1 引言

气溶胶通过多种方式影响气候，可以散射和吸收太阳辐射，可以充当云的凝结核，影响云的反照率和生命期，沉降在海冰、雪盖、冰川上，使地表变暗，增强对太阳辐射的吸收，云中气溶胶吸收太阳辐射加热大气，蒸发云滴，气溶胶影响气候的能力取决于其在大气中的含量以及化学、物理和光学特性。

气溶胶的辐射强迫可以用来评估气溶胶对气候变化影响程度，但是辐射强迫计算存在一定的不确定性。IPCC第四次评估报告中指出，缺乏对气溶胶光学特性和时空分布的了解是气溶胶辐射强迫模拟不确定性的原因 (Christensen et al., 2007)。IPCC第五次评估报告中给出总气溶胶的辐射强迫是−0.9 W m⁻²，不确定性范围是−1.9~−0.1 W m⁻² (IPCC, 2013)。

气溶胶辐射强迫不确定性除与光学特性有关外，还与粒子形状 (Chung et al., 2005; Magi, 2009)、垂直分布密切相关。针对大气气溶胶的物理、光学特性以及时空分布国内外开展了大量的合作观测实验，亚洲太平洋地区气溶胶特性实验 (Asian Pacific Regional Aerosol Characterization Experiment (ACE-Asia))(Huebert et al., 2003)，亚洲大气颗粒物环境研究 (Asian Atmospheric Particle Environment (APEX))(Nakajima et al., 2003)，印度洋实验 (Indian Ocean Experiment (INDOEX))(Ramanathan et al., 2001a)。中国西北黄土高原位于干旱半干旱区，生态系统脆弱，定量研究气溶胶的辐射强迫对于预测该区域未来气候变化至关重要。在我国西北地区的中美联合气溶胶观测实验，分别于2008和2010年展开，为了解该地区的气溶胶辐射特性提供了重要的科学依据 (Ge et al., 2011)。

Bi et al.(2011)利用太阳光度计 (CIMEL) 分析了2006~2008年中国西北气溶胶的光学和辐射特性，气溶胶光学厚度的年均值是0.35，当气溶胶的光学厚度小于0.8时，对应α非常宽的范围；Liu et al.(2011)基于天空辐射计和SBDART (Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer) 辐射传输模式计算了2009年中国西北地区气溶胶光学特性和辐射强迫，春季气溶胶的光学厚度0.4，平均单次散射反照率0.9，一次沙尘过程造成大气层顶、地表、大气辐射强迫分别是0.68 W m⁻²、−70.2 W m⁻²、70.7 W m⁻²。地基和星载激光雷达为探测气溶胶的垂直分布提供了新的手段。郑有飞等 (2013)利用CALIPSO资料研究了中国西北一次沙尘过程中沙尘气溶胶的时空分布和传输特性。Zhang and Li (2012)利用微脉冲激光雷达和微波辐射计研究了中国西北地区沙尘气溶胶的垂直分布。曹贤洁等 (2009)、周碧等 (2011)分别利用激光雷达研究了兰州市和兰州市远郊区沙尘气溶胶的辐射特性。

深刻理解气溶胶光学特性和辐射强迫对于准确评估未来区域和全球气候变化至关重要。半干旱地区是对气候变化最敏感的区域 (Fu et al., 2006; Huang et al., 2009)，西北地区属于半干旱地区，对该地区气溶胶光学特性和辐射特性的评估具有重要意义。很多学者利用AERONET (全球气溶胶自动监测网) 研究西北地区气溶胶光学特性和辐射强迫 (陈艳等，2013；张志薇等, 2014a, 2014b; Bi et al., 2014; Che et al., 2014; Gong et al., 2014)，但多数只关注典型个例或典型天气过程中气溶胶的辐射特性；张志薇等 (2014a, 2014b) 使用了相对较长的AERONET数据样本以及Bi et al.(2014)虽然都分析了气溶胶的辐射强迫，但对TOA (大气层顶) 正辐射强迫原因缺乏分析；激光雷达可以研究气溶胶垂直分布 (曹贤洁等，2009；周碧等，2011；Zhang and Li, 2012；陈艳等，2013)，辐射传输模式也能研究气溶胶的垂直分布同时可以揭示气溶胶辐射效应垂直变化。本文利用2006~2012年SACOL (兰州大学半干旱气候与环境观测站) AERONET level 2.0提供的光学厚度AOD (Smirnov et al., 2000; Li et al., 2014)、单次散射反照率SSA、不对称因子g、细模态体积比FF (fine mode fraction) 和波长指数等分析了中国西北地区气溶胶物理、光学特性和辐射影响。将太阳短波辐射计CM_21提供的地表反照率数据、OMI臭氧观测数据与辐射传输模式SBDART结合，分析大气加热率廓线的季节变化。通过地表反照率与SSA的敏感性试验给出了与TOA正辐射强迫相关物理量的贡献率。

