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大气气溶胶对能见度、云和降雨的影响机制

林燕芬  
【摘要】:本研究利用多种卫星传感器观测数据,结合飞机观测和地面监测站多年长期观测资料,分析了近年来气溶胶污染最为突出的东亚-中国地区和东南太平洋的VOCALS-REx(7he VAMOS(Variability of the American Monsoon Systems)Ocean-Cloud-Atmosphere-Land Study Regional Experiment)研究区气溶胶的时空分布及其变化特征,揭示了气溶胶的光学特性与化学组成的关系,气溶胶对云和降水的影响,论证了气溶胶的直接气候效应和间接气候效应。本研究主要取得了以下三个方面的成果。 1.揭示了中国主要大城市群的能见度恶化与气溶胶中主要化学组分的关系 中国地区的气溶胶浓度增加产生直接气候辐射强迫,直接表现为大气能见度的降低,在大气污染严重的城市地区形成一种新的天气类型--灰霾。基于中国31个主要城市的日均能见度绘制的2005年中国年均能见度等值线图表明,几个主要的城市群地区年均能见度均低于7公里。通过对长三角城市群的沿海大城市-上海市和亚洲沙尘源区的内陆城市-乌鲁木齐市两个典型城市气溶胶的长期采样和监测分析,揭示了能见度降低主要由于大气细颗粒物浓度和可溶性组分的增加和相对湿度等气象因子的综合作用引起。在不考虑气象因素的情况下,能见度与可溶性离子的总浓度相关最为密切,尤其是具有强吸湿性的铵盐是导致沿海和内陆城市能见度降低的主要化学成分。对乌鲁木齐严重灰霾组分的分析进一步揭示了气溶胶巾的铵盐、硫酸盐/硝酸盐的增加,是能见度降低的直接影响因子,而并非细颗粒物总量。同时,草酸盐与能见度的负相关表明了气溶胶中的有机组分也是引起能见度降低的重要因素。 2.东亚-中国地区气溶胶对降雨的抑制作用 大气颗粒物的增加不仅影响辐射平衡,降低能见度,同时还通过作为云凝结核和冰核等参与成云过程,从而改变了降雨形成的微物理过程和降雨量。对1951-2007年间57年中国160个台站春季降雨量进行正交函数分解(EOF)和相关分析,并对比分析了EOF分析的前四个主要模态的在时间轴上的变化规律及其可能影响大气遥相关指数的变化规律,揭示了可能影响中国春季降水的气候环流为太平洋-北美型遥相关(PNA),太平洋年代际振荡(PDO),北极涛动(AO)和厄尔尼诺/南方涛动(Nino34指数)及其表现的空间形态。发现了大气环流影响春季降雨的空间分布型较为集中和单一,区别于大气气溶胶空间分布的不均匀性。由通过TRMM PR获取的降雨频率,GOME和SCIAMACHY获取的NO_2浓度以及MODIS获取的气溶胶光学厚度数据,分析了三者时间变化趋势的空间分布不均匀特点形态,根据气溶胶和降雨空间分布极不均匀的特点,阐明了人为污染物的时空变化对降雨的可能影响。结果表明,春季降雨频率变化趋势的空间形态与NO_2浓度和气溶胶的变化趋势的空间形态具有很好的空间相关性,说明降雨的变化可能与人为污染直接有关。比较降雨频率和降雨量变化的变化幅度进一步发现,大气污染倾向于抑制降水频率。导致降水减少的可能机制是(1)大气中增加的NO_2和气溶胶(尤其是烟尘气溶胶)加强了太阳辐射的吸收,增加了大气稳定度,造成云和降水的减少;(2)污染增加导致的CCN浓度增加,以及长途传输的矿物气溶胶与当地污染排放相互作用,以及地形,风和其他气象要素条件的影响,抑制了降水的发生。气溶胶对降雨的抑制作用将使大气中的水汽和吸湿性颗粒物浓度累积。在大气中水汽有限的情况下,将会导致区域灰霾的形成,或者当大气水汽累积到超过一定临界值时,将会造成强降雨事件。这一假设与上海地面观测的灰霾天数增加和长三角强降雨事件频率增加的报导相符合。这些发现突出了东亚的人为大气污染已经直接影响了区域的水循环,对区域甚至全球产生极为重要的气候效应。 3.气溶胶与云的相互作用及其对降雨的抑制作用 云在气候系统中扮演着重要角色,气溶胶的间接辐射强迫作用主要表现为气溶胶和云的相互作用,即气溶胶可以通过参与云中的微物理过程,改变云的物理特征、辐射特性、降水特性及生命期。 结合东南太平洋上VOCALS-REx研究区的飞机对云和气溶胶的采样数据,以及多个卫星传感器的云、水汽和气溶胶观测数据,研究气溶胶对海洋层云和降水的影响,验证了气溶胶的第一间接效应,即颗粒物浓度增加导致云滴浓度的增加和云滴有效半径的减小以及云顶高度的抬升。利用卫星观测数据分析发现云量、云光学厚度、云滴数浓度、云滴有效半径和云顶压强等各项云参数的空间分布特征与风速的空间分布相似。可能是因为随着风速的增大,增加的海盐气溶胶和传输的大陆人为气溶胶为云的形成提供了更多的云凝结核,影响了云的特性和空间分布。月平均的云和气溶胶空间特征统计分析发现云量的分布呈由海岸向西北方向延伸的羽状区域,云滴数浓度和云顶压强的最高值均是最靠近海岸的地区,即气溶胶光学厚度最大的地区,但云量和云液水路径的最大值则位于羽状区域的中心区,而非气溶胶浓度最高的区域。说明云对气溶胶浓度变化的响应并不是气溶胶的增多--云滴增多--合并增长减少--降水减少--云液水路径增大--云的生命期变长的单向过程。当气溶胶浓度持续增加,而环境中的水汽含量相对有限时,云滴半径的过小可能使得云滴更易蒸发,不形成降雨但云液水路径因此变小,云量减少。 最后,在季节尺度分析了VOCALS研究区平均降水频率和平均雨强的空间分布。降水频率存在着与云量相似的羽状结构,与云量分布存在着空间上的反相关关系。季节平均雨强与降雨频率的空间分布相似,但雨强的渐变梯度没有降雨频率明显,可能是因为气溶胶对于降雨频率的影响大于对雨强的影响。


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