已经覆盖全球的主要区域，在全球分布着600多个观测站点，采用CIMEL太阳光度计观测仪器，地基观测误差为0.01~0.02。AERONET提供了3个级别的产品：lever1.0（未自动云去除、未校准处理）、lever1.5（自动云去除、未校准处理）、lever2.0（自动云去除和校准处理）［29］。本研究选取了全球样本数量较多的22个站点的lever2.0月均数据，站点信息如表2。

表2   AERONET选取的站点样本数和观测时段

Table 2  Number of site samples and observation period selected from AERONET

序号国家站点观测时段样本数
1中国Beijing-CAMS201208~20180663
2中国XiangHe200103~201705148
3中国Taihu200509~20160888
4中国SACOL200608~20130579
5中国Hong_Kong_PolyU200511~201703103
6中国Xinglong200602~20140868
7印度Gandhi_College200604~20170692
8印度Bhola201304~20170539
9印度Kanpur200301~201803170
10巴基斯坦Karachi200609~20140989
11巴基斯坦Lahore200701~20150481
12日本Osaka200301~201902165
13越南Bac_Lieu200303~20170994
14泰国Silpakorn_Univ200711~201802111
15赞比亚Mongu200101~201001109
16巴西Alta_Floresta200101~201903207
17尼日尔Zinder_Airport200905~201810102
18尼日尔Banizoumbou200101~201812213
19阿根廷CEILAP-BA200301~201701156
20墨西哥Mexico_City200101~201807183
21巴西CUIABA-MIRANDA200103~201903177
22印度尼西亚Bandung200905~20180786

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（2）MERRA-2数据：MERRA-2是由美国国家航空航天局全球模式和同化办公室提供的大气实时再分析资料。MERRA-2数据集优化了原来的MERRA数据集，同化了卫星观测资料和地基观测资料。原始分辨率为0.625°×0.5°（经度×纬度），提供了从1980年开始至今的数据。本研究采用2001~2019年全球范围的黑碳、硫酸盐、有机碳和总气溶胶光学厚度的月数据。

2.4　辐射通量数据

（1）BSRN站点数据：本研究采用的辐射观测数据来自基线地表辐射观测网BSRN的地表净辐射数据。BSRN是由WCRP（World Climate Research Programme）支持下的全球能源和水循环试验中的一个项目，在全球设有多个站点覆盖范围为80° S~90° N。研究选取了全球样本数量较多的22个站点的数据，具体信息如表3。

表3   BSRN选取的站点信息

Table 3  Site information selected from BSRN

地表类型站点数量样本数
城市7852
草地111 779
森林4594

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（2）CERES辐射和云资料（Synoptic TOA and surface fluxes and Clouds，SYN）：研究采用的辐射数据来自云和地球辐射能量系统（CERES）的遥感数据，CERES搭载在Terra和Aqua卫星上，对全球的大气顶和地表辐射能量收支进行观测。CERES（SYN）数据利用Fu-Liou辐射传输模型模拟得到有气溶胶和无气溶胶情景下的辐射通量［30］，用于验证气溶胶直接辐射效应的空间分布特征。研究选取了CERES三级数据产品SYN1deg Ed4A，空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为3 h，时间段为2001~2019年，选取的物理量有： Clearsky（无云无气溶胶）、Pristine（无云有气溶胶）两种情景的大气层顶和地表的短波辐射通量。

3 结果分析

3.1　气溶胶光学厚度模拟效果验证

为验证CESM对气溶胶光学厚度的模拟能力，将模拟得到的总气溶胶光学厚度、硫酸盐气溶胶光学厚度、含碳气溶胶光学厚度与AERONET观测数据和MERRA-2再分析数据进行了对比。AERONET AOD一般提供1 020、870、670、500、440、380、340 nm波段的气溶胶光学厚度，而MERRA-2 AOD和CESM 模拟值仅提供550 nm波段的气溶胶光学厚度，所以需要对AERONET数据进行插值运算。通过式（1）对440 nm和657 nm两个波段进行插值运算得到AERONET的550 nm处气溶胶光学厚度［31］。式（1）中λ1、λ2分别为440 nm和657 nm波长，τλ2为λ2处的AOD，αλ1~λ2为λ1~λ2处的波长指数。由于MERRA-2 AOD产品的分辨率为0.625×0.5°，而CESM模拟的AOD分辨率为0.9°×1.25°，所以在比较时需对MERRA-2 AOD进行重采样，保持两者栅格大小一致，均为0.9°×1.25°。

