大氣氣溶膠對能見度、云和降雨的影響機制.pdf

1、本研究利用多種衛(wèi)星傳感器觀測數(shù)據(jù),結(jié)合飛機觀測和地面監(jiān)測站多年長期觀測資料,分析了近年來氣溶膠污染最為突出的東亞-中國地區(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方面的成果。
　　 1.揭示了中國主要大城市群的能見度惡化與氣溶膠中主要化學(xué)組分的關(guān)系
　　 中國地區(qū)的氣溶膠濃度增加產(chǎn)生直接氣候輻射強迫,直接表現(xiàn)為大氣能見度的降低,在大氣污染嚴重的城市地區(qū)形成一種新的天氣類型——灰霾?；谥袊?1個主要城市的日均能見度繪制的2005年中國年均能見度等值線圖表明,幾個主要的城市群地區(qū)年均

3、能見度均低于7公里。通過對長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—烏魯木齊市兩個典型城市氣溶膠的長期采樣和監(jiān)測分析,揭示了能見度降低主要由于大氣細顆粒物濃度和可溶性組分的增加和相對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,能見度與可溶性離子的總濃度相關(guān)最為密切,尤其是具有強吸濕性的銨鹽是導(dǎo)致沿海和內(nèi)陸城市能見度降低的主要化學(xué)成分。對烏魯木齊嚴重灰霾組分的分析進一步揭示了氣溶膠中的銨鹽、硫酸鹽/硝酸鹽的增加

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

5、EOF分析的前四個主要模態(tài)的在時間軸上的變化規(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(AO)和厄爾尼諾/南方濤動(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),分析了三者時間變化趨勢的空間分布不均勻特點形態(tài),根據(jù)氣溶膠和降雨空間分布極不均勻的特點,闡明了人為污染物的時空變化對降雨的可能影響。結(jié)果表明,春季降雨頻率變化趨勢的空間形態(tài)與NO2濃度和氣溶膠的變化趨勢的空間形態(tài)具有很好的空間相關(guān)性,說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)加強了太陽輻射的吸收,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,以及長途傳輸?shù)牡V物氣溶膠與當?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,將會導(dǎo)致區(qū)域灰霾的形成,或者當大氣水汽累積到超過一定臨界值時,將會造成強降雨事件。這一假設(shè)與上海地面觀測的灰霾天數(shù)增加和長三角強降雨事件頻率增

8、加的報導(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,即氣溶膠可以通過參與云中的微物理過程,改變云的物理特征、輻射特性、降水特性及生命期。
　　 結(jié)合東南太平洋上VOCALS-Rex研究區(qū)的飛機對云和氣溶膠的采

9、樣數(shù)據(jù),以及多個衛(wèi)星傳感器的云、水汽和氣溶膠觀測數(shù)據(jù),研究氣溶膠對海洋層云和降水的影響,驗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等各項云參數(shù)的空間分布特征與風(fēng)速的空間分布相似?？赡苁且驗殡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。說明云對氣溶膠濃度變化的響應(yīng)并不是氣溶膠的增多——云滴增多——合并增長減少一降水減少——云液水路徑增大——云的生命期變長的單向過程。當氣溶膠濃度持續(xù)增加,而環(huán)境中的水汽含量相對有限時,云滴半徑的過小可能使得云