2 数据与仪器介绍 2.1 数据资料

AERONET是NASA (美国国家宇航局) 和法国国家科学研究中心 (CNRS) 共同组建的由全球数百个太阳光度计组成的气溶胶自动监测网。可以提供区域尺度气溶胶的监测和验证。反演光学厚度的不确定性在可见光和近红外波段是±0.01，在紫外波段是±0.02(Holben et al., 1998; Eck et al., 1999; Dubovik and King, 2000; Omar et al., 2013)。为提高研究结果的可靠性，利用SACOL的辐射观测数据与AERONET模拟值进行对比，如图 1所示，CM_21观测辐射的波长范围是0.308~2.8 μm，AERONET模拟的波长范围是0.2~4.0 μm，所以模拟值略大于实测值，太阳总辐射模拟平均值427 W m⁻²，观测平均值433 W m⁻²，相差6 W m⁻²，在CM_21观测的误差范围之内，所以AERONET的数据具有较高的可靠性，一般被用作实测参考数据 (闭建荣, 2014; 张志薇，2014b)。选取2006~2012年SACOL AERONET level 2.0(2006年7月28日至2012年8月10日) 的数据，具体使用情况见表 1。地表反照率来自AERONET提供的数据，是利用440 nm、675 nm、870 nm和1020 nm 4个波段数据结合MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradio-meter) 数据，采用动态光谱和空间模型计算得到的0.2~4.0 μm宽波段反照率 (Lucht and Roujean, 2000; Mood et al., 2005)。2008年地表反照率数据来自CM_21观测，根据地表接收的向下总辐射通量 (R_{D_AVG}) 和反射辐射通量 (R_{U_AVG}) 计算每一天的地表反照率。地表反照率公式如下：

$ R=\frac{{{R}_{U\_AVG}}}{{{R}_{D\_AVG}}}. $

(1)

2.2 辐射传输模式和模拟试验 2.2.1 SBDART辐射传输模式

SBDART模式是用来计算大气层顶和地表在晴空和有云的条件下平面平行辐射。其辐射波段包括紫外、可见光、红外。模式内部采用的是复杂的离散坐标，低分辨率的大气模式，模式中考虑了水滴和冰相的米散射过程。模式适合各种大气辐射能量平衡和遥感研究。

2.2.2 模拟试验设计

SACOL位于兰州大学榆中校区萃英山顶 (35.95°N, 104.14°E)，下垫面为典型的黄土高原地貌，属于温带半干旱气候，可以很好地代表西北地区复杂的下垫面特征。SBDART模式经过检验，能够很好地模拟西北地区气溶胶辐射信息 (图略)，所以利用模式对2008年2月TOA正强迫做了详细的分析。SBDART模式模拟气溶胶辐射效应需要输入相应波段 (440 nm、675 nm、870 nm、1020 nm) 的气溶胶光学厚度 (AOD)、单次散射反照率 (SSA)、不对称因子 (g) 等光学特征参数，其他波段的气溶胶光学厚度根据AOD和α的指数规律推导得到，其他波段的气溶胶光学参数根据已知信息进行内插和外推计算获得。模式使用的是默认的气溶胶垂直分布廓线 (McClatchey et al., 1972; Ricchiazzi and Gautier, 1998)。模式模拟气溶胶辐射特性时，波长范围0.25~4.0 µm，分辨率是0.005 µm。O₃和水汽数据分别由OMI (Daily L3 Global 0.25×0.25 deg Grid) 和太阳光度计提供。

