彭杰,張華

(1.中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081;2.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;

3.國(guó)家氣候中心,中國(guó)氣象局氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;4.上海市氣象局 上海氣象科學(xué)研究所,上海 200030)

彭杰,張華.2015.典型站點(diǎn)氣溶膠對(duì)云特性的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),38(4):465-472.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130408001.

Peng Jie,Zhang Hua.2015.Impact of aerosol on cloud properties at typical sites[J].Trans Atmos Sci,38(4):465-472.(in Chinese).

典型站點(diǎn)氣溶膠對(duì)云特性的影響

彭杰1,2,3,4,張華3

(1.中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081;2.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;

3.國(guó)家氣候中心,中國(guó)氣象局氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;4.上海市氣象局 上海氣象科學(xué)研究所,上海 200030)

摘要：結(jié)合CloudSat對(duì)云的主動(dòng)觀測(cè)和MODIS(MODerate-Resolution Imaging Spectroradiometer)對(duì)氣溶膠的被動(dòng)反演,研究了典型站點(diǎn)氣溶膠對(duì)云的宏觀、微觀和輻射特性的影響。結(jié)果表明,氣溶膠對(duì)大陸性和海洋性站點(diǎn)的云均有顯著影響。1)隨氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)增加,水汽含量較弱站點(diǎn)的低層(高層)云量呈減小(增加)趨勢(shì),而水汽條件較強(qiáng)站點(diǎn)的各層云量均增大,且具有較高(較低)云頂?shù)脑茖影l(fā)生概率在各個(gè)站點(diǎn)都呈增加(減小)趨勢(shì)。2)AOD的增大導(dǎo)致各站點(diǎn)云滴和冰晶粒子的有效半徑均減小、大氣層頂?shù)亩滩ê烷L(zhǎng)波云輻射強(qiáng)迫均增強(qiáng)、短波云輻射強(qiáng)迫絕對(duì)值的加強(qiáng)更顯著、長(zhǎng)波云輻射強(qiáng)迫增加的幅度相對(duì)更大。3)氣象要素在AOD大(小)值情況下的變化表明,大尺度動(dòng)力條件并不能解釋云的上述特性隨AOD的顯著改變。

關(guān)鍵詞：氣溶膠激活效應(yīng);云物理特性;云輻射強(qiáng)迫

0引言

氣溶膠作為云凝結(jié)核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)會(huì)影響云反照率、對(duì)流能量、生命周期和降水效率,稱之為“氣溶膠間接效應(yīng)”。對(duì)此的研究表明,氣溶膠能夠抑制暖云降水,增加云中降水發(fā)生高度距云底的距離(Albrecht,1989;Radke et al.,1989;Rosenfeld,2000;Ranmanathan et al.,2001;Andreae et al.,2004;Freud et al.,2011;Freud and Rosenfeld,2012)。這被解釋為在云中水含量變化不大的情況下,氣溶膠的增多會(huì)產(chǎn)生更多更小的云滴粒子,從而抑制云滴之間的碰并和融合增長(zhǎng),減緩在上升過(guò)程中云滴粒子的增長(zhǎng)速度,使得大云滴粒子的數(shù)目減小。由于云滴粒子需要增長(zhǎng)至足夠大才能克服重力形成降水,所以氣溶膠的增多能夠抑制暖云的降水。對(duì)亞馬遜熱帶地區(qū)(Andreae et al.,2004)、阿根廷冰雹地區(qū)(Rosenfeld et al.,2007)、加利福尼亞冬季暴風(fēng)雨區(qū)、冬季以色列地區(qū)和印度夏季季風(fēng)區(qū)的(Freud and Rosenfeld,2012)飛機(jī)觀測(cè)都證實(shí)了這一現(xiàn)象。