τ550=τλ2×(550λ2)-αλ1~λ2

图1是利用AERONET观测数据对CESM的模拟结果进行精度评估的结果，结果显示CESM对总气溶胶光学厚度的模拟整体偏小，决定系数R2 （Coefficient of Determination）为0.44，RMSE（Root Mean Squared Error）为0.28，MAE（Mean Absolute Error）为0.20。图2利用MERRA-2资料对CESM的模拟结果进行对比分析，通过MERRA-2与CESM模拟的总气溶胶光学厚度、含碳气溶胶光学厚度和硫酸盐气溶胶光学厚度对比发现，CESM整体上高估了沙尘气溶胶和含碳气溶胶的光学厚度，低估了硫酸盐气溶胶光学厚度。导致这种偏差的原因是在CESM的MAM3气溶胶机制中将沙尘气溶胶和海盐气溶胶合并成一个粗模态，并被假定为内部混合，从而导致了沙尘气溶胶高估；而硫酸盐气溶胶有一部分被铵盐以NH4HSO4的形式存在，被忽视掉的这一部分的硫酸盐气溶胶导致模拟的硫酸盐气溶胶明显低估。但整体空间分布上，CESM的模拟效果与MERRA-2资料的空间分布相一致，模拟的气溶胶光学厚度分布的高值区与资料高值区的分布基本相同。

图1

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图1   CESM模拟结果与AERONET AOD观测数据对比验证

Fig.1   The comparison of AERONET observational AOD and CESM simulation relsults


图2

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图2   CESM模拟结果和MERRA-2数据的对比验证

Fig.2   The comparison of MERRA-2 and CESM simulation results


3.2　辐射通量模拟效果验证

为了验证CESM对气溶胶辐射强迫的模拟能力，本节首先利用BSRN数据对辐射通量进行站点验证，然后利用CERES（SYN）资料对气溶胶辐射强迫进行空间分布特征的对比。在利用CERES（SYN）资料对CESM的模拟结果进行对比分析之前，需要利用站点数据对其进行验证。图3利用BSRN站点数据对CERES（SYN）资料和CESM模拟的短波向下辐射通量（Shortwave Downward， SWD）进行验证。图中显示CERES（SYN）和CESM模拟的SWD与观测值均有较好的相关性，CERES（SYN）与BSRN的决定系数R2 达到0.94，RMSE为16.32 W/m2，MAE为10.55 W/m2，拟合系数为0.94，当SWD小于100 W/m2时，CERES的模拟值偏小；CESM模拟结果与BSRN的R2 达到0.93，RMSE为33.27 W/m2，MAE为23.95 W/m2，拟合系数为0.93，两种模拟结果整体上均略微低于观测值。

图3

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图3   CESM模拟结果(a)和CERES(SYN)(b) 与BSRN观测数据对比验证

Fig.3   The comparison of BSRN observations and CESM simulation results and CERES（SYN）


利用CERES（SYN）计算得到的总气溶胶直接辐射强迫与CESM模拟计算得到的结果进行对比分析。根据图4（a）、图4（b）可知，两种结果均显示气溶胶在大气层顶的辐射效应为负，其中CESM模拟的气溶胶大气层顶直接辐射强迫约为-1.37 W/m2，CERES为-3.31 W/m2。在全球范围，CESM对气溶胶辐射效应的模拟小于CERES，尤其是在印度以及中国东部地区，CESM模拟值明显小于CERES。但是整体而言CESM和CERES在空间上的分布一致性较高，均在南美北部、非洲中部、印度和中国东部地区产生明显的负效应。CESM模拟的大气层顶辐射强迫在沙尘气溶胶的高值区产生明显正效应，尤其是非洲北部和阿拉伯半岛。由于MAM3机制对沙尘气溶胶的模拟值偏高，从而导致其产生的辐射效应较为明显。图4（c）、图4（d）是总气溶胶在地表的直接辐射强迫，两种结果均显示气溶胶能够削弱到达地表的辐射。在平均水平上，CESM模拟计算的总气溶胶的地表直接辐射强迫为-5.60 W/m2，略低于CERES资料计算得到的-6.93 W/m2。区域上，在非洲北部CESM模拟的辐射强迫高于CERES，而在中国东部的辐射强迫低于CERES， 这是CESM对沙尘气溶胶光学厚度的高估和对硫酸盐气溶胶光学厚度的低估导致的。