3 SACOL气溶胶直接辐射强迫和光学特性 3.1 气溶胶的直接辐射强迫

气溶胶对气候的影响可用辐射强迫定量描述。气溶胶粒子通过散射和吸收太阳短波辐射，造成到达地表的太阳辐射、大气层顶反射回外太空辐射变化，这种变化量称为气溶胶的直接辐射强迫。

气溶胶辐射强迫的计算公式：

$ {{R}_{F}}=\left({{F}^{\downarrow }}-{{F}^{\uparrow }} \right)-\left({{F}_{C}}^{\downarrow }-{{F}_{C}}^{\uparrow } \right), $

(2)

其中，$ {{F}^{\uparrow }} $(${{F}^{\downarrow }}$) 代表有气溶胶时向上 (向下) 的辐射通量，$ F_{C}^{\uparrow } $($ {{F}_{C}}^{\downarrow } $) 代表没有气溶胶时向上 (向下) 的辐射通量。有气溶胶和没有气溶胶的净辐射通量差值就是气溶胶辐射强迫。

瞬时辐射强迫是太阳高度角的函数，太阳高度角增加，烟尘 (吸收性) 气溶胶TOA辐射强迫减小 (Haywood and Shine, 1997)，硫酸盐 (散射性) 气溶胶TOA辐射强迫在天顶角60°~80°最大 (Nemesure et al., 1995; Boucher et al., 1998)。统计2006~2012年SACOL 7年瞬时辐射强迫 (辐射强迫的误差在2±10 W m⁻²，García et al., 2008) 对应天顶角的范围为11.35°~77.5°，日均辐射强迫

(D_ARF) 根据公式${{D}_{ARF}}={}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{24}\;\int{{{R}_{F}}dt} $计算得到。本文主要分析2006~2012年SACOL气溶胶辐射强迫年变化趋势，所以没有讨论天顶角的影响。如图 2，BOA (地表) 辐射强迫年均值−59.43 W m⁻²(地表反照率=0.24) 高于香河年均值−25 W m⁻²(地表反照率=0.15)(蔡福等, 2005; 闭建荣等, 2008；Li et al., 2007)，中国区域BOA辐射强迫年均值−35.1 W m⁻²(Li et al., 2010)。BOA辐射强迫4月最大，−84.93±12.19 W m⁻²，7月和9月较小，分别是−39.77±9.68 W m⁻²和−40.50±9.50 W m⁻²；TOA辐射强迫年均值为−17.03 W m⁻²，4月最大，−28.49±2.98 W m⁻²，2月最小，5.23±30.77 W m⁻²；大气辐射强迫年均值42.40 W m⁻²，2月最大，76.91±40.86 W m⁻²，7月最小，26.60±6.20 W m⁻²；BOA负强迫说明气溶胶阻挡了太阳辐射到达地表，对地表产生降温作用；大气正强迫说明气溶胶存在会加热大气，从而导致大气显著增温；TOA负强迫说明气溶胶将更多的太阳辐射反射回太空，对地气系统产生冷却作用。2月气溶胶模拟的不确定性很大，主要因为TOA的辐射强迫为小的正值，这可能与低的SSA以及较大的AOD即强吸收性气溶胶有关 (Li et al., 2010; Abdul-Razzak, 2012)，气溶胶强烈地吸收了地表和大气向上的辐射通量，所以TOA向上的辐射通量减少，具体原因下文详细解释。AOD (550 nm) 年均值0.37，比香河地区的0.82(Li et al., 2007) 和太湖地区的0.77(Xia et al., 2007) 少1/2还多，Bi et al.(2011)分析了2006~2008年SACOL平均的AOD (550 nm) 为0.35±0.21，AOD 4月最大，为0.52±0.06，7月和9月较小，分别是0.27±0.05和0.24±0.04；α(440~675 nm) 年均值0.91，4月最小，为0.58±0.16，7月最大，为1.17±0.10，年变化趋势与AOD位相相反，相关系数为−0.88(通过了0.01的置信度水平)，当AOD为0.3~2.2时，α很小为0.0~0.2。波长指数可以反映粒子的大小，通常α在0~2之间，小α对应大尺度的气溶胶 (Zhang et al., 2002)。春季α会出现极低值−0.01，平均值0.64，75%的α小于0.7，表明春季粒径较大的沙尘占主导，沙漠源区α数值0.64(Lee et al., 2007)；夏季和秋季α平均值分别是1.12±0.29与1.02±0.24，且分布在0.7~1.8较宽的范围，92%的α大于0.7，说明小粒径的气溶胶占主导。冬季α平均值0.82，分布范围集中在0.6~1.2，72%的α大于0.7，冬季采暖期燃煤消耗量较大，大气中粒径较小的黑炭和硫酸盐等二次气溶胶浓度较高。

