前言：本站為你精心整理了氣溶膠對國內(nèi)中部降雨的影響范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

本文作者：陳思宇1黃建平1付強(qiáng)2,1葛覲銘1蘇婧1作者單位：1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/半干旱氣候變化教育部重點實驗室2.DepartmentofAtmosphericSciences,UniversityofWashington

1引言

降水是大氣中水的相變(水汽凝聚成雨雪等)過程。降水的變化與氣候、天氣和水循環(huán)等多個方面聯(lián)系緊密，它對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空、航海、交通運輸、水利建設(shè)、防澇抗旱等產(chǎn)生深刻的影響[1]，所以降水變化一直都是研究氣候變化的重要因素。

以前我國降水研究大多集中在夏季[2－5]，但要全面了解氣候變化及其影響，秋季降水的研究是不可忽視的。秋季降水會直接影響當(dāng)年農(nóng)作物收成和來年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如影響晚稻抽穗揚花、使棉花爛桃等；此外，秋季降水異常還可能影響冬季及來年夏季的降水異常，從而造成洪澇等災(zāi)害[6]。近年來有學(xué)者在對秋季降水的變化規(guī)律以及異常特征等方面進(jìn)行了深入的研究。徐桂玉等[7]分析了華西秋雨期的降水特征及其環(huán)流成因。李耀輝等[8]對中國西北地區(qū)春季降水異常的時空分布特征進(jìn)行了細(xì)致的分析，并且診斷研究了秋季太平洋海表溫度異常與西北春季降水的空間耦合性。同時李耀輝等[9－10]也分析了ENSO對中國西北地區(qū)秋季降水異常的影響，討論了ENSO年引起西北地區(qū)降水異常的環(huán)流特征。發(fā)現(xiàn)赤道中東太平洋海表溫度異常與西北秋季大范圍的區(qū)域性降水異常有較好的對應(yīng)關(guān)系：在ElNio年，西北地區(qū)秋季大部分地區(qū)降水異常偏少，LaNia年的情況相反。

宋連春等[11]指出在降水的季節(jié)變化當(dāng)中，秋季降水量的均值突變現(xiàn)象在四季中最為明顯；張存杰等[12]進(jìn)一步認(rèn)為全球變暖背景下大氣環(huán)流的調(diào)整是影響西北地區(qū)秋季降水的直接因素，同時全球變暖背景下ENSO事件也是影響西北地區(qū)秋季降水的主要因素之一。施能[13]發(fā)現(xiàn)我國秋季大尺度降水異常與來年汛期降水有較好的相關(guān)關(guān)系，秋季降水還可以對初夏降水提供預(yù)報信息。以上研究大多集中在西北地區(qū)，本文將研究區(qū)域擴(kuò)展到整個中國中東部地區(qū)，從降水形成的微觀機(jī)理上研究導(dǎo)致秋季降水變化的可能原因。

降水形成主要有三個條件：(1)水汽由源地水平輸送到降水地區(qū)，即水汽輸送條件；(2)水汽在降水地區(qū)輻合上升，在上升中絕熱膨脹冷卻凝結(jié)成云，即垂直運動條件；(3)云滴增長變成雨滴而下降，即云滴增長的微物理條件[1]。氣溶膠作為影響降水的重要因子與后兩個條件密切相關(guān)。Huang等[14]認(rèn)為沙塵氣溶膠可以增加云滴蒸發(fā)，減少云水含量，從而對東亞地區(qū)干旱和半干旱地區(qū)云的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，并抑制降水的發(fā)生。Qian等[15]解釋了大量氣溶膠的存在抑制了中國地區(qū)夏季小雨日數(shù)的發(fā)生。

Zhao[16]指出近40年的降水明顯減少，并與氣溶膠的高濃度區(qū)有很好的相關(guān)；提出了一種氣溶膠-降水可能的正反饋機(jī)制。龔道溢等[17]利用1979—2002年194個站日降水資料分析了我國東部地區(qū)夏季日降水頻次的周內(nèi)變化，發(fā)現(xiàn)降水頻次存在明顯的周末效應(yīng)。

