第34卷第5期 气象科学 Vol. 34. No 5 014年10月 Journal of the Meteorological Sciences Oct..2014 李军霞,银燕,李培仁,等气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展气象科学,2014,34(5):581-590 LI Junxia, YIN Yan, LI Peiren, et al. Advances in research on mechanism and observation of impacts of aerosol on cloud and precipi- tation. Journal of the Meteorological Sciences, 2014, 34(5): 581-590. doi: 10.39 溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展 李军霞2银燕′李培仁2徐芬 (1南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室,南京210044; 2山西省人工降雨防霍办公室,太原030032;3江苏省气象科学研究所,南京210009) 摘要气溶胶对云和降水的影响,对于气候系统、大气环境以及水循环至关重要。气溶胶粒子 作为云凝结核和大气冰核影响云的微物理过程,进而影响雨、雪、雹和其他形式的降水。近年来,在 理解气溶胶的化学成分,气溶胶微物理特性以及气溶胶作为云凝结核和大气冰核影响云降水等方 面已取得重大进展。本文对于气溶胶的概念、来源以及气溶胶的直接和间接效应进行了简要概述 重点总结了国内外在气溶胶影响云和降水的机理研究方面的成果,回顾了近年来利用卫星、地面观 测设备、机载探测设备等对气溶胶和云进行遥感观测和直接观测所获得的观测事实并讨论了其可 能的物理机制,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论 关键词云;降水;气溶胶;观测研究;机理研究 分类号:P42631 doi:10.39692013jms.0067 文献标识码:A Advances in research on mechanism and observation of impacts of aerosol on cloud and precipitation Junxia,2 YIN Yan' LI Peiren XU Fen (1 Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration Nanjing University of information Science Technology, Nanjing 210044, China 2 Shanxi Weather Modification Office Taiyuan 030032, China; 3 Jiangsu Institute of Meteorological Sciences, Nanjing 210009, China) Abstract Impacts of aerosol on cloud and precipitation are important to climatic system atmos- pheric environment and hydrologic cycle. As microphysical process of effects of cloud condensation nuclei (CCN)and atmospherie ice nuclei(IN)on cloud, aerosol particles can further affect the formation of rain, snow, hail, and other forms of precipitation. In recent years, great progresses have been made in understanding the chemical composition and microphysical properties of aerosols as well as the influence of aerosol as CCN and IN on precipitation. The concept, source, direct and indirect effects of aerosols are introduced in this d the research hanism of aerosol on the interactions of cloud and precipitation are reviewed. Furthermore, data of aerosols from satellites remote sensing ground observation and airborne detection in recent years are summerized and the possible physical mechanisms of influence of aerosols on cloud and precipitation are discussed in this review. On the basis of the predecessors'research progresses, the future research direction was put forward Key words Cloud; Precipitation; Aerosol; Observation research; Mechanism researcl 收稿日期( Received):2013-03-04;修改稿日期( Revised):2013-07-04;网络出版日期( Published on-ine):20140805 网络出版地址:htp://ww. cnki.net/kcms/doi/10.3969/2013jm.0067html 基金项目:国家高校博土学位项目专项基金(20113228110002);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306065;GYHY201206025);山西省 气象局重点科研项目( SXKZDTC20140605) 信作者( Corresponding author):银燕( YIN Yan). vivan@ nuist. edu. cr