3.2 气溶胶的光学特性

不对称因子g的年均值为0.68±0.01(图 3)，与闭建荣 (2014)统计2006~2012年SACOL年均值0.68±0.01一致，最大值在2月，为0.70，最小值在11月，为0.67。复折射指数的实部代表气溶胶的散射性，虚部代表吸收性。实部年均值1.48±0.04，3、4月比较大，数值为1.52，最小值在9月，1.43；虚部年均值0.007±0.003，吸收最强的月份是9月，0.01，其次是2月份，0.008，复折射指数实部的年变化与AOD一致，虚部与AOD反位相。SSA_{675 nm}的数据主要来自AERONET反演产品，SSA年均值0.93±0.02与闭建荣 (2014)统计2006~2012年SACOL年均值0.91±0.04(AERONET) 相似，黑炭气溶胶在可见光波段的SSA数值为0.2，硫酸盐气溶胶接近1(Ramanathan et al., 2001b)。SSA可以描述粒子的吸收性，SACOL SSA年均值小于太湖站0. 94、大于香河站0.87(2005年均值，Lee et al., 2007)，最大值出现在4月，0.95，其次是3月，0.94，最小值在2月和9月，0.90，SACOL常年以粗模态为主 (图 4)，所以西北地区的气溶胶光学厚度主要是粗模态气溶胶散射对光的削减。

整个春季 (3、4、5月) 粒子的尺度分布都集中在粗模态 (2 µm)，峰值依次为0.15 µm³ µm⁻²、0.24 µm³ µm⁻²、0.09 µm³ µm⁻²，如图 4所示，4月份最大，大于香河站0.169 µm³ µm⁻²和太湖站0.161 µm³ µm⁻²(张志薇等，2014a)，西北地区春季受到沙尘的影响更严重。春季过后，粗模态的粒径变大到4 µm左右，细模态的粒径基本上固定在0.25 µm。春季，粗模态和细模态峰值分别为0.16 µm³ µm⁻²和0.02 µm³ µm⁻²，细模态体积比0.44，波长指数0.64，表明对春季辐射强迫贡献最大的是粗模态粒子。

4 大气短波加热率垂直分布

利用辐射加热率公式

$ \frac{\partial T}{\partial t}=\frac{g}{\rho {{c}_{p}}}\frac{F\left({{z}_{2}} \right)-F\left({{z}_{1}} \right)}{{{z}_{2}}-{{z}_{1}}} $

(3)

计算大气加热率廓线，其中，T是温度 (单位：K)，t是时间 (单位：s)，F是大气净辐射通量 (单位：W m⁻²)，g是重力加速度，c_p是空气定压比热容，r表示空气密度 (单位：kg m⁻³)，z表示大气层的高度 (单位：km)。气溶胶的存在会影响大气层结，进而影响局地环流。加热率为正，表示对大气的增温作用，反之，有冷却作用。SBDART模式可以模拟0(地表) 到100 km (大气层顶) 大气垂直辐射加热率，量化气溶胶在不同高度对大气的影响。

加热率在冬半年和夏半年的变化趋势一致，如图 5所示，0~7 km加热率逐渐减小，8~21 km，加热率逐渐增加，增加速率小于低层大气减小的速率，22~40 km，加热率逐渐减小到0，40 km以上加热率为0且不随高度改变。在边界层内 (0~2 km) 加热率最明显且地表的加热率最大，随高度增加，加热率逐渐减小，与前人模拟的趋势一致 (苏文颖和陈长和, 1997；Chen et al., 2013; 王宏等, 2007)，主要因为低层大气气溶胶吸收太阳辐射加热该层大气，同时减少了入射到地表的辐射能量使地表冷却，低层大气逆辐射加热地表，由公式 (3) 可知，$ \partial T/\partial t$为正，$ F({{z}_{2}})-F({{z}_{1}}) $在地表最大。低层大气气溶胶浓度较高，2~7 km气溶胶浓度逐渐减小，$ F({{z}_{2}})-F({{z}_{1}}) $差值逐渐减小，加热率逐渐减小，8~21 km大气增温主要是由高层臭氧和水汽对太阳辐射的吸收造成。

冬半年加热率在0~22 km高度范围都大于夏半年，在地表，冬半年加热率是2.6±1.7 K d⁻¹，夏半年是0.6±0.6 K d⁻¹，申绍华 (1991)利用辐射模式模拟气溶胶对大气辐射加热率的影响，当能见度为2 km时，短波加热率可以达到7.6℃ d⁻¹；Ramana et al.(2004)观测分析喜马拉雅地区季节平均加热率在2 km高度为1 K d⁻¹。随着高度增加，冬半年逐渐缩小与夏半年的差距，在2 km高度上，差距为0.5 K d⁻¹，在8 km高度上，冬半年加热率是0.1±0.08 K d⁻¹，夏半年是0.02±0.07 K d⁻¹，相差0.08 K d⁻¹。冬半年包含了整个采暖期 (9月至次年3月) 且西北地区降水集中在夏半年，所以冬半年气溶胶在低层浓度大于夏半年，对低层大气的增温作用更明显。在地表，模式模拟的辐射加热率不确定性最大，随着高度增加，不确定性减小，主要是因为西北地区下垫面复杂，模式中采用的地表反照率是根据各波段反照率数值结合动态光谱和空间模型匹配得到的，不能很好地代表地表状态。高度越高，受到地表反照率的影响越小。

辐射加热率季节变化中，冬季＞秋季＞春季＞夏季，在地表，加热率依次是2.5＞1.4＞1.2＞0.2 K d⁻¹，7 km高度上，0.2＞0.1＞0.09＞−0.03 K d⁻¹。冬季采暖期，黑炭浓度显著升高，平均浓度约3000 ng m⁻³(陈敏，2008)，黑炭强烈地吸收太阳辐射后加热大气，所以冬季的加热率最大，Babu et al.(2002)观测印度城市气溶胶，由于黑炭气溶胶的增加，AOD从0.24增加至0.45时，大气加热率从0.8 K d⁻¹增加到1.5 K d⁻¹；秋季地表加热率大于春季，秋季α平均值1.12，小粒子气溶胶占主导，秋季SSA较小，0.92小于春季0.95，复折射指数实部1.45小于春季1.52，虚部0.01高于春季0.004，表明秋季多为吸收性较强的细模态气溶胶，而春季西北地区受到沙尘气溶胶的影响，大气中粗模态散射性气溶胶占主导。秋季吸收性较强的气溶胶对大气的增温作用强于春季，所以地表的加热率秋季大于春季；夏季污染源少，且降水多，所以气溶胶的浓度在夏季最低。

5 TOA正辐射强迫

TOA辐射强迫对SSA的变化很敏感，当SSA较低的时候，TOA是正的强迫。相反，高的SSA对应着TOA负强迫 (Abdul-Razzak, 2012)。SSA增加10%，沙尘气溶胶在大气层顶向上的辐射通量增加13.4%(苏婧，2010)。SSA从0.9到0.8的改变会造成大气层顶的辐射强迫由负变正 (Hansen et al., 1997)。SSA数值可以用来描述气溶胶粒子的吸收性，而且是决定气溶胶辐射强迫是冷却还是加热的重要因子 (Gómez-Amo et al., 2010; 范学花等，2013)。

2月TOA出现正辐射强迫，表明对整个地气系统异常增温，这种异常会影响大气层结稳定性，可能会引起局地天气形势和环流异常。这种正辐射强迫现象不仅与气溶胶物理和光学特性、气溶胶的垂直分布有关，还与地表反照率有关。地表反照率对于吸收性气溶胶的辐射强迫有非常重要的影响 (Abdul-Razzak, 2012)。吸收性气溶胶位于高地表反照率的上空时，会使对流层顶正的辐射强迫大大增加 (Hansen and Nazarenko, 2004；Haywood and Shine, 1997)。