對于天氣系統(tǒng)較穩(wěn)定的秋季，氣溶膠高濃度頻發(fā)區(qū)是否導(dǎo)致中國中東部地區(qū)秋季降水的變化？氣溶膠影響該區(qū)域秋季氣候效應(yīng)時空變化如何？對哪一種類型的降水最為顯著？本文將從降水形成機(jī)制出發(fā)對上述問題展開系統(tǒng)研究。本文的研究區(qū)域集中在我國的中東部地區(qū)(15～60°N，90～140°E)，因為在這個區(qū)域的污染密集且程度嚴(yán)重；擁有密集的地面觀測站點和完整的記錄；且降水事件頻發(fā)[15]。

2研究資料與方法

(1)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國地面國際交換站氣候資料日平均數(shù)據(jù)集。在數(shù)據(jù)處理過程中，剔除資料長度小于近50年的站點，最后共使用503個站點資料。需要說明的是，本文在統(tǒng)計降水過程中將降水儀器未觀測到的降水比如毛毛雨也統(tǒng)計在內(nèi)，降水量記為0mm。此外本文考慮液態(tài)降水。

(2)地面能見度資料因其較長的時間序列及其與氣溶膠緊密相關(guān)[18－19]，被用于研究氣溶膠與降水關(guān)系。大氣能見度的變化在一定程度上反映了環(huán)境污染的程度，與氣溶膠光學(xué)厚度也有較好的反向?qū)?yīng)關(guān)系[20]。能見度資料在1980年以前記錄單位為級，1980年以后單位為km。將能見度等級資料進(jìn)行轉(zhuǎn)化后會存在明顯的系統(tǒng)性差異，因此本文只選用1980年以后的能見度資料。為了降低相對濕度、降水對能見度的影響，本文利用Rosenfeld的方法[21]對能見度進(jìn)行了訂正。

(3)探空資料來自于中國高空國際交換站規(guī)定層月均值數(shù)據(jù)集，資料為1951年1月以來一日兩次的原始?xì)鈮骸⒏叨取囟取囟嚷饵c差、風(fēng)速。本文選取空間均勻、資料年代完整的28個探空站，利用露點溫度和氣溫得到每層比濕后代入可降水量公式得到可降水量。由于300hPa以上水汽輸送較小，所以本文在計算整層大氣可降水量時，只考慮300hPa以下的層次。

(4)中分辨率成像光譜儀(MODIS)中的氣溶膠光學(xué)厚度以及云分?jǐn)?shù)、云粒子有效半徑等數(shù)據(jù)(空間分辨率為1°×1°)。我們利用550nm處的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)表征大氣氣溶膠含量。將氣溶膠光學(xué)厚度從0.0到1.0分成10份(間隔0.1)，并對與氣溶膠光學(xué)厚度等分相對應(yīng)的云微物理性質(zhì)(如云滴粒子半徑)做平均和標(biāo)準(zhǔn)誤差處理(σ/(2(n1))，σ和n分別代表標(biāo)準(zhǔn)偏差和樣本量)分析。

(5)利用NCEP/NCAR1959—2008年月平均再分析資料，計算了近50年中國中東部地區(qū)對流有效位能(CAPE)和對流抑制能(CIN)的變化情況。

3研究結(jié)果與分析

3.1降水的變化趨勢

圖1中給出了近50年來中國中東部地區(qū)春、夏、秋、冬四季降水量的變化趨勢(采用最小二乘方法計算)。從圖中可知，春季降水(圖1a)的降低趨勢主要集中在長江流域和東南沿海地區(qū)，最強(qiáng)降低趨勢出現(xiàn)在黃土高原地區(qū)，變化趨勢值約為-2%/(10年)～-8%/(10年)；呈增長趨勢的范圍較大，主要集中在東北部分地區(qū)、北京、天津、華北平原、云貴高原和青藏高原等地。夏季降水(圖1b)趨勢分布與春季明顯不同，降水量的上升或下降趨勢較小，減少趨勢主要集中在東北、北京、天津、山東半島和黃土高原等地，變化趨勢值約為-1%/(10年)～-5%/(10年)；南部地區(qū)降水趨勢基本為正，最大的增長趨勢出現(xiàn)在長江中下游平原，變化趨勢值約為1%/(10年)～10%/(10年)。冬季降水(圖1d)趨勢基本以增長為主，只有少數(shù)觀測站出現(xiàn)減少趨勢，主要分布在北京、天津、內(nèi)蒙古等部分地區(qū)。秋季降水(圖1c)與其他幾個季節(jié)相比呈明顯負(fù)趨勢(變化趨勢值約為-5%/(10年)～-10%/(10年)的區(qū)域明顯增多，有些地方甚至出現(xiàn)了大于10%/(10年)的減小趨勢)，其中長江中下游平原、四川盆地、華北平原、云貴高原等地降水下降劇烈。呈正趨勢變化的站點少，且變化趨勢都不強(qiáng)。說明中國中東部地區(qū)降水正在大范圍減少，且東北部、中部和中南部地區(qū)等下降趨勢比較劇烈。圖1e為所選所有測站的春、夏、秋、冬季降水平均距平百分率時間變化曲線和趨勢線，從圖中可看出，春季降水的下降很弱(為-18.9mm/(10年))，夏季和冬季降水呈現(xiàn)上升趨勢(為15.7mm/(10年)和24mm/(10年))。秋季降水下降趨勢最為明顯(-54.3mm/(10年))，尤其是自1980年代中期以后中國東部地區(qū)秋季降水距平百分率基本為負(fù)，平均每10年降水減少5.6%，距平百分率最小的一年達(dá)到-26.9%，這是中國中東部地區(qū)秋季降水異常變化的一個顯著特征。

