大氣氣溶膠對(duì)能見(jiàn)度、云和降雨的影響機(jī)制.pdf

1、本研究利用多種衛(wèi)星傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合飛機(jī)觀測(cè)和地面監(jiān)測(cè)站多年長(zhǎng)期觀測(cè)資料,分析了近年來(lái)氣溶膠污染最為突出的東亞-中國(guó)地區(qū)和東南太平洋的VOCALS-Rex(The VAMOS(Variability of the American Monsoon Systems)Ocean-Cloud-Atmosphere-Land Study Regional Experiment)研究區(qū)氣溶膠的時(shí)空分布及其變化特征,揭示了氣溶膠的光學(xué)特性與化學(xué)組

2、成的關(guān)系,氣溶膠對(duì)云和降水的影響,論證了氣溶膠的直接氣候效應(yīng)和間接氣候效應(yīng)。本研究主要取得了以下三個(gè)方面的成果。
　　 1.揭示了中國(guó)主要大城市群的能見(jiàn)度惡化與氣溶膠中主要化學(xué)組分的關(guān)系
　　 中國(guó)地區(qū)的氣溶膠濃度增加產(chǎn)生直接氣候輻射強(qiáng)迫,直接表現(xiàn)為大氣能見(jiàn)度的降低,在大氣污染嚴(yán)重的城市地區(qū)形成一種新的天氣類型——灰霾?；谥袊?guó)31個(gè)主要城市的日均能見(jiàn)度繪制的2005年中國(guó)年均能見(jiàn)度等值線圖表明,幾個(gè)主要的城市群地區(qū)年均

3、能見(jiàn)度均低于7公里。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)三角城市群的沿海大城市一上海市和亞洲沙塵源區(qū)的內(nèi)陸城市—烏魯木齊市兩個(gè)典型城市氣溶膠的長(zhǎng)期采樣和監(jiān)測(cè)分析,揭示了能見(jiàn)度降低主要由于大氣細(xì)顆粒物濃度和可溶性組分的增加和相對(duì)濕度等氣象因子的綜合作用引起。在不考慮氣象因素的情況下,能見(jiàn)度與可溶性離子的總濃度相關(guān)最為密切,尤其是具有強(qiáng)吸濕性的銨鹽是導(dǎo)致沿海和內(nèi)陸城市能見(jiàn)度降低的主要化學(xué)成分。對(duì)烏魯木齊嚴(yán)重灰霾組分的分析進(jìn)一步揭示了氣溶膠中的銨鹽、硫酸鹽/硝酸鹽的增加

4、,是能見(jiàn)度降低的直接影響因子,而并非細(xì)顆粒物總量。同時(shí),草酸鹽與能見(jiàn)度的負(fù)相關(guān)表明了氣溶膠中的有機(jī)組分也是引起能見(jiàn)度降低的重要因素。
　　 2.東亞-中國(guó)地區(qū)氣溶膠對(duì)降雨的抑制作用
　　 大氣顆粒物的增加不僅影響輻射平衡,降低能見(jiàn)度,同時(shí)還通過(guò)作為云凝結(jié)核和冰核等參與成云過(guò)程,從而改變了降雨形成的微物理過(guò)程和降雨量。對(duì)1951-2007年間57年中國(guó)160個(gè)臺(tái)站春季降雨量進(jìn)行正交函數(shù)分解(EOF)和相關(guān)分析,并對(duì)比分析了

5、EOF分析的前四個(gè)主要模態(tài)的在時(shí)間軸上的變化規(guī)律及其可能影響大氣遙相關(guān)指數(shù)的變化規(guī)律,揭示了可能影響中國(guó)春季降水的氣候環(huán)流為太平洋一北美型遙相關(guān)(PNA),太平洋年代際振蕩(PDO),北極濤動(dòng)(AO)和厄爾尼諾/南方濤動(dòng)(Nino34指數(shù))及其表現(xiàn)的空間形態(tài)。發(fā)現(xiàn)了大氣環(huán)流影響春季降雨的空間分布型較為集中和單一,區(qū)別于大氣氣溶膠空間分布的不均勻性。由通過(guò)TRMMPR獲取的降雨頻率,GOME和SCIAMACHY獲取的N02濃度以及MODI