近年來(lái)的研究(Andreae et al.,2004;Khain et al.,2005;Koren et al.,2005)表明氣溶膠的增多對(duì)暖云降水的抑制反而會(huì)增強(qiáng)冰云降水。地面觀測(cè)表明,在不同污染程度條件下,云滴粒子尺度從云底至云頂?shù)脑鲩L(zhǎng)變化非常不同(Andreae et al.,2004)。污染情況下,高于云底1 000 m處的云滴粒子僅能增長(zhǎng)至10 μm大,而干凈情況下能夠增長(zhǎng)至25 μm。氣溶膠濃度較小的情況下,云中的降水在高于云底1 000～1 500 m處就出現(xiàn)了,而在高度污染的情況下,降水出現(xiàn)的位置距云底達(dá)6 000 m。但是如果云頂高過(guò)了凍結(jié)層,污染情況下的云會(huì)發(fā)展的非常劇烈,并伴有雷暴、飚線和極強(qiáng)降水的出現(xiàn)。Koren et al.(2005,2008)用中分辨率光譜成像儀(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)的反演資料發(fā)現(xiàn)大西洋地區(qū)和亞馬遜流域的云頂高度(云滴粒子有效半徑)隨著氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)的增大(減小)有系統(tǒng)性的增加(減小)。Lin et al.(2006)利用多平臺(tái)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)同樣在亞馬遜流域發(fā)現(xiàn)了氣溶膠的光學(xué)厚度與云頂高度、云量和降水都存在正相關(guān)。云分辨模式的模擬研究(Khain et al.,2005;Wang,2005;Fan et al.,2007;Van den Heever and Cotton,2007)也表明氣溶膠的增多會(huì)導(dǎo)致降水加強(qiáng)。

利用氣團(tuán)模式,Rosenfeld et al.(2008)通過(guò)浮力和靜力能的改變,從理論上對(duì)這一現(xiàn)象提出了假設(shè)性的解釋,并將其定義為氣溶膠對(duì)云的激活效應(yīng)(Aerosol Invigoration Effect,AIE)。許多觀測(cè)和模式模擬的研究結(jié)果證實(shí)了AIE的存在,并表明氣溶膠激活效應(yīng)對(duì)云,降水和大尺度環(huán)流都能夠產(chǎn)生影響,這包括能夠改變?cè)频膸缀涡螒B(tài)、降水、深對(duì)流云中的閃電,甚至改變大尺度環(huán)流,影響熱帶氣旋的強(qiáng)度(Molinie and Pontikis,1995;Andreae et al.,2004;Khain and Pokrovsky,2004;Khain et al.,2004,2005,2008;Wang,2005;Seifert and Beheng,2006;Van den Heever et al.,2006;Fan et al.,2007,2009;Tao et al.,2007;Khain et al.,2008;Koren et al.2010a,2010b;Lee et al.,2010;Yuan et al.,2010;Langenberg,2011;Li et al.,2011;Niu and Li 2012;Rosenfeld et al.,2012)。但是由于氣溶膠直接效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致到達(dá)地表的太陽(yáng)短波輻射減小,減弱能夠用于激發(fā)對(duì)流的能量,穩(wěn)定低層大氣,從而抑制云的發(fā)展,因此氣溶膠激活效應(yīng)的影響并非總是能夠顯現(xiàn)出來(lái)。

雖然眾多研究表明了AIE的復(fù)雜性及其對(duì)天氣系統(tǒng)多樣化(云,降水,大尺度環(huán)流)的影響。然而僅有為數(shù)不多的工作直接研究AIE對(duì)云輻射強(qiáng)迫(Cloud Radiative Forcing,CRF)的影響(Koren et al.,2010b),也即AIE的輻射效應(yīng)。理論上來(lái)說(shuō),受AIE影響的云會(huì)發(fā)展得更為強(qiáng)烈,因此具有更高的云頂高度、更大的水平云砧和更小的粒子尺度。因此混合云中垂直發(fā)展最旺盛的核心部分會(huì)反射更多的太陽(yáng)短波輻射回太空和吸收更多的地表長(zhǎng)波輻射,對(duì)地氣系統(tǒng)的短波冷卻和長(zhǎng)波增暖作用都被加強(qiáng);而延伸更遠(yuǎn),更薄和持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的云砧將使得其對(duì)太陽(yáng)短波輻射的透過(guò)率更高,對(duì)地表長(zhǎng)波輻射的截獲更多,從而增暖地氣系統(tǒng)。由于上述三個(gè)因子共同作用決定了氣溶膠激活效應(yīng)對(duì)混合云的凈輻射效應(yīng),使得AIE的間接輻射效應(yīng)變的十分復(fù)雜,導(dǎo)致AIE對(duì)氣候變化影響的科學(xué)理解度還十分低。

