虽然气溶胶已被广泛认为是导致气候模式不确定性的重要因素之一，然而在当前业务化运行的全球天气预报模式和产品中，其影响尚未被显式考虑。丁爱军团队的最新研究表明，气溶胶是导致全球不同地区天气预报出现系统性偏差的重要原因，并且该偏差在空气污染地区随预报时间显著增大。
该项工作基于2016-2018年美国国家环境预报中心（NCEP）的全球预报系统（GFS）逐日天气预报产品和全球数据同化预报系统（GDAS）资料以及全球气象探空资料，通过针对24小时预报气温的“观测-预报差值法”（Observation minus Forecast - OMF）分析，发现对流层低层的气温预报在全球不同地区的典型季节存在着系统偏差。例如，我国东部、印度北部、亚马逊和非洲中南部的夏季显著高估，欧亚大陆中高纬度和美国东南部地区春季以及南大洋地区显著低估，月均偏差的幅度高达±1.5℃不等。上述气温偏差可用所在地区典型季节特定类型的气溶胶（如人类活动的化石燃料排放、生物质燃烧、沙尘和海盐气溶胶等）予以解释，包括撒哈拉沙漠和柴达木盆地等地沙尘、非洲南部森林大火在源区和下风向地区对气温垂直结构的不同影响。相关过程也被气象-化学在线耦合模式WRF-Chem的模拟所证实。
图1 GFS气温24小时预报月均最大偏差与气溶胶光学厚度的全球分布 (2016-2018)
该研究表明，气温预报的偏差更多出现在气溶胶较高而非云量较高的区域，不同地区的气溶胶可通过气溶胶-辐射相互作用（ARI）或气溶胶-云相互作用（ACI）影响对流层低层的气温变化，其中ARI随着不同地表反照率呈现出显著的差异。研究指出：当前全球天气预报模式中的资料同化未能充分融合污染地区的气象观测资料，导致天气预报偏差在相应地区的显著增长，而相关问题在全球再分析资料产品中仍然存在，解决相关问题的关键在于模式中需要考虑气溶胶与气象过程的完全耦合。
图2 GFS气温预报偏差在陆地和海洋不同地区与气溶胶辐射效应及云预报偏差的关系
该研究是丁爱军团队从2012年6.10“黄泥天”重污染事件出发，在开展空气污染-边界层-天气过程相互作用的系列研究基础上从全球视角获得的首张图像，为未来天气预报模式（特别是“化学天气预报”）的发展以及大气物理、大气化学与天气学等二级学科的交叉开拓了新的思路。论文发表于Science Bulletin，黄昕为论文第一作者，丁爱军为论文通讯作者，该研究由国家自然科学基金杰出青年基金项目（41725020）和优秀青年基金项目（41922038）联合资助。
Huang, X. & Ding, A., Aerosol as a critical factor causing forecast biases of air temperature in global numerical weather prediction models, Science Bulletin, https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.05.009, 2021.
文章链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321003467#s0005