图4

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图4   CESM模拟结果和CERES（SYN）的气溶胶直接辐射强迫对比验证

（第一列：CESM模拟结果；第二列：CERES计算的辐射强迫（右上角为全球平均值， 打点区域表示通过0.05显著性检验）

Fig.4   The comparison of CERES（SYN） and CESM simulation results


3.3　大气层顶辐射强迫

图5所示为总气溶胶、硫酸盐气溶胶和含碳气溶胶在晴空和有云条件下模拟的大气层顶直接辐射强迫的空间分布。总气溶胶在晴空条件下大气层顶的短波直接辐射强迫约为-1.37 W/m2 （-0.73%），强迫值的高值区出现在中国东部和刚果雨林，强迫值分别约为-5.20 W/m2 （-1.74%）、-5.30 W/m2 （-1.51%）（括号中百分比为变化百分比）。整体而言，总气溶胶对大气层顶产生负的辐射强迫，但是在非洲北部和阿拉伯半岛北部产生明显的正效应，这主要是因为这两个区域属于沙尘气溶胶的高值区，并且地表反照率较高。沙尘气溶胶的吸收能力较强，导致了在大气层顶产生明显的正效应［32］。有云条件下总气溶胶在大气层顶的直接辐射强迫约为-0.30 W/m2 （-0.19%），部分地区由负强迫变为弱正强迫，例如刚果雨林、四川盆地和塔里木盆地区域，这与前人［33］研究结论相一致。

图5

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图5   总气溶胶、硫酸盐气溶胶、含碳气溶胶在晴空和有云条件下大气层顶的直接辐射强迫（单位：W/m2）

（右上角为全球平均值， 打点区域表示通过0.05显著性检验）

Fig.5   Direct radiative forcing of total aerosol， sulfate aerosol and carbonaceous aerosol at the top of the atmosphere under clear sky and all sky conditions（units： W/m2）


硫酸盐气溶胶在晴空条件下大气层顶的直接辐射强迫为-0.46 W/m2 （-0.25%），与李剑东等［34］估算得到的-0.62 W/m2接近。强迫值的高值区出现在中国东部地区，强迫值约为-3.50 W/m2 （-1.77%）。其次是印度半岛和马来群岛地区，强迫值在分别约为-1.24 W/m2 （-0.41%）、-1.26 W/m2 （-0.36%）。有云条件下大气层顶的直接辐射强迫约为-0.25 W/m2（-0.16%），与Koch等［35］估算得到的-0.29 W/m2接近，但要小于Reddy等［36］估算得到的-0.62 W/m2，模拟结果处于IPCC （2007） ［37］估算的（-0.4±0.2 W/m2）范围内。有云条件下的硫酸盐直接辐射强迫明显小于晴空条件，这表明云的存在很大程度上削弱了硫酸盐气溶胶直接辐射效应，其高值区均分布在中国东部、印度半岛和马来群岛地区。

含碳气溶胶在晴空条件下大气层顶的直接辐射强迫约为-0.45 W/m2 （-0.24%），高于张华等［38］估算得到的-0.24 W/m2。强迫高值区在南美亚马逊雨林、非洲刚果雨林以及马来群岛附近，强迫值分别为-3.04 W/m2 （-0.87%）、-3.38 W/m2 （-0.96%）、-1.29 W/m2 （-0.37%）。这些地区属于热带雨林地区，常年气候炎热利于生物质燃烧，属于含碳气溶胶的高值区，在晴空条件下含碳气溶胶对大气层顶产生负的辐射强迫。在非洲北部、阿拉伯半岛含碳气溶胶的辐射强迫则呈现正辐射强迫，出现这种正辐射效应的原因有两种：①与气溶胶的光学特性有关，当气溶胶的单次散射反照率较低时，大气层顶会出现正强迫［39］；②由于地表的高反照率，导致辐射强迫的符号逆转从而出现正值［40］。