第 ３４ 卷 第 ５ 期 气 象 科 学 Ｖｏｌ． ３４， Ｎｏ．５ ２０１４ 年 １０ 月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｏｃｔ．， ２０１４ 李军霞，银燕，李培仁，等．气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展．气象科学，２０１４，３４（５）：５８１⁃５９０． ＬＩ Ｊｕｎｘｉａ，ＹＩＮ Ｙａｎ，ＬＩ Ｐｅｉｒｅｎ， ｅｔ ａｌ．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌ ｏｎ ｃｌｏｕｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉ⁃ ｔａｔｉｏｎ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ２０１４，３４（５）：５８１⁃５９０． ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ２０１３ｊｍｓ．００６７ 气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展 李军霞１，２ 银燕１ 李培仁２ 徐芬３ （１ 南京信息工程大学 中国气象局气溶胶⁃云⁃降水重点开放实验室，南京 ２１００４４； ２ 山西省人工降雨防雹办公室，太原 ０３００３２；３ 江苏省气象科学研究所，南京 ２１０００９） 收稿日期（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ）：２０１３⁃０３⁃０４；修改稿日期（Ｒｅｖｉｓｅｄ）：２０１３⁃０７⁃０４； 网络出版日期（Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｏｎ⁃ｌｉｎｅ）：２０１４⁃０８⁃０５ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｏｉ ／ １０．３９６９ ／ ２０１３ｊｍｓ．００６７．ｈｔｍｌ 基金项目：国家高校博士学位项目专项基金（２０１１３２２８１１０００２）；公益性行业（气象）科研专项（ＧＹＨＹ２０１３０６０６５；ＧＹＨＹ２０１２０６０２５）；山西省 气象局重点科研项目（ＳＸＫＺＤＴＣ２０１４０６０５） 通信作者（Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ）：银燕（ＹＩＮ Ｙａｎ）． ｙｉｎｙａｎ＠ ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 摘要 气溶胶对云和降水的影响，对于气候系统、大气环境以及水循环至关重要。 气溶胶粒子 作为云凝结核和大气冰核影响云的微物理过程，进而影响雨、雪、雹和其他形式的降水。 近年来，在 理解气溶胶的化学成分，气溶胶微物理特性以及气溶胶作为云凝结核和大气冰核影响云降水等方 面已取得重大进展。 本文对于气溶胶的概念、来源以及气溶胶的直接和间接效应进行了简要概述， 重点总结了国内外在气溶胶影响云和降水的机理研究方面的成果，回顾了近年来利用卫星、地面观 测设备、机载探测设备等对气溶胶和云进行遥感观测和直接观测所获得的观测事实并讨论了其可 能的物理机制，在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。 关键词 云； 降水； 气溶胶； 观测研究； 机理研究 分类号： Ｐ４２６．３１ ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ２０１３ｊｍｓ．００６７ 文献标识码： Ａ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌ ｏｎ ｃｌｏｕｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ＬＩ Ｊｕｎｘｉａ １，２ ＹＩＮ Ｙａｎ １ ＬＩ Ｐｅｉｒｅｎ ２ ＸＵ Ｆｅｎ ３ （１ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａｅｒｏｓｏｌ⁃Ｃｌｏｕｄ⁃Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４，Ｃｈｉｎａ； ２ Ｓｈａｎｘｉ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｏｆｆｉｃｅ ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００３２ ，Ｃｈｉｎａ； ３ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌ ｏｎ ｃｌｏｕｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｃｌｉｍａｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ， ａｔｍｏｓ⁃ ｐｈｅｒｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ ｃｙｃｌｅ． Ａｓ ｍｉｃｒｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｌｏｕｄ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｎｕｃｌｅｉ （ＣＣＮ） ａｎｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｉｃｅ ｎｕｃｌｅｉ（ ＩＮ） ｏｎ ｃｌｏｕｄ， ａｅｒｏｓｏｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｃａｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｉｎ， ｓｎｏｗ， ｈａｉｌ， ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｏｒｍｓ ｏｆ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ， ｇｒｅａｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ ｉｎ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌ ａｓ ＣＣＮ ａｎｄ ＩＮ ｏｎ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ， ｓｏｕｒｃｅ， ｄｉｒｅｃｔ ａｎｄ ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｌｏｕｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｄａｔａ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌｓ ｆｒｏｍ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ａｒｅ ｓｕｍｍｅｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌｓ ｏｎ ｃｌｏｕｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ． Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｄｅｃｅｓｓｏｒｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ， ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｃｌｏｕｄ； Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ； Ａｅｒｏｓｏｌ； Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ； Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ
582 气象科学 34卷 引言 的影响。图1表示了气溶胶带来的各种辐射强迫的 机制,是对气溶胶影响云和降水的机制的总结 大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液 体微粒共同组成的多相体系,其来源主要分为自然1气溶胶影响云降水的机理研究进展 源和人为源。尽管气溶胶在地球大气成分中含量很1.1凝结核活化形成云滴 少,但其重要性却不容忽视。气溶胶对气候的影响 含有吸湿性物质的气溶胶粒子有利于水汽在其 可分为直接影响和间接影响。直接影响指大气中的表面的凝结,这种粒子称为凝结核。凝结核中的 气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射,从而影响地气部分在特定的过饱和度下可以活化成为CN。 系统的辐射收支。间接影响指气溶胶粒子作为云凝CCN的活化能力与气溶胶尺度、质量和气溶胶的化 结核( Cloud Condensation nucleus,CN)和大气冰学成分等因素密切相关。在地球大气中,云滴或冰 核(IN)影响云的微物理过程,并且气溶胶浓度变化晶的同质核化过程需要在极低的温度下才能发生。 会影响云的光学特性、云量、云的寿命等,而云的变基础热力学理论表明弯曲表面的饱和水汽压比同温 化反过来又影响气候口。气溶胶对气候强迫最大度平水面上的饱和水汽压高,水滴表面的水汽会向 的不确定性是气溶胶的间接效应,即气溶胶对云的平水面扩散并凝结。同质核化分子运动论表明,过 影响。“气溶胶间接效应”包括“第一间接效应”饱和比(一个平面上的实际水汽压除以平衡态水气 和“第二间接效应”。第一间接效应指在一定的液压)的量级需达到3.5~8,水分子才能长成云滴粒 态水路径下,气溶胶浓度的增加使云中云滴数量增子[0。 Pruppacher et,a对同质核化理论以及 加,云粒子半径减小,从而增加云的反照率。相关的实验研究进行了总结。在实际的大气中,这 “第二间接效应”又称为“云的生命期效应”指由气么高的过饱和度是很难达到的。然而,气溶胶粒子 溶胶增加引起云粒子半径的减小,从而抑制降水,大的存在使得水汽很容易在其表面凝结,形成一些直 量的小云滴存在于云中,延长了云的生命期。径为几个微米到几十微米的水滴。这是因为可溶性 些新的研究还提出了气溶胶对云的“半直接效气溶胶表面的平衡水汽压低于纯水表面—溶质效 应”,如黑碳或烟尘等吸收性气溶胶,由于具有较强应。寇拉理论指出,对于每个干的可溶性粒子,都有 的吸收太阳辐射并向外释放热辐射的能力,从而加一个特定的过饱和度S(图2)。图中可见,纯水滴 热大气和云团,使得云滴蒸发,云量减少,云生命期随着粒子尺度的增大,开尔文效应在逐渐减小。黑 缩短,云体平均反照率减小1。气溶胶对云和降色虚线表示临界过饱和比为0.15%时,粒径大于 水的影响作为气溶胶第二间接效应的一部分,其相0.1μm的硫酸铵气溶胶会活化并形成云滴,而较小 互作用机理更为复杂,特别是气溶胶对混合对流云的粒子则不能被活化。对于不同干粒径的气溶胶粒 气层顶 反射辐射 接作用于 液态含水量增长液态含水量增长公高发展云生命期延长 吸收和散射未扰动云云滴数浓度增长毛毛雨抑制 加热致使云滴蒸发 太阳辐射 直接效应 第二间接效应 半直接效应 图1气溶胶影响云和降水的机制(摘自 Intergovernmental Panel on Climate Change(PCC,200)(9) (气溶胶通过改变能量和水循环,最终影响降水:1,吸收和散射太阳辐射;2,作为CCN和IN影响云和降水 黑点:气溶胶颗粒;空心圆:云滴;直线:太阳短波辐射;波浪线:红外辐射) Fig 1 Various mechanisms proposed to explain how aerosols affect cloud and precipitation. Adapted from Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC, 2007)(9)