因此,本文選取分別代表中緯度內(nèi)陸(1個(gè)站點(diǎn))、近海陸地(1個(gè)站點(diǎn))和熱帶海洋地區(qū)(3個(gè)站點(diǎn))的典型站點(diǎn),結(jié)合主動(dòng)遙感對(duì)云的觀測(cè)和被動(dòng)遙感對(duì)氣溶膠的反演,比較了污染(高AOD)和干凈(低AOD)情況下云的宏觀、微觀物理特性和輻射特性的不同,以期加深對(duì)AIE間接輻射效應(yīng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

1主、被動(dòng)遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合

1.1　典型站點(diǎn)的選取

Twomey效應(yīng)(Twomey,1977)指出,當(dāng)云中液態(tài)水含量固定的情況下,氣溶膠的增多會(huì)導(dǎo)致在轉(zhuǎn)化成云凝結(jié)核時(shí)彼此競(jìng)爭(zhēng)水汽,使得云滴粒子尺度減小。然而大尺度動(dòng)力條件的不同會(huì)導(dǎo)致不同地區(qū)大氣中的水汽含量差別巨大,在水汽條件充足的情況下,增多的氣溶膠粒子并不總是能夠?qū)е略频瘟Ｗ映叨鹊臏p小。Yuan et al.(2008)通過(guò)MODIS被動(dòng)反演資料分析了不同地區(qū)AOD與云滴粒子有效半徑的相關(guān)性,指出雖然大多數(shù)地區(qū)AOD與云滴有效半徑之間呈負(fù)相關(guān),然而在中國(guó)南海和墨西哥地區(qū)強(qiáng)對(duì)流帶來(lái)的豐富水汽更適合云滴的增長(zhǎng),會(huì)使得AOD和云滴有效半徑之間呈正相關(guān)。因此在選取典型站點(diǎn)時(shí),大尺度水汽條件的不同是需要考慮的因素之一。前文中提到氣溶膠的增加會(huì)散射太陽(yáng)短波輻射,減少到達(dá)低層大氣的短波輻射,削弱產(chǎn)生對(duì)流的能量,在穩(wěn)定低層大氣的同時(shí)減弱云的發(fā)展。然而由于不同緯度帶接收的太陽(yáng)短波輻射具有顯著的差異,這種削弱對(duì)不同緯度帶氣溶膠和云相互作用的影響程度必然不同。因此在選取典型站點(diǎn)時(shí),緯度的不同也是需要考慮的因素之一。綜合以上兩點(diǎn),本文選取5個(gè)典型站點(diǎn)(表1)。其中中國(guó)壽縣站(Shouxian)代表中緯度近海大陸地區(qū),美國(guó)南部大平原站(South Great Plaint,SGP)代表中緯度內(nèi)陸地區(qū),而TWP1,TWP2和TWP3站代表的是熱帶海洋地區(qū)。通過(guò)不同站點(diǎn)之間的比較,以AIE為關(guān)注點(diǎn),分析不同緯度帶和不同水汽條件下氣溶膠對(duì)云的影響。

表1各站點(diǎn)的基本信息

Table 1Basic information of each site

站點(diǎn)經(jīng)度緯度站點(diǎn)海拔高度/m代表站類型中國(guó)壽縣站(Shouxian)116°27'33″E32°20'18″N22.7中緯度近海陸地美國(guó)南部大平原站(SGP)97°17'04″W36°22'11″N320中緯度內(nèi)陸熱帶西太平洋站1(TWP1)147°15'18″E02°02'13″S0熱帶海洋對(duì)流熱帶西太平洋站2(TWP2)166°32'35″E00°19'10″S0熱帶海洋對(duì)流熱帶西太平洋站3(TWP3)130°32'18″E12°15'17″S0熱帶海洋對(duì)流