3.2大氣水汽的變化趨勢

圖2為利用探空資料計算得到的所選所有測站秋季大氣可降水量平均距平百分率的時間變化曲線及其9點二項式濾波曲線和趨勢線，在秋季大氣可降水量正趨勢的基礎(chǔ)上，迭加了顯著的年代際變化。總體來看，1975年是大氣可降水量發(fā)生轉(zhuǎn)折的年份，在此之前大氣可降水量距平百分率全部為負(fù)，1960年代末、1970年代初是近50年來大氣可降水量的最低值時段，距平百分率大約在-15%左右。而1975年以后大氣可降水量的距平百分率基本為正，并出現(xiàn)兩個相對的高峰值，分別是1980年代中期和1990年代末(距平百分率達(dá)到15%)、21世紀(jì)初(距平百分率甚至達(dá)到了25%左右)。中國中東部大部分地區(qū)的大氣可降水量呈增長趨勢，其中增長最大的區(qū)域在長江中上游、東南沿海、西南和東北等地區(qū)，其增長率一般為0.3～0.6mm/(10年)，部分地區(qū)大于1.0mm/(10年)。此外，本文利用最小二乘法計算了近50年來大氣可降水量的變化趨勢，中國中東部秋季可降水量的變化趨勢是增加的，增長率是5.7%/(10年)。表明在大氣可降水量成上升趨勢的情況下，秋季降水仍出現(xiàn)明顯的減少趨勢，由此說明秋季降水異常很可能并非是大氣水汽變化造成的，應(yīng)該是另一種機(jī)制導(dǎo)致了這種異常的發(fā)生。

3.3氣溶膠對降水的影響

3.3.1氣溶膠光學(xué)厚度和能見度的空間變化特征

大氣中的氣溶膠粒子可以通過直接和間接效應(yīng)影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡，有關(guān)研究表明大量生成的氣溶膠除了使環(huán)境惡化外，還可能對該區(qū)域的氣候造成一定影響。為此，有必要研究此區(qū)域氣溶膠是否對秋季降水產(chǎn)生了重要影響。下面首先分析中國中東部地區(qū)氣溶膠的變化情況。圖3上(見上頁)為2002—2008年秋季多年平均MODIS氣溶膠光學(xué)厚度[22－23]的空間分布特征。整個中國中東部地區(qū)的秋季年均值達(dá)到0.1以上，氣溶膠光學(xué)厚度分布呈南高北低，具有明顯的地理特征，四川盆地、華南沿海、黃河流域、長江中下游等地為氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)，達(dá)到0.6以上，而海域上空的氣溶膠光學(xué)厚度明顯小于陸地上空，秋季年均值大約為0.10～0.15，但近海區(qū)域為氣溶膠光學(xué)厚度相對高值區(qū)。這與羅云峰等[24]、王躍思等[25]得到的研究結(jié)論基本一致。圖3上和圖3下的空間分布具有很好的反相關(guān)關(guān)系，說明能見度可以作為表征氣溶膠特性的替代資料。