引 言 大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液 体微粒共同组成的多相体系，其来源主要分为自然 源和人为源。 尽管气溶胶在地球大气成分中含量很 少， 但其重要性却不容忽视。 气溶胶对气候的影响 可分为直接影响和间接影响。 直接影响指大气中的 气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射， 从而影响地－气 系统的辐射收支。 间接影响指气溶胶粒子作为云凝 结核（Ｃｌｏｕｄ Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ Ｎｕｃｌｅｕｓ， ＣＣＮ） 和大气冰 图 １ 气溶胶影响云和降水的机制（摘自 Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ （ＩＰＣＣ， ２００７） ［９］ ） （气溶胶通过改变能量和水循环，最终影响降水：１，吸收和散射太阳辐射；２，作为 ＣＣＮ 和 ＩＮ 影响云和降水。 黑点：气溶胶颗粒；空心圆：云滴；直线：太阳短波辐射；波浪线：红外辐射） Ｆｉｇ．１ Ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｅｘｐｌａｉｎ ｈｏｗ ａｅｒｏｓｏｌｓ ａｆｆｅｃｔ ｃｌｏｕｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ． Ａｄａｐｔｅｄ ｆｒｏｍ Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ （ＩＰＣＣ，２００７） ［９］ 核（ＩＮ）影响云的微物理过程，并且气溶胶浓度变化 会影响云的光学特性、云量、云的寿命等，而云的变 化反过来又影响气候［１］ 。 气溶胶对气候强迫最大 的不确定性是气溶胶的间接效应，即气溶胶对云的 影响［２］ 。 “气溶胶间接效应”包括 “第一间接效应” 和“第二间接效应”。 第一间接效应指在一定的液 态水路径下，气溶胶浓度的增加使云中云滴数量增 加，云粒子半径减小， 从而增加云的反照率［３⁃４］ 。 “第二间接效应”又称为“云的生命期效应”指由气 溶胶增加引起云粒子半径的减小，从而抑制降水，大 量的小云滴存在于云中，延长了云的生命期［５⁃６］ 。 一些新的研究还提出了气溶胶对云的“半直接效 应”，如黑碳或烟尘等吸收性气溶胶，由于具有较强 的吸收太阳辐射并向外释放热辐射的能力，从而加 热大气和云团，使得云滴蒸发，云量减少，云生命期 缩短，云体平均反照率减小［７⁃８］ 。 气溶胶对云和降 水的影响作为气溶胶第二间接效应的一部分，其相 互作用机理更为复杂，特别是气溶胶对混合对流云 的影响。 图 １ 表示了气溶胶带来的各种辐射强迫的 机制，是对气溶胶影响云和降水的机制的总结［９］ 。 １ 气溶胶影响云、降水的机理研究进展 １．１ 凝结核活化形成云滴 含有吸湿性物质的气溶胶粒子有利于水汽在其 表面的凝结，这种粒子称为凝结核。 凝结核中的一 部分在特定的过饱和度 下 可 以 活 化 成 为 ＣＣＮ。 ＣＣＮ 的活化能力与气溶胶尺度、质量和气溶胶的化 学成分等因素密切相关。 在地球大气中，云滴或冰 晶的同质核化过程需要在极低的温度下才能发生。 基础热力学理论表明弯曲表面的饱和水汽压比同温 度平水面上的饱和水汽压高，水滴表面的水汽会向 平水面扩散并凝结。 同质核化分子运动论表明，过 饱和比（一个平面上的实际水汽压除以平衡态水气 压）的量级需达到 ３．５ ～ ８，水分子才能长成云滴粒 子［１０⁃１１］ 。 Ｐｒｕｐｐａｃｈｅｒ ｅｔ， ａｌ ［１０］ 对同质核化理论以及 相关的实验研究进行了总结。 在实际的大气中，这 么高的过饱和度是很难达到的。 然而，气溶胶粒子 的存在使得水汽很容易在其表面凝结，形成一些直 径为几个微米到几十微米的水滴。 这是因为可溶性 气溶胶表面的平衡水汽压低于纯水表面———溶质效 应。 寇拉理论指出，对于每个干的可溶性粒子，都有 一个特定的过饱和度 Ｓｃ（图 ２）。 图中可见，纯水滴 随着粒子尺度的增大，开尔文效应在逐渐减小。 黑 色虚线表示临界过饱和比为 ０． １５％ 时，粒径大于 ０ １ μｍ的硫酸铵气溶胶会活化并形成云滴，而较小 的粒子则不能被活化。 对于不同干粒径的气溶胶粒 ５８２ 气 象 科 学 ３４ 卷
5期 李军霞,等:气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展 583 子的活化曲线,低于相应平衡曲线的粒子将会蒸发,通过观测不同过饱和度下的CCN浓度来研究CN 而高于平衡曲线的粒子将会凝结生成云滴。凝结核在活化为CCN的能力,国内外许多学者就这方面做 的活化能力取决于该粒子中可溶性物质所占的比了深入的研究[2。研究表明,随着过饱和度的增 重,随着可溶性粒子尺度的增加或者粒子中可溶性加,更多的气溶胶粒子可以活化形成CCN。考虑到 成分的增加,过饱和度S逐渐降低01。 气溶胶粒子复杂的粒子尺度和化学成分特别是有机 不溶但可湿的粒子也可以通过增加胚胎的曲率气溶胶粒子,以及它们随时间和区域的变率,若想从 半径而促进液滴在其表面形成,这与开尔文效应是简单的观测来表示一定范围内气溶胶粒子可以活化 相反的。这个效应与粒子与水滴接触面的表面自由为CCN的能力显然是不够的。为此,定义在给定数 能有关,称为接触角。亲水物质能强烈的促进粒子量的气溶胶粒子中能够活化为CCN的粒子占所有 核化,而疏水物质则阻碍液滴的形成。不溶性粒子粒子数的比例CCN/CN来表示凝结核的活化能力。 的活化能力也受其表面曲率半径的影响,随着粒子这个比率(CCN/CN,称为“CCN活化率”)可以做 尺度的增加而增强。气溶胶中的有机成分可关于气溶胶粒子核化的内在特性的比较,可用于分 以通过以下几种机制影响CN活化:可溶性物质的别研究粒子尺度和成分的影响。例如 Frank,etal2 贡献、降低表面张力、形成疏水性表面膜。亲水、研究了过饱和度为0.4%时,不同类型气溶胶粒子的 可溶性有机物,如果它们的分子量很低,则作用与无尺度对CCN活化率的影响,见图3。 机盐相似,在准饱和或过饱和的状态下都增加了吸12CCN对降雨形成的作用 水性,这与寇拉理论吻合[11。这些成分与无机盐 不涉及冰相粒子和冷云降水过程的降水称为暖 的混合,通过其可溶性成分影响CCN的活化。雨过程,气溶胶作为CCN影响云滴浓度进而对暖雨 从气溶胶样本中提取的水溶性有机化合物和生物腐过程带来巨大的影响。在降水形成的过程中,云滴 殖质等都具有同样的属性,在相对湿度低于100%仅仅通过凝结过程长大而成为雨滴(半径大 时保持适中的吸水性,当达到一定的过饱和度范围100μm)是非常困难的,碰并过程在暖雨的形成中 时活化。另外,粒子表面张力的降低,尤其是起着非常重要的作用,而碰并效率依赖于云滴粒子 有机物质,可以起到与开尔文效应相反的作用而促的尺度大小。CN浓度增加,云滴数浓度随之增 进液滴的增长21。 