1.2　CloudSat主動(dòng)云觀測(cè)和MODIS被動(dòng)氣溶膠反演的結(jié)合方法

由于具有較高的空間覆蓋率,衛(wèi)星遙感資料是科學(xué)研究中重要的組成部分,得到了廣泛的應(yīng)用。A-train衛(wèi)星集群中的CloudSat上搭載的云廓線雷達(dá)(Cloud Profiling Radar,CPR)和Aqua上搭載的MODIS能夠分別實(shí)現(xiàn)對(duì)云高垂直分辨率的觀測(cè)和對(duì)氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的大范圍的反演。并且由于它們具有相同的運(yùn)行軌道和僅約1 min左右的運(yùn)行時(shí)差,因此結(jié)合兩者的觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠在大范圍或多地區(qū)研究氣溶膠和云的相互作用。對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的結(jié)合方法借鑒Niu and Li(2012),分以下幾個(gè)步驟:

1)以典型站點(diǎn)所在1°×1°格點(diǎn)為中心,以周圍9(3×3)個(gè)格點(diǎn)組的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象(簡(jiǎn)稱:樣本)。

2)從MODIS反演資料獲取樣本內(nèi)AOD的平均值,由于云的3D效應(yīng)會(huì)使臨近無(wú)云區(qū)MODIS反演的AOD偏大,因此本文僅選取AOD位于0~0.6范圍內(nèi)的格點(diǎn)進(jìn)行平均,進(jìn)一步減小由于云的存在導(dǎo)致的AOD反演的不確定性。

3)從CloudSat觀測(cè)資料獲取樣本內(nèi)的平均云物理特性。

4)分析AOD與云特性的相關(guān)性研究氣溶膠對(duì)云特性的影響。

通過(guò)上述方法,將CloudSat觀測(cè)的云特性和MODIS反演的云周圍的氣溶膠特性相聯(lián)系,據(jù)此研究氣溶膠對(duì)云的影響。表2給出各站點(diǎn)的樣本數(shù)和樣本的AOD信息。

表2各站點(diǎn)的樣本數(shù)和樣本AOD

Table 2Sample number and AOD at each site

ShouxianSGPTWP1TWP2TWP3樣本個(gè)數(shù)237235220217198平均AOD0.700.100.110.090.12最大AOD2.500.280.350.400.70最小AOD0.200.010.030.020.05

2氣溶膠對(duì)云物理特性的改變

由于云的物理特性主要是由大尺度動(dòng)力條件所決定,因此研究氣溶膠對(duì)云特性影響的難點(diǎn)之一是如何將氣溶膠的影響從大尺度動(dòng)力條件影響中剔除,常用的方法之一是將具有各種氣象條件的大量樣本進(jìn)行平均。因此本文將各個(gè)站點(diǎn)的樣本按照AOD從小到大排列,分別對(duì)前35%和后35%樣本內(nèi)云特性的平均值表征干凈和污染的情況,通過(guò)對(duì)兩者的比較來(lái)分析氣溶膠對(duì)云特性的影響。

圖1　干凈、污染情況下各站點(diǎn)的平均云量廓線　　a.Shouxian;b.SGP;c.TWP1;d.TWP2;e.TWP3Fig.1　Average cloud fraction profiles at each site under clean and polluted conditions　　a.Shouxian;b.SGP;c.TWP1;d.TWP2;e.TWP3