特别地，中国大部分地区也出现正辐射强迫，这是由于黑碳气溶胶的强吸收作用加热了大气层顶。在有云条件下含碳气溶胶大气层顶的直接辐射强迫约为+0.04 W/m2 （+0.03%），低于张华等［38］估算得到的+0.08 W/m2。含碳气溶胶的有云条件下大气层顶的辐射效应在全球陆地出现大范围的正效应，特别是非洲刚果雨林和中国东部地区，强迫值分别为+1.54 W/m2 （+0.60%）、+2.10 W/m2 （+0.92%），这两个区域是黑碳气溶胶的高值区，由于云层对太阳辐射的反射，导致云层上黑碳气溶胶吸收的太阳辐射增多，从而对大气层顶起到加热作用［33］。

3.4　地表辐射强迫

图6为总气溶胶、硫酸盐气溶胶和含碳气溶胶在晴空和有云条件下模拟的地表直接辐射强迫的空间分布。与大气层顶辐射强迫相比，地面的辐射强迫分布比较单一，因为气溶胶的吸收和散射作用都能导致到达地面的太阳辐射变少。总气溶胶在晴空条件下地表的直接辐射强迫为-5.60 W/m2（-4.22%），有云条件下地表的直接辐射强迫为-4.38 W/m2 （-4.38%）。强迫高值区均在出现在北非撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛以及中国东部地区。撒哈拉沙漠和阿拉伯半岛是沙尘气溶胶的高值区，所以沙尘气溶胶能够明显削弱地表辐射，并且对比发现沙尘气溶胶对地表辐射的削弱受云的影响较小。

图6

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图6   总气溶胶、硫酸盐气溶胶、含碳气溶胶在晴空和有云条件下地表的直接辐射强迫（单位：W/m2）

（右上角为全球平均值， 打点区域表示通过0.05显著性检验）

Fig.6   Direct radiative forcing of total aerosol， sulfate aerosol and carbonaceous aerosol on the surface under clear sky and all sky conditions （units is W/m2）


硫酸盐气溶胶在晴空条件下地表的直接辐射强迫约为-0.53 W/m2（-0.40%），强迫高值区在中国东部地区，强迫值为-5.0 W/m2（-2.36%），其次是印度半岛，强迫值为-1.58 W/m2（-0.71%）。有云条件下硫酸盐气溶胶的地表辐射强迫为-0.32 W/m2 （-0.32%），强迫高值区同样在中国东部和印度半岛，强迫值分别约为-2.54 W/m2（-1.85%）、-1.05 W/m2（-0.61%）。根据硫酸盐气溶胶在大气层的直接辐射强迫的空间分布特征可知，硫酸盐气溶胶既能削弱大气层顶的太阳辐射也能削弱到达地表的太阳辐射，并且对地表的削弱强度略大于大气层顶。

含碳气溶胶在晴空条件下地表的直接辐射强迫约为-2.21 W/m2（-1.67%），含碳强迫高值区位于非洲刚果雨林和中国东部地区，强迫值分别为-14.34 W/m2（-5.73%）、-12.16 W/m2（-5.74%），其次南美亚马逊雨林、马来群岛和印度半岛，强迫值分别为-6.71 W/m2（-2.61%）、-6.33 W/m2（-2.50%）、-5.81 W/m2（-2.60%）。有云条件下含碳气溶胶的地表辐射强迫为-1.64 W/m2（-1.64%），强迫高值区同样出现在非洲刚果雨林和中国东部地区，强迫值分别为-9.74 W/m2（-6.51%）、-8.8 W/m2（-6.42%）。