大,则云滴半径变小,云滴下落速度和碰并效率降 上述讨论说明,CN并不是某种特定类型的粒低,减弱了碰并过程,最终影响降水。CN浓度增 子。粒子尺度、形状、粒子化学成分等都可能影响该加对暖雨过程的另一个影响是使得云滴谱变 粒子在一定的过饱和度下是否可以活化为CCN。窄3,2。随着气溶胶浓度的增加,小云滴数浓度增 加,致使云滴粒子尺度谱变窄。云滴大小的差异 293K (下降速度)影响碰并过程,窄的云滴谱会导致云滴 干粒子直径 S=0.4% Raoult定 ●硫酸盐 洋型 大陆 热解型 图2寇拉曲线,表示在239K时纯水滴与包含了可溶性成分 ((NH4)2SO4)的粒子尺度在不同过饱 和度下的活化关系(摘自Se Pandis [121) 溶胶粒子半径m Fig 2 Kohler curves used to show the equilibrium water vapo 图3过饱和度为0.4%时不同类型不同尺度的 on at 293 K for droplets of er( dotted 溶胶粒子对CCN活化率的影响(摘自Fank,eta2 and for droplets containing various masses of dissolved (NH,), SO solid curves)vs diameter of the droplet(Seinfeld and Pandis (12) tion spectra at 0. 4%e supera
子的活化曲线，低于相应平衡曲线的粒子将会蒸发， 而高于平衡曲线的粒子将会凝结生成云滴。 凝结核 的活化能力取决于该粒子中可溶性物质所占的比 重，随着可溶性粒子尺度的增加或者粒子中可溶性 成分的增加，过饱和度 Ｓｃ 逐渐降低［１０，１２］ 。 图 ２ 寇拉曲线，表示在 ２３９ Ｋ 时纯水滴与包含了可溶性成分 （（ＮＨ４ ） ２ ＳＯ４ ）的粒子尺度在不同过饱 和度下的活化关系（摘自 Ｓｅｉｎｆｅｌｄ ａｎｄ Ｐａｎｄｉｓ ［１２］ ）． Ｆｉｇ．２ Ｋöｈｌｅｒ ｃｕｒｖｅｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｗａｔｅｒ ｖａｐｏｒ ｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｔ ２９３ Ｋ ｆｏｒ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｏｆ ｐｕｒｅ ｗａｔｅｒ （ｄｏｔｔｅｄ ｃｕｒｖｅ） ａｎｄ ｆｏｒ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｖａｒｉｏｕｓ ｍａｓｓｅｓ ｏｆ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ （ＮＨ４ ）２ ＳＯ４ （ｓｏｌｉｄ ｃｕｒｖｅｓ） ｖｓ． ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｏｐｌｅｔ （Ｓｅｉｎｆｅｌｄ ａｎｄ Ｐａｎｄｉｓ ［１２］ ）． 不溶但可湿的粒子也可以通过增加胚胎的曲率 半径而促进液滴在其表面形成，这与开尔文效应是 相反的。 这个效应与粒子与水滴接触面的表面自由 能有关，称为接触角。 亲水物质能强烈的促进粒子 核化，而疏水物质则阻碍液滴的形成。 不溶性粒子 的活化能力也受其表面曲率半径的影响，随着粒子 尺度的增加而增强［１３⁃１４］ 。 气溶胶中的有机成分可 以通过以下几种机制影响 ＣＣＮ 活化：可溶性物质的 贡献、降低表面张力、形成疏水性表面膜［１５］ 。 亲水、 可溶性有机物，如果它们的分子量很低，则作用与无 机盐相似，在准饱和或过饱和的状态下都增加了吸 水性，这与寇拉理论吻合［１６⁃１７］ 。 这些成分与无机盐 的混合，通过其可溶性成分影响 ＣＣＮ 的活化［１８⁃１９］ 。 从气溶胶样本中提取的水溶性有机化合物和生物腐 殖质等都具有同样的属性，在相对湿度低于 １００％ 时保持适中的吸水性，当达到一定的过饱和度范围 时活化［１９⁃２０］ 。 另外，粒子表面张力的降低，尤其是 有机物质，可以起到与开尔文效应相反的作用而促 进液滴的增长［２１］ 。 上述讨论说明，ＣＣＮ 并不是某种特定类型的粒 子。 粒子尺度、形状、粒子化学成分等都可能影响该 粒子在一定的过饱和度下是否可以活化为 ＣＣＮ。 通过观测不同过饱和度下的 ＣＣＮ 浓度来研究 ＣＮ 在活化为 ＣＣＮ 的能力，国内外许多学者就这方面做 了深入的研究［２２⁃２５］ 。 研究表明，随着过饱和度的增 加，更多的气溶胶粒子可以活化形成 ＣＣＮ。 考虑到 气溶胶粒子复杂的粒子尺度和化学成分特别是有机 气溶胶粒子，以及它们随时间和区域的变率，若想从 简单的观测来表示一定范围内气溶胶粒子可以活化 为 ＣＣＮ 的能力显然是不够的。 为此，定义在给定数 量的气溶胶粒子中能够活化为 ＣＣＮ 的粒子占所有 粒子数的比例 ＣＣＮ／ ＣＮ 来表示凝结核的活化能力。 这个比率（ＣＣＮ ／ ＣＮ，称为“ＣＣＮ 活化率”）可以做 关于气溶胶粒子核化的内在特性的比较，可用于分 别研究粒子尺度和成分的影响。 例如 Ｆｒａｎｋ，ｅｔ ａｌ ［２６］ 研究了过饱和度为 ０．４％时，不同类型气溶胶粒子的 尺度对 ＣＣＮ 活化率的影响，见图 ３。 图 ３ 过饱和度为 ０ ４％时不同类型不同尺度的 气溶胶粒子对 ＣＣＮ 活化率的影响（摘自 Ｆｒａｎｋ，ｅｔ ａｌ ［２６］ ） Ｆｉｇ．３ ＣＣＮ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ａｔ ０ ４％ ｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌｓ （Ｆｒａｎｋ ｅｔ ａｌ．， ２００６ ［２６］ ） １．２ ＣＣＮ 对降雨形成的作用 不涉及冰相粒子和冷云降水过程的降水称为暖 雨过程，气溶胶作为 ＣＣＮ 影响云滴浓度进而对暖雨 过程带来巨大的影响。 在降水形成的过程中，云滴 仅仅通过凝结过程长大而成为雨滴 （ 半径大于 １００ μｍ）是非常困难的，碰并过程在暖雨的形成中 起着非常重要的作用，而碰并效率依赖于云滴粒子 的尺度大小。 ＣＣＮ 浓度增加，云滴数浓度随之增 大，则云滴半径变小，云滴下落速度和碰并效率降 低，减弱了碰并过程，最终影响降水。 ＣＣＮ 浓度增 加对 暖 雨 过 程 的 另 一 个 影 响 是 使 得 云 滴 谱 变 窄［２５，２７］ 。 随着气溶胶浓度的增加，小云滴数浓度增 加，致使云滴粒子尺度谱变窄。 云滴大小的差异 （下降速度）影响碰并过程，窄的云滴谱会导致云滴 ５ 期 李军霞，等：气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展 ５８３