3.3.2能見度和降水量的SVD分析

SVD作為一種揭示兩個氣象要素場耦合模態(tài)的一種強(qiáng)有力的診斷分析工具，在大量的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。本文將研究區(qū)域在秋季的年平均能見度作為左場，分別將年平均的降水量作為右場，通過對兩個場進(jìn)行SVD分解，分析氣溶膠對秋季降水的影響。由于大多數(shù)氣溶膠生命期短、空間變化大，所以僅考慮兩者同期相關(guān)性。經(jīng)SVD得到了前5對奇異向量的方差貢獻(xiàn)，累計方差和相關(guān)系數(shù)(表1)，其中前5對空間分布型的累計方差可解釋總方差的75%以上，第一對空間分布型可以基本描述中國中東部地區(qū)降水場和能見度場的耦合關(guān)系。從能見度與降水量的第一模態(tài)的耦合特征可以發(fā)現(xiàn)，展開的時間系數(shù)(圖4)表現(xiàn)出相當(dāng)一致的下降(相關(guān)系數(shù)為0.87，通過a=0.01的顯著性檢驗水平)。我國能見度場與降水量場SVD的第一模態(tài)右場的異性相關(guān)系數(shù)(圖4)均以正相關(guān)為主，只在很小地區(qū)出現(xiàn)微弱的負(fù)相關(guān)。在中國的東南部和東北部呈現(xiàn)出較為一致的正的高相關(guān)分布，這些地區(qū)是第一對偶合分布的顯著區(qū)(高相關(guān))，其范圍大約為17.5～36°N，105～120°E。氣溶膠多(少)的時候降水量少(多)，說明氣溶膠對降水量有很好的抑制作用。氣溶膠粒子可以散射和吸收太陽輻射，從而改變太陽能量在大氣垂直方向的分配，影響大氣的垂直運動[26－28]。同時，氣溶膠粒子可以作為云的凝結(jié)核或冰核，改變云的物理和微物理特征，進(jìn)而影響降水[29－33]。近年來，中國東部地區(qū)工業(yè)化進(jìn)程快，城市污染嚴(yán)重，既是黑碳?xì)馊苣z的高排放區(qū)，又是硫酸鹽氣溶膠的高排放區(qū)，是氣溶膠影響區(qū)域氣候和水循環(huán)的獨特實驗區(qū)域。下面從大氣穩(wěn)定度條件、云微物理條件這兩方面出發(fā)，詳細(xì)分析氣溶膠是如何抑制秋季降水的。

3.3.3對流有效位能、對流抑制能和訂正后能見度的變化趨勢

圖5中給出了近50年中國中東部地區(qū)對流有效位能和對流抑制能以及訂正后的能見度變化曲線，秋季強(qiáng)對流出現(xiàn)較少，對流有效位能增大時對流抑制能減小，對流有效位能的峰值區(qū)域基本對應(yīng)對流抑制能的低值區(qū)，二者之間呈明顯的反相關(guān)關(guān)系。近50年來，對流抑制能以28.67(J/kg)/(10年)的速率增加，對流有效位能以12.81(J/kg)/(10年)的速率減小，特別是1980年代以后空氣穩(wěn)定度有較明顯的增長趨勢，對流有效位能減小率為-2.1%/(10年)，對流抑制能增長率為4.7%/(10年)。而能見度的線性趨勢和對流有效位能的變化趨勢十分一致，和對流抑制能正好相反，減小趨勢為-2.7%/(10年)。由此可看出能見度減小與空氣穩(wěn)定度增加緊密相關(guān)，說明由于氣溶膠的增加進(jìn)而抑制大氣垂直運動是導(dǎo)致秋季降水減少的原因之一。

3.3.4氣溶膠和云滴有效粒子半徑之間的關(guān)系

圖6給出了研究區(qū)域中2002—2008年秋季不同云頂溫度和液態(tài)水路徑下，氣溶膠光學(xué)厚度和云滴有效粒子半徑的變化情況。實線是當(dāng)云層比較厚(液態(tài)水路徑大于70g/m2)時，平均的云滴有效粒子半徑隨氣溶膠光學(xué)厚度的變化。從圖中可以看出，當(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度很小的時候(<0.2)，云滴有效粒子與液態(tài)水路徑之間的正相關(guān)性很強(qiáng)，液態(tài)水路徑越大，云滴有效粒子半徑越大。但隨著氣溶膠光學(xué)厚度的增加，云滴有效粒子半徑迅速減小到3μm左右。云頂溫度越高，這種關(guān)系就越明顯，當(dāng)云頂溫度大于289K時，云滴有效粒子半徑隨氣溶膠光學(xué)厚度的增加減小約5μm(圖6c)。而在這些變化關(guān)系中的標(biāo)準(zhǔn)誤差都是很小的，說明分析具有統(tǒng)計意義。由此可知，影響中國中東部秋季降水減少的原因之一是由于氣溶膠的大量存在使得云滴有效粒子尺度減小，云滴轉(zhuǎn)化為雨滴的效率隨之降低，這是抑制秋季降水發(fā)生的另一個重要原因。