4 结论与展望

本文首先利用AERONET和BSRN站点数据对CESM模拟能力进行评估，然后利用MERRA-2和CERES资料从空间分布特征进行了验证，最后，利用CESM模拟不同气溶胶情景下的辐射通量，模拟计算了晴空和有云天气条件下大气层顶和地表的直接辐射强迫，分析了不同类型气溶胶直接辐射效应的时空变化特征。本研究的模拟结果和发现，有利于进一步理解气溶胶的直接辐射效应，并为未来改进和控制通用地球系统模式的模拟结果提供依据。主要研究结论如下：

（1）将CESM模拟的气溶胶光学厚度与AERONET进行对比验证发现，模拟的总气溶胶光学厚度整体上低于AERONET观测数据，这与Alvim等［14］用CAM5-MAM3模式模拟了南美洲大陆的气溶胶光学厚度的发现一致，即CESM-MAM3模拟结果存在低估。将模拟结果与MERRA-2产品对比发现，CESM高估了沙尘气溶胶的光学厚度，低估了硫酸盐气溶胶的光学厚度，这主要是由于CESM中沙尘气溶胶与海盐气溶胶被合并成一个粗模态，被假定为内部混合，从而导致了沙尘气溶胶高估的现象，这与张天航［41］和李鑫等［42］的结论相一致；而硫酸盐气溶胶在CESM中有一部分被铵盐以NH4HSO4的形式存在，从而导致硫酸盐气溶胶的模拟值较低。在空间分布上，CESM的模拟值与MERRA-2资料基本一致。

（2）将CESM模拟的辐射通量与BSRN站点数据对比，得到CESM模拟的短波向下辐射通量与观测值具有良好的相关性，R2 达到0.93，RMSE为33.27 W/m2，MAE为23.95 W/m2，拟合系数为0.93。将CESM的模拟计算得到的直接辐射强迫与CERES（SYN）资料对比发现，CESM对大气层顶的气溶胶辐射强迫的模拟小于CERES，但整体空间分布一致性较高，均在南美北部、非洲中部、印度和中国东部地区产生明显的负效应。由于MAM3机制对沙尘气溶胶的模拟值偏高，从而导致其产生的辐射效应较为明显。

（3）模拟的总气溶胶以及硫酸盐气溶胶、含碳气溶胶在晴空条件下大气层顶的直接辐射强迫的平均值分别为-1.37 W/m2 （-0.73%）、-0.46 W/m2 （-0.25%）、-0.45 W/m2 （-0.24%）；有云条件下大气层顶的直接辐射强迫的平均值分别为-0.30 W/m2 （-0.19%）、-0.25 W/m2 （-0.16%）、+0.04 W/m2 （+0.03%）。因此，云的存在削弱了气溶胶负的辐射效应，加强了含碳气溶胶的吸热作用从而呈现正效应。

（4）模拟的总气溶胶以及硫酸盐气溶胶、含碳气溶胶在晴空条件下地表的直接辐射强迫的全球陆地平均值分别为-5.60 W/m2 （-4.22%）、-0.53 W/m2 （-0.40%）、-2.21 W/m2 （-1.67 %）。有云条件下地表的直接辐射强迫的平均值分别为-4.38 W/m2 （-4.38%）、-0.32 W/m2 （-0.32%）、1.64 W/m2 （-1.64%）。由于气溶胶的吸收和散射作用导致到达地面的太阳辐射减少，所以气溶胶的辐射效应在地表均呈现负效应。因此，云的存在对沙尘气溶胶的辐射效应影响不大，但却能削弱硫酸盐气溶胶和含碳气溶胶的直接辐射效应强度。

本文在研究CESM对气溶胶光学厚度模拟能力评估中发现，模型中的 MAM3 气溶胶机制对硫酸盐气溶胶存在低估同时对沙尘气溶胶高估的现象，所以对辐射效应的模拟因此会有偏差。在今后的研究中需要考虑通过改进 CESM 的气溶胶机制，从而提高对气溶胶的模拟精度；同时本文只探讨了气溶胶的直接辐射效应，而气溶胶也可以通过间接影响云的物理性质来改变云的辐射特征，从而影响地气系统的辐射平衡，在今后的研究中将要考虑这一点。

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