584 气象科学 34卷 碰并效率降低,而碰并过程的削弱又使得云滴谱变 在污染比较严重的区域,气溶胶浓度较大时,大 得更窄,最终抑制暖雨过程。这些研究表明,随着气量GCCN的存在可能会抑制暖雨过程,例如在受污 溶胶浓度的增加,导致更多的云滴和更少的降雨,小染的海洋上空,许多文献对此作了详细的讨 云滴的增加使得云水含量增加,云的生命期延长。论{。但如果气溶胶浓度的增加伴随着凝结核 然而也有许多研究表明,伴随着CCN浓度的增加,谱的改变,则气溶胶对暖雨抑制效应可能不会发生。 并不会导致云水含量的增加或延长云的寿命。例如例如有巨核的出现时,巨核可能直接很快转化成雨 Ackerman,etal231的研究表明,位于边界层的层积滴胚胎,很容易形成暖雨过程。在凝结核争食水汽 云上部有干空气层覆盖或存在干空气夹层时,因为的过程中,巨核可以在较低的过饱和度下形成云滴 夹层内空气的相对湿度很小,随着气溶胶的增加,云容易凝结更多的水汽而长大,同时抑制了小凝结核 水含量反而会降低。另外,云体边缘下沉气流区,更活化成为云滴的几率x,。此外,因为巨核形成的 多的小的云滴粒子会导致更强的蒸发过程,致使云雨滴很少,每个雨滴都能很快长大,通过提高碰并效 量减小、云尺度减小、云层厚度减小。 率而使降水效率增加。大的不可溶粒子,如矿物质 对于冷云,例如高纬地区的云或者深对流云的颗粒等,当它们表面覆盖有可溶性物质时,具有与巨 上部,气溶胶对云和降水的影响比暖云更为复杂。核一样的作用。巨核效应已经被应用于人工增雨 在没有大气冰核存在的情况下,云冰形成的唯一途巨核尺度的吸湿性粒子可用于暖云催化增加降水。 径是均质核化冻结,这通常需要很低的温度。这种1.4大气冰核及其对冷云降水的影响 均质冻结常发生在温度低于约-40℃的高海拔地 大气中冰相粒子的形成是一个复杂的过程。水 区,当有缓慢的上升气流或者遇到地形抬升时在深汽以几个水分子集合体为中心聚集成液体(凝结) 对流云边缘形成卷云砧列。因为云滴的形成很大或固体(凝华),或者以过冷却水中的水分子集体为 程度上取决于凝结核的浓度,因此在冷云中冰晶的中心形成冰晶(冻结)。如把这些微小的水分子集 形成也受云中的凝结核数量的影响。由于气溶胶浓合体看成核,则这种无异质核存在时的核化现象称 度增加会对暖雨过程起抑制作用,使得云滴尺度变为自发核化或同质核化。对于稀释的过冷水液滴, 小,云滴数浓度增加,大量的小云滴随上升气流抬升同质核化冻结通常出现在深对流云中,大约-38℃ 冷却冻结,致使云中冰晶数浓度增加,冷云过程增以下),对于包含有高浓度溶质的液态气溶胶粒 强。一些数值模拟研究表明,气溶胶对于冷云的影子,例如某些类型的卷云或极地平流层云中,同质冻 响不仅表现在微物理结构上,气溶胶浓度的改变还结则要求有更低的温度。有异质核存在时的核化冻 会影响其发展过程和生命周期{3,大量的冰粒子结现象,称为异质核化。具有适当的表面结构的固 存在于卷云或对流云顶部延长了云体的生命期。态、不溶性微粒可以在较高的温度下(远高于同质 1.3巨核的影响 核化温度)启动凝结过程,因此在冰相过程中占主 有些气溶胶粒子在过饱和度非常低(<0.02%)导地位,这些异质核被称为冰核。大气冰核数量很 的情况下就可以活化成为云滴,这些粒子必须有相少,通常少于一百万分之一的气溶胶粒子可以作为 当大的直径,称为“巨型CCN”。通常,将干颗粒直冰核存在。冰核可以通过不同的物理过程影响云滴 径大于5μm的CN定义为巨核。它们的数浓或者雨滴的形成。这些过程包括:凝华冻结和凝结 度通常很低,却在云的微物理结构中发挥着很大的冻结过程,这两种过程主要受过饱和度的影响;浸润 作用[。巨核最常见的来源是海洋飞沫,它们占冻结和接触冻结,这两种过程主要受温度影响。浸 整个海洋CCN的百分之几。陆地上巨核来源于生润冻结指冰核进入云滴(通过充当CCN),保持一段 物质燃烧、火山灰颗粒、盐湖盆地蒸发产生的盐粒、解冻时间之后,在空气变得足够冷时,在其表面开始 以及包含有硫酸盐和硝酸盐的矿物质颗粒。还有一冻结。接触冻结指冰核与过冷水接触时,立即发生 些巨核常常以海盐、沙尘以及硫酸盐等混合的形式冻结。与CCN一样,冰核对于云的影响主要在于 出现[x。这种以海盐粒子和沙尘混合态存在的影响云中冰晶数浓度,特别是在云中的冰水混合区 粒子出现的频率较低,数浓度较小。沙尘粒子如果冰晶和液态水的混合平衡态与云中冰晶数浓度密切 包含有可溶性物质可以作为巨核,不包含可溶性成相关4。 分的沙尘粒子作为大气冰核。巨核的快速增长 最常见的冰核是沙尘粒子,它们可能由沙漠、半 使它们能够在降水过程中发挥重要作用。 干旱地区以及干涸的河床产生,并被强风输送进入
碰并效率降低，而碰并过程的削弱又使得云滴谱变 得更窄，最终抑制暖雨过程。 这些研究表明，随着气 溶胶浓度的增加，导致更多的云滴和更少的降雨，小 云滴的增加使得云水含量增加，云的生命期延长。 然而也有许多研究表明，伴随着 ＣＣＮ 浓度的增加， 并不会导致云水含量的增加或延长云的寿命。 例如 Ａｃｋｅｒｍａｎ，ｅｔ ａｌ ［２８］ 的研究表明，位于边界层的层积 云上部有干空气层覆盖或存在干空气夹层时，因为 夹层内空气的相对湿度很小，随着气溶胶的增加，云 水含量反而会降低。 另外，云体边缘下沉气流区，更 多的小的云滴粒子会导致更强的蒸发过程，致使云 量减小、云尺度减小、云层厚度减小。 对于冷云，例如高纬地区的云或者深对流云的 上部，气溶胶对云和降水的影响比暖云更为复杂。 在没有大气冰核存在的情况下，云冰形成的唯一途 径是均质核化冻结，这通常需要很低的温度。 这种 均质冻结常发生在温度低于约－４０ ℃ 的高海拔地 区，当有缓慢的上升气流或者遇到地形抬升时在深 对流云边缘形成卷云砧［２９］ 。 因为云滴的形成很大 程度上取决于凝结核的浓度，因此在冷云中冰晶的 形成也受云中的凝结核数量的影响。 由于气溶胶浓 度增加会对暖雨过程起抑制作用，使得云滴尺度变 小，云滴数浓度增加，大量的小云滴随上升气流抬升 冷却冻结，致使云中冰晶数浓度增加，冷云过程增 强。 一些数值模拟研究表明，气溶胶对于冷云的影 响不仅表现在微物理结构上，气溶胶浓度的改变还 会影响其发展过程和生命周期［３０⁃３２］ ，大量的冰粒子 存在于卷云或对流云顶部，延长了云体的生命期。 １．３ 巨核的影响 有些气溶胶粒子在过饱和度非常低（ ＜０ ０２％） 的情况下就可以活化成为云滴，这些粒子必须有相 当大的直径，称为“巨型 ＣＣＮ”。 通常，将干颗粒直 径大于 ５ μｍ 的 ＣＣＮ 定义为巨核［３３］ 。 