綜上所述，從降水形成機(jī)制來看，大氣穩(wěn)定性的增加和云微物理性質(zhì)的改變是導(dǎo)致秋季降水異常減小的原因，這兩者與研究區(qū)域氣溶膠排放量急劇增多密切相關(guān)。大量氣溶膠的存在減少了地面獲得的太陽輻射能量，增加大氣穩(wěn)定度。大氣穩(wěn)定度的增加將抑制上升運動，減少秋季降水的發(fā)生。此外，高濃度氣溶膠通過參與云的凝結(jié)成核作用，改變了云的微物理結(jié)構(gòu)和特征，使云滴尺度減小，也起到了抑制降水的作用。此外能見度減小的區(qū)域也與秋季降水明顯減小區(qū)域相一致，說明秋季降水的異常減少和所在地區(qū)氣溶膠異常增加，這兩者間有很好的耦合關(guān)系。

4結(jié)果與討論

氣溶膠是影響氣候變化因子中最不確定的。本文利用長時間地面觀測資料、探空資料、衛(wèi)星觀測資料和NCEP再分析資料分析了中國中東部地區(qū)氣溶膠對秋季降水的影響，得到以下主要結(jié)論。

(1)中國中東部地區(qū)近50年秋季的降水相對于其他幾個季節(jié)顯著減少(每10年減少54.3mm)；尤其自1980年代以來呈現(xiàn)更加明顯的直線下降趨勢，每10年降水減少5.6%，距平百分率最小的一年達(dá)到-26.9%。

(2)從降水形成機(jī)制出發(fā)，水汽條件、大氣穩(wěn)定度條件和云微物理特性三個方面研究秋季降水異常減小的原因。先排除大氣水汽對秋季降水異常的影響。再綜合MODIS衛(wèi)星觀測資料和能見度資料表明，近年來我國中東部地區(qū)工業(yè)進(jìn)程迅速，污染嚴(yán)重、氣溶膠濃度急劇增多，而氣溶膠的大量存在影響了大氣穩(wěn)定度和云微物理特性是導(dǎo)致秋季降水減少的一個重要原因。

(3)秋季天氣系統(tǒng)較穩(wěn)定，一般主要受到大尺度天氣系統(tǒng)的影響，動力作用大于熱力作用，減少了復(fù)雜中小尺度天氣系統(tǒng)和熱力作用對降水的影響，可以更加突顯出氣溶膠對降水變化的作用；并且由于秋季降水量較少，對氣溶膠的濕清除作用較小，氣溶膠濃度常常比夏季大，故而氣溶膠對秋季降水的影響要比夏季顯著。

此外，有關(guān)研究表明春季是一年四個季節(jié)中沙塵暴爆發(fā)次數(shù)最多的一個季節(jié)[34]，除了春季氣候干燥地表土質(zhì)松散外，春季北方冷空氣活動頻繁，北方氣旋發(fā)展旺盛，動力因素影響大，地表的迅速升溫易造成對流天氣，所以我們認(rèn)為動力因素對降水的影響過大掩蓋了氣溶膠的影響，故而沙塵氣溶膠對春季降水的研究很復(fù)雜，所以在本文沒有進(jìn)一步討論。對于冬季降水而言，降水類型包括雨、雪、冰雹、冰雹等，相對于其他季節(jié)更為復(fù)雜。另外，冬季近地層比較穩(wěn)定，能見度一般都比較小，且沒有顯著變化，較難反映氣溶膠的真實變化，因此在本文的研究中沒有選擇冬季。

綜上所述，本文從降水形成機(jī)制出發(fā)，利用觀測事實揭示了氣溶膠在中國中東部地區(qū)秋季降水的異常變化中所產(chǎn)生的重要影響。關(guān)于降水和氣溶膠相互作用的物理機(jī)制，仍需要深入研究才能得到進(jìn)一步的證實。