6、S獲取的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù),分析了三者時(shí)間變化趨勢(shì)的空間分布不均勻特點(diǎn)形態(tài),根據(jù)氣溶膠和降雨空間分布極不均勻的特點(diǎn),闡明了人為污染物的時(shí)空變化對(duì)降雨的可能影響。結(jié)果表明,春季降雨頻率變化趨勢(shì)的空間形態(tài)與NO2濃度和氣溶膠的變化趨勢(shì)的空間形態(tài)具有很好的空間相關(guān)性,說(shuō)明降雨的變化可能與人為污染直接有關(guān)。比較降雨頻率和降雨量變化的變化幅度進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),大氣污染傾向于抑制降水頻率。導(dǎo)致降水減少的可能機(jī)制是(1)大氣中增加的NO2和氣溶膠(尤其是煙

7、塵氣溶膠)加強(qiáng)了太陽(yáng)輻射的吸收,增加了大氣穩(wěn)定度,造成云和降水的減少;(2)污染增加導(dǎo)致的CCN濃度增加,以及長(zhǎng)途傳輸?shù)牡V物氣溶膠與當(dāng)?shù)匚廴九欧畔嗷プ饔?以及地形,風(fēng)和其他氣象要素條件的影響,抑制了降水的發(fā)生。氣溶膠對(duì)降雨的抑制作用將使大氣中的水汽和吸濕性顆粒物濃度累積。在大氣中水汽有限的情況下,將會(huì)導(dǎo)致區(qū)域灰霾的形成,或者當(dāng)大氣水汽累積到超過(guò)一定臨界值時(shí),將會(huì)造成強(qiáng)降雨事件。這一假設(shè)與上海地面觀測(cè)的灰霾天數(shù)增加和長(zhǎng)三角強(qiáng)降雨事件頻率增

8、加的報(bào)導(dǎo)相符合。這些發(fā)現(xiàn)突出了東亞的人為大氣污染已經(jīng)直接影響了區(qū)域的水循環(huán),對(duì)區(qū)域甚至全球產(chǎn)生極為重要的氣候效應(yīng)。
　　 3.氣溶膠與云的相互作用及其對(duì)降雨的抑制作用
　　 云在氣候系統(tǒng)中扮演著重要角色,氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫作用主要表現(xiàn)為氣溶膠和云的相互作用,即氣溶膠可以通過(guò)參與云中的微物理過(guò)程,改變?cè)频奈锢硖卣鳌⑤椛涮匦?、降水特性及生命期?br>　　 結(jié)合東南太平洋上VOCALS-Rex研究區(qū)的飛機(jī)對(duì)云和氣溶膠的采

9、樣數(shù)據(jù),以及多個(gè)衛(wèi)星傳感器的云、水汽和氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù),研究氣溶膠對(duì)海洋層云和降水的影響,驗(yàn)證了氣溶膠的第一間接效應(yīng),即顆粒物濃度增加導(dǎo)致云滴濃度的增加和云滴有效半徑的減小以及云頂高度的抬升。利用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)云量、云光學(xué)厚度、云滴數(shù)濃度、云滴有效半徑和云頂壓強(qiáng)等各項(xiàng)云參數(shù)的空間分布特征與風(fēng)速的空間分布相似?？赡苁且?yàn)殡S著風(fēng)速的增大,增加的海鹽氣溶膠和傳輸?shù)拇箨懭藶闅馊苣z為云的形成提供了更多的云凝結(jié)核,影響了云的特性和空間分布。月平

10、均的云和氣溶膠空間特征統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)云量的分布呈由海岸向西北方向延伸的羽狀區(qū)域,云滴數(shù)濃度和云頂壓強(qiáng)的最高值均是最靠近海岸的地區(qū),即氣溶膠光學(xué)厚度最大的地區(qū),但云量和云液水路徑的最大值則位于羽狀區(qū)域的中心區(qū),而非氣溶膠濃度最高的區(qū)域。說(shuō)明云對(duì)氣溶膠濃度變化的響應(yīng)并不是氣溶膠的增多——云滴增多——合并增長(zhǎng)減少一降水減少——云液水路徑增大——云的生命期變長(zhǎng)的單向過(guò)程。當(dāng)氣溶膠濃度持續(xù)增加,而環(huán)境中的水汽含量相對(duì)有限時(shí),云滴半徑的過(guò)小可能使得云