它们的数浓 度通常很低，却在云的微物理结构中发挥着很大的 作用［３４⁃３５］ 。 巨核最常见的来源是海洋飞沫，它们占 整个海洋 ＣＣＮ 的百分之几。 陆地上巨核来源于生 物质燃烧、火山灰颗粒、盐湖盆地蒸发产生的盐粒、 以及包含有硫酸盐和硝酸盐的矿物质颗粒。 还有一 些巨核常常以海盐、沙尘以及硫酸盐等混合的形式 出现［３６⁃３８］ 。 这种以海盐粒子和沙尘混合态存在的 粒子出现的频率较低，数浓度较小。 沙尘粒子如果 包含有可溶性物质可以作为巨核，不包含可溶性成 分的沙尘粒子作为大气冰核 ［３７］ 。 巨核的快速增长 使它们能够在降水过程中发挥重要作用。 在污染比较严重的区域，气溶胶浓度较大时，大 量 ＧＣＣＮ 的存在可能会抑制暖雨过程，例如在受污 染的 海 洋 上 空， 许 多 文 献 对 此 作 了 详 细 的 讨 论［３４，３９⁃４２］ 。 但如果气溶胶浓度的增加伴随着凝结核 谱的改变，则气溶胶对暖雨抑制效应可能不会发生。 例如有巨核的出现时，巨核可能直接很快转化成雨 滴胚胎，很容易形成暖雨过程。 在凝结核争食水汽 的过程中，巨核可以在较低的过饱和度下形成云滴， 容易凝结更多的水汽而长大，同时抑制了小凝结核 活化成为云滴的几率［３４，４３］ 。 此外，因为巨核形成的 雨滴很少，每个雨滴都能很快长大，通过提高碰并效 率而使降水效率增加。 大的不可溶粒子，如矿物质 颗粒等，当它们表面覆盖有可溶性物质时，具有与巨 核一样的作用。 巨核效应已经被应用于人工增雨， 巨核尺度的吸湿性粒子可用于暖云催化增加降水。 １ ４ 大气冰核及其对冷云降水的影响 大气中冰相粒子的形成是一个复杂的过程。 水 汽以几个水分子集合体为中心聚集成液体（凝结） 或固体（凝华），或者以过冷却水中的水分子集体为 中心形成冰晶（冻结）。 如把这些微小的水分子集 合体看成核，则这种无异质核存在时的核化现象称 为自发核化或同质核化。 对于稀释的过冷水液滴， 同质核化冻结通常出现在深对流云中，大约－３８ ℃ 以下［４４］ ，对于包含有高浓度溶质的液态气溶胶粒 子，例如某些类型的卷云或极地平流层云中，同质冻 结则要求有更低的温度。 有异质核存在时的核化冻 结现象，称为异质核化。 具有适当的表面结构的固 态、不溶性微粒可以在较高的温度下（远高于同质 核化温度）启动凝结过程，因此在冰相过程中占主 导地位，这些异质核被称为冰核。 大气冰核数量很 少，通常少于一百万分之一的气溶胶粒子可以作为 冰核存在。 冰核可以通过不同的物理过程影响云滴 或者雨滴的形成。 这些过程包括：凝华冻结和凝结 冻结过程，这两种过程主要受过饱和度的影响；浸润 冻结和接触冻结，这两种过程主要受温度影响。 浸 润冻结指冰核进入云滴（通过充当 ＣＣＮ），保持一段 解冻时间之后，在空气变得足够冷时，在其表面开始 冻结。 接触冻结指冰核与过冷水接触时，立即发生 冻结。 与 ＣＣＮ 一样， 冰核对于云的影响主要在于 影响云中冰晶数浓度，特别是在云中的冰水混合区， 冰晶和液态水的混合平衡态与云中冰晶数浓度密切 相关［４５］ 。 最常见的冰核是沙尘粒子，它们可能由沙漠、半 干旱地区以及干涸的河床产生，并被强风输送进入 ５８４ 气 象 科 学 ３４ 卷
5期 李军霞,等:气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展 585 大气。研究表明,矿物颗粒和沙尘可以被输送到对气本底站共300个,中国有3个区域大气本底站,包 流层上部,在那里它们作为冰核促使卷云形成。括北京上甸子(中国北方工业区)、浙江临安(中国 DeMott,etl的观测研究中指出,在撒哈拉沙漠的东部工业区)和黑龙江龙风山(中国东北部乡村或 沙尘暴爆发期间,佛罗里达州海洋边界层上空冰晶森林)。国内外许多学者利用上述卫星遥感及地面 数浓度比平时高出约100倍。这些大气层中的冰核观测网络开展了许多气溶胶特性的研究。 促使了风暴的形成和卷云砧的形成。人为源或自然2.2气溶胶对云粒子尺度及暖雨过程的影 源产生的煤烟颗粒可以作为冰核存在,但其冰核效 响观测研究 率相对很弱。冰核的另一个来源是生物质气溶胶, 气溶胶通过第一间接效应影响云的微物理结 如细菌、花粉、真菌、孢子甚至浮游植物等。这些生构。 Nakajima,etal和LU,tal利用卫星遥感 物质气溶胶常常是非常有效的冰核,但是它们的数数据对该结果进行了验证。大多数的研究显示,云 浓度通常很低。Hose,etal4指出,全球范围内由粒子尺度与气溶胶浓度呈反相关。然而,一些新的 矿物粉尘引起的浸润冻结在冰相过程中占主导地利用卫星资料的分析研究表明二者也存在正相关的 位,其次是烟煤带来的浸润冻结和接触冷冻,由生物情况3。YUAN,etal利用MODs气溶胶观测 质气溶胶带来的冰相过程只在特定的区域发生,例数据针对云粒子有效半径和气溶胶光学厚度进行了 如森林地区的上空等,在这些区域的大气中生物质大量的研究。研究发现在大多数地区云粒子尺度与 气溶胶粒子的浓度相对较大。 气溶胶浓度呈反相关,但是在夏季墨西哥湾和在中 2气溶胶对云和降水影响的观测研究国南海海域主要受季风环流影响的时期潮湿的空 气从海洋吹向污染的内陆地区,随着可降水量的增 2.1气溶胶观测手段和现有观测网络 多,云粒子大小和气溶胶浓度之间呈正相关。这是 随着科技的进步,各种先进的探测设备的出现因为从墨西哥湾吹来的夏季风带有充足的水汽,气 为深入地开展气溶胶-云-降水之间相互作用的观溶胶粒子无需争食水汽就可以很快的长大。 测研究提供了有利的条件。例如利用云探测卫星 气溶胶通过改变云微物理过程和云中液水路径 Cloudsat和Moυs的观测资料来分析气溶胶光学厚影响暖雨过程。研究表明,增加气溶胶的浓度会导致 度以及气溶胶对云的影响;红外探路者卫星观测系云滴粒子尺度减小,云滴粒子谱变窄,抑制碰并过程 统遥感资料研究地-气系统的辐射收支及云和气溶从而抑制暖性降水过程5。 Rosenfeld,etal利 胶的相互作用; AVHRR卫星数据研究云和气溶胶用 AVHRR数据针对烟雾和沙尘气溶胶对降水过程 微物理参数;THMM卫星数据研究云粒子特征等。中碰并效应的影响进行了研究,发现了云顶温度与 些气溶胶地面观测网的建立,也为气溶胶研究提云粒子有效半径之间的关系(在对流云深厚的扩散 供了有利条件,比较著名的气溶胶观测网有NASA增长区域,云粒子有效半径随着云顶温度的降低而 的气溶胶自动观测网络 AERONET、法国气溶胶网增长)。通过对卫星遥感的气溶胶数据研究,发现 络 Photons、加拿大太阳光度计网络 AeroCan、澳大利无论是区域人为产生的气溶胶还是远距离输送过来 亚气溶胶地基网络 AGONe、日本气溶胶/辐射观测的沙尘气溶胶都能显著的降低云滴尺度、云光学厚 网络、中国气溶胶观测网络 CAeroNet等。