分析发现2月TOA正辐射强迫主要集中在2008年，反照率为0.58(降雪，张志薇等，2014b)，SSA在2月最小，0.89小于年均值0.91，北半球大多数地区气溶胶的SSA为0.85~0.95，当SSA小于0.85时，TOA辐射强迫为正 (Ramanathan et al., 2001b)。针对2008年设计两个敏感性试验，利用SBDART模式模拟辐射强迫，分析正强迫贡献率。试验1：气溶胶的光学特性不变 (固定AOD、SSA和g)，地表反照率从0.56~0.60变化；试验2：地表反照率不变，控制SSA从0.87~0.91变化，如表 2。

TOA辐射强迫随地表反照率的增加而增加，Papadimas et al.(2012)研究地中海区域海洋、陆地、沙漠三种类型的下垫面条件下，TOA处的平均辐射强迫分别为−5.4 W m⁻²、−0.4 W m⁻²、4.1 W m⁻²；Zhuang et al.(2014)研究地表反照率依次为0.04、0.2、0.25时，南京地区TOA辐射强迫依次为−30.6 W m⁻²、−17.9 W m⁻²、−13.0 W m⁻²。2008年2月地表反照率是0.58，BOA辐射强迫是−78.65 W m⁻²，与Liu et al.(2011)模拟一次沙尘过程 (地表的辐射强迫是−70.2 W m⁻²) 造成的地表冷却效果相当。大气辐射强迫是183.54 W m⁻²，大气中的气溶胶是大气的一个显著热源 (Li et al., 2010)。模拟的TOA辐射强迫是104.89 W m⁻²，当地表反照率减少 (增加)0.01时，TOA的辐射强迫减少 (增加)3 W m⁻²，相对减少了2.21%；SSA增加，TOA的辐射强迫减少，BOA辐射强迫增加，大气辐射强迫减少。撒哈拉地区SSA增加10%，TOA辐射强迫减小10.6 W m⁻²(Papadimas et al., 2012)。2008年2月SSA为0.89，TOA的辐射强迫为118.92 W m⁻²，SSA增大0.01时，模拟TOA、BOA、Atmosphere辐射强迫分别是109.50 W m⁻²、−59.74 W m⁻²、169.24 W m⁻²(SSA=0.90)，SSA减小0.01时，分别是127.07 W m⁻²、−67.10 W m⁻²、194.17 W m⁻²(SSA=0.88)；SSA变化0.01，TOA辐射强迫增加或者减少9.3 W m⁻²，相对减少7.6%。利用SBDART模式研究有气溶胶存在下大气垂直辐射加热率对地表反照率及SSA变化的敏感性 (图略)。相比地表反照率，辐射加热率对SSA变化更敏感。地表反照率和SSA对加热率的影响是相反的。加热率随地表反照率的增加而增加，SSA与其相反。与BOA的辐射强迫随地表反照率的增加而增加，随SSA增加而减小模拟结果一致。地表反照率增加，气溶胶吸收更多的反射辐射加热大气，大气的逆辐射加热地表，所以地表反照率越大，加热率在地表越大；SSA增加，气溶胶散射性更强，对大气的加热作用减弱，所以大气的逆辐射减弱，加热率在地表减小。

地表反照率主要影响的是边界层低层0~2 km加热率，地表反照率增加0.01，加热率在地表增加0.04 K d⁻¹，1 km加热率增加0.02 K d⁻¹，2~3 km地表反照率增加到0.59后，加热率不在随地表反照率变化。3 km以上，加热率不在受地表反照率的影响。SSA影响的高度可以到8 km，0~2 km高度最敏感。SSA增加0.01，加热率在地表减小0.42 K d⁻¹，1 km加热率减小0.2 K d⁻¹，2 km加热率减小0.1 K d⁻¹，3~8 km SSA增加0.01，加热率减少量浮动在0.01~0.07 K d⁻¹。

通过两个敏感性试验以及辐射加热率分析结果，可以确定2月正辐射强迫主要是气溶胶SSA的影响，Papadimas et al.(2012)研究表明气溶胶的辐射效应对气溶胶的SSA更加敏感。只考虑地表反照率和SSA对2月TOA正辐射强迫的影响，2008年2月地表反照率的贡献率是22.5%，SSA的是77.5%。