另外,度和液态水路径s9。这些研究指出,沙尘气溶胶 中国和韩国正在建立5个沙尘暴联合监测站,选址可以加热云体,促进云滴粒子蒸发,进而降低云中液 分别位于内蒙古(2个)、山西,山东、辽宁。2005水含量(半直接效应),这种半直接效应对于云的发 年全球 AERONEt站点仅有100多个,目前全球展有重要的影响,这很可能是导致中国西北地区干 AERONET站已经有400多个。中国目前有10个左早加剧的原因之一。 右 AERONET站,2007年,南京(长江三角洲地区)2.3气溶胶对冰云和混合云的影响观测研究 也列入了 AERONET网。 大多数研究气溶胶对云的影响集中在低层的层 全球的气溶胶观测网络由WMO的全球大气本状云,而一些研究认为气溶胶也可能对卷云产生影 底站和区域大气本底站组成。全球大气本底站共响。 Sherwood,etal0利用全球卫星云气候学项目 22个,对温室气体、臭氧、气溶胶、太阳辐射、降水、的数据分析了在对流层顶部的热带积雨云中冰粒子 化学等进行多方面观测。中国的青海瓦里关是唯 有效半径的变化与气溶胶指数之间的关系,发现两 设在欧亚大陆腹地的一个全球大气本底站。区域大者呈负相关。他们将这个归因于气溶胶浓度增加产
大气。 研究表明，矿物颗粒和沙尘可以被输送到对 流层上部，在那里它们作为冰核促使卷云形成［４６］ 。 ＤｅＭｏｔｔ，ｅｔ ａｌ ［４７］的观测研究中指出，在撒哈拉沙漠的 沙尘暴爆发期间，佛罗里达州海洋边界层上空冰晶 数浓度比平时高出约 １００ 倍。 这些大气层中的冰核 促使了风暴的形成和卷云砧的形成。 人为源或自然 源产生的煤烟颗粒可以作为冰核存在，但其冰核效 率相对很弱。 冰核的另一个来源是生物质气溶胶， 如细菌、花粉、真菌、孢子甚至浮游植物等。 这些生 物质气溶胶常常是非常有效的冰核，但是它们的数 浓度通常很低。 Ｈｏｏｓｅ，ｅｔ ａｌ ［４８］ 指出，全球范围内由 矿物粉尘引起的浸润冻结在冰相过程中占主导地 位，其次是烟煤带来的浸润冻结和接触冷冻，由生物 质气溶胶带来的冰相过程只在特定的区域发生，例 如森林地区的上空等，在这些区域的大气中生物质 气溶胶粒子的浓度相对较大。 ２ 气溶胶对云和降水影响的观测研究 ２ １ 气溶胶观测手段和现有观测网络 随着科技的进步，各种先进的探测设备的出现 为深入地开展气溶胶－云－降水之间相互作用的观 测研究提供了有利的条件。 例如利用云探测卫星 Ｃｌｏｕｄｓａｔ 和 ＭＯＤＩＳ 的观测资料来分析气溶胶光学厚 度以及气溶胶对云的影响；红外探路者卫星观测系 统遥感资料研究地－气系统的辐射收支及云和气溶 胶的相互作用；ＡＶＨＲＲ 卫星数据研究云和气溶胶 微物理参数；ＴＲＭＭ 卫星数据研究云粒子特征等。 一些气溶胶地面观测网的建立，也为气溶胶研究提 供了有利条件，比较著名的气溶胶观测网有 ＮＡＳＡ 的气溶胶自动观测网络 ＡＥＲＯＮＥＴ、法国气溶胶网 络 Ｐｈｏｔｏｎｓ、加拿大太阳光度计网络 ＡｅｒｏＣａｎ、澳大利 亚气溶胶地基网络 ＡＧＳＮｅ、日本气溶胶／ 辐射观测 网络、中国气溶胶观测网络 ＣＡｅｒｏＮｅｔ 等［４９］ 。 另外， 中国和韩国正在建立 ５ 个沙尘暴联合监测站，选址 分别位于内蒙古（２ 个）、山西，、山东、 辽宁。 ２００５ 年全球 ＡＥＲＯＮＥＴ 站点仅有 １００ 多个， 目前全球 ＡＥＲＯＮＥＴ 站已经有 ４００ 多个。 中国目前有 １０ 个左 右 ＡＥＲＯＮＥＴ 站，２００７ 年， 南京（长江三角洲地区） 也列入了 ＡＥＲＯＮＥＴ 网。 全球的气溶胶观测网络由 ＷＭＯ 的全球大气本 底站和区域大气本底站组成。 全球大气本底站共 ２２ 个，对温室气体、臭氧、气溶胶、太阳辐射、降水、 化学等进行多方面观测。 中国的青海瓦里关是唯一 设在欧亚大陆腹地的一个全球大气本底站。 区域大 气本底站共 ３００ 个，中国有 ３ 个区域大气本底站，包 括北京上甸子（中国北方工业区）、浙江临安（中国 东部工业区）和黑龙江龙凤山（中国东北部乡村或 森林）。 国内外许多学者利用上述卫星遥感及地面 观测网络开展了许多气溶胶特性的研究。 ２ ２ 气溶胶对云粒子尺度及暖雨过程的影 响观测研究 气溶胶通过第一间接效应影响云的微物理结 构。 Ｎａｋａｊｉｍａ，ｅｔ ａｌ ［５０］和 ＬＩＵ，ｅｔ ａｌ ［５１］ 利用卫星遥感 数据对该结果进行了验证。 大多数的研究显示，云 粒子尺度与气溶胶浓度呈反相关。 然而，一些新的 利用卫星资料的分析研究表明二者也存在正相关的 情况［５２⁃５３］ 。 ＹＵＡＮ，ｅｔ ａｌ ［５４］ 利用 ＭＯＤＩＳ 气溶胶观测 数据针对云粒子有效半径和气溶胶光学厚度进行了 大量的研究。 研究发现在大多数地区云粒子尺度与 气溶胶浓度呈反相关，但是在夏季墨西哥湾和在中 国南海海域主要受季风环流影响的时期，潮湿的空 气从海洋吹向污染的内陆地区，随着可降水量的增 多，云粒子大小和气溶胶浓度之间呈正相关。 这是 因为从墨西哥湾吹来的夏季风带有充足的水汽，气 溶胶粒子无需争食水汽就可以很快的长大。 气溶胶通过改变云微物理过程和云中液水路径 影响暖雨过程。 研究表明，增加气溶胶的浓度会导致 云滴粒子尺度减小，云滴粒子谱变窄，抑制碰并过程， 从而抑制暖性降水过程［５１，５５］ 。 Ｒｏｓｅｎｆｅｌｄ，ｅｔ ａｌ ［５６⁃５７］利 用 ＡＶＨＲＲ 数据针对烟雾和沙尘气溶胶对降水过程 中碰并效应的影响进行了研究，发现了云顶温度与 云粒子有效半径之间的关系（在对流云深厚的扩散 增长区域，云粒子有效半径随着云顶温度的降低而 增长）。 通过对卫星遥感的气溶胶数据研究，发现 无论是区域人为产生的气溶胶还是远距离输送过来 的沙尘气溶胶都能显著的降低云滴尺度、云光学厚 度和液态水路径［５８⁃５９］ 。 这些研究指出，沙尘气溶胶 可以加热云体，促进云滴粒子蒸发，进而降低云中液 水含量（半直接效应），这种半直接效应对于云的发 展有重要的影响，这很可能是导致中国西北地区干 旱加剧的原因之一。 ２ ３ 气溶胶对冰云和混合云的影响观测研究 大多数研究气溶胶对云的影响集中在低层的层 状云，而一些研究认为气溶胶也可能对卷云产生影 响。 Ｓｈｅｒｗｏｏｄ，ｅｔ ａｌ ［６０］ 利用全球卫星云气候学项目 的数据分析了在对流层顶部的热带积雨云中冰粒子 有效半径的变化与气溶胶指数之间的关系，发现两 者呈负相关。 他们将这个归因于气溶胶浓度增加产 ５ 期 李军霞，等：气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展 ５８５