2月是采暖期，SSA月均值在2月最小为0.90，α数值0.75，复折射指数虚部0.008，且细模态峰值和细模态体积比分别是0.03 µm³ µm⁻²和0.6，说明此时的气溶胶尺度较小且具有较强的吸收性，对入射的太阳短波辐射散射较弱；2008年高地表反照率 (0.58) 增加了气溶胶的前向散射 (g在2月最大0.70) 即气溶胶向下的散射能量，所以TOA向上的总辐射能量减小即$ {{F}^{\uparrow }} $减小，如公式$ {{F}_{TOA}}={{F}_{C}}^{\uparrow }-{{F}^{\uparrow }} $，辐射强迫出现正值，对整个地气系统起增温作用

6 结果与讨论

利用SACOL2006~2012年太阳光度计、太阳短波辐射计、OMI日臭氧格点数据结合SBDART模式分析了中国西北地区气溶胶的物理、光学特性、直接辐射强迫和垂直辐射加热率。通过敏感性试验讨论了2008年2月TOA正辐射强迫的原因以及大气垂直辐射加热率廓线对地表反照率和SSA变化的敏感性。

(1) BOA、TOA、Atmosphere辐射强迫年均值分别是−59.43 W m⁻²、−17.03 W m⁻²、42.40 W m⁻²。AOD (550 nm) 年均值0.37，α(440~675 nm) 年均值0.91。AOD与α具有相反的年变化趋势，且光学厚度在0.1~0.3时对应着α非常宽的变化范围0.2~1.7，表明此时的粒子形态很不规则；但当光学厚度增大，在0.3~2.2时，波长指数限制在一个非常小的范围0.0~0.2，对应尺度较大的粒子。

(2) 春季α会出现极低值−0.01，75%的α小于0.7，表明春季粒径较大的沙尘占主导；夏季和秋季α平均值分别是1.12与1.02，且分布在0.7~1.8较宽的范围，92%的α大于0.7，说明小粒径的气溶胶占主导。

(3) SSA年均值0.93，最大值出现在4月，0.95，其次是3月，0.94，最小值在2月和9月，0.90；g年均值0.68，最大值在2月，0.70，最小值在11月，0.67；复折射指数的实部年均值1.48，3、4月比较大，数值为1.52，最小值在9月，1.43；虚部年均值0.007，复折射指数实部的年变化趋势与AOD一致，虚部与AOD反位相，反映了西北地区气溶胶光学厚度主要是散射对光的削减。

(4) 在地表，冬半年加热率是2.6±1.7 K d⁻¹，夏半年是0.6±0.6 K d⁻¹，随着高度增加，冬半年加热率逐渐缩小与夏半年的差距，在2 km高度上，差距为0.5 K d⁻¹，在8 km高度上，冬半年加热率是0.1±0.08 K d⁻¹，夏半年是0.02±0.07 K d⁻¹，相差0.08 K d⁻¹。气溶胶浓度随高度降低，对大气辐射加热率的影响逐渐减小。

(5) 垂直辐射加热率的季节变化中，冬季＞秋季＞春季＞夏季，在地表，加热率依次是2.5＞1.4＞1.2＞0.2 K d⁻¹，7 km高度上，0.2＞0.1＞0.09＞−0.03 K d⁻¹。冬季采暖期，黑炭浓度显著升高，黑炭强烈吸收太阳辐射后加热大气，所以冬季的加热率最大；秋季多为吸收性较强的细模态气溶胶，春季西北地区受到沙尘气溶胶的影响，大气中粗模态散射性气溶胶占主导，对入射太阳辐射吸收较小，所以在地表，秋季的加热率大于春季。

(6) 大气垂直辐射加热率对气溶胶的SSA变化更敏感。地表反照率和SSA对加热率的影响是相反的。加热率随地表反照率的增加而增加，SSA与其相反。地表反照率主要影响的是边界层低层0~2 km加热率，SSA影响的高度可以到8 km，0~2 km高度最敏感。

(7) 2月TOA正辐射强迫主要是气溶胶SSA的影响。只考虑地表反照率和SSA对正辐射强迫的影响，那么2008年2月地表反照率的贡献率是22.5%，SSA的是77.5%。

致谢: 本文资料由全球气溶胶监测网 (AERONET) 和兰州大学半干旱气候与环境观测站 (SACOL) 提供，谨致谢忱！