2.1　云量廓線和云層出現(xiàn)概率

圖1給出的是5個(gè)站點(diǎn)干凈、污染情況下的平均云量廓線。結(jié)果表明,氣溶膠對(duì)中緯度大陸或熱帶海洋條件下的云量改變有顯著不同:與干凈情況相比,代表近海陸地和內(nèi)陸條件的Shouxian和SGP站點(diǎn)在污染情況下低層云量減少而高層云量增加,而代表熱帶海洋地區(qū)的TWP1和TWP3站點(diǎn)隨著氣溶膠的增加各高度上的云量都有所增加,并且高層云量的增加更顯著。說(shuō)明大陸條件的水汽不充足,增多的氣溶膠會(huì)競(jìng)爭(zhēng)水汽,使得低層云量減小。然而當(dāng)動(dòng)力條件使得云能夠旺盛發(fā)展時(shí),氣溶膠能夠通過(guò)AIE激發(fā)高層冰云發(fā)展的更強(qiáng)烈,使得高層云量增加。在熱帶海洋條件下,充足的水汽條件和增多的氣溶膠相互配合會(huì)產(chǎn)生更多的云,使得各高度層上的云量都增加。同時(shí)熱帶地區(qū)旺盛的對(duì)流使得氣溶膠更易通過(guò)AIE激活高層云的發(fā)展,因此高層云量的加強(qiáng)更為顯著,而TWP2站點(diǎn)的中層(5～9 km)云量在污染情況下略微減弱,而低層和高層云量顯著增加。

Li et al.(2011)發(fā)現(xiàn)在SGP站,地面氣溶膠濃度的增加會(huì)導(dǎo)致高云出現(xiàn)的頻率增加而低云出現(xiàn)的頻率減少,因此本文按照云頂高度將5個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)到的云分至不同的組,分析干凈、污染情況下的各組出現(xiàn)概率的不同。圖2給出5個(gè)站點(diǎn)在干凈、污染情況下,不同高度云頂組的出現(xiàn)概率。結(jié)果與以往研究相一致:與干凈情況相比,污染情況下的低云的出現(xiàn)概率減少,而高云的出現(xiàn)概率增加。

2.2　云滴和冰晶有效半徑

圖3給出5個(gè)站點(diǎn)干凈、污染情況下云滴和冰晶的有效半徑。結(jié)果表明,氣溶膠的增多在各個(gè)站點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致云滴、冰晶粒子尺度的減少,同時(shí)海洋條件下的尺度減少與陸地條件相比較小。說(shuō)明在大陸、海洋條件下,氣溶膠的增多都會(huì)競(jìng)爭(zhēng)水汽,形成尺度更小的云滴、冰晶粒子,然而海洋條件下較為充足的水汽會(huì)減弱粒子尺度減小的程度。此外熱帶海洋站點(diǎn)水汽充足,其云滴和冰晶的有效半徑均大于陸地站點(diǎn)。

圖2　干凈、污染情況下各站點(diǎn)不同云頂高度云層的出現(xiàn)概率　　a.Shouxian;b.SGP;c.TWP1;d.TWP2;e.TWP3Fig.2　Occurrence probabilities of cloud layers with different cloud top height at each site under clean and polluted conditions　　a.Shouxian;b.SGP;c.TWP1;d.TWP2;e.TWP3

2.3　云的輻射強(qiáng)迫

云的輻射強(qiáng)迫(CRF)常用于衡量云對(duì)大氣輻射場(chǎng)的影響,適用于各個(gè)波段。一般而言,高度較低的水云對(duì)短波輻射的反射作用強(qiáng)于對(duì)地表長(zhǎng)波輻射的截獲作用,易于冷卻地氣系統(tǒng),因此在大氣層頂(Top Of Atmosphere,TOA)具有負(fù)的輻射強(qiáng)迫;而高度較高的冰云對(duì)短波輻射的反射作用弱于對(duì)地表長(zhǎng)波輻射的截獲作用,趨于增暖地氣系統(tǒng),因此在TOA處具有正的輻射強(qiáng)迫。

圖3　干凈、污染情況下各站點(diǎn)云滴(a)和冰晶(b)的平均有效半徑(單位:μm)Fig.3　Average effective radii of (a)cloud droplet and (b)ice crystal at each site under clean and polluted conditions(units:μm)

圖4　干凈、污染情況下各站點(diǎn)的短波(a)和長(zhǎng)波(b)云輻射強(qiáng)迫(單位:W·m-2)Fig.4　(a)Shortwave and (b)longwave cloud radiative forcings at each site under clean and polluted conditions(units:W·m-2)

由于氣溶膠能夠顯著改變對(duì)云的宏觀(云量廓線、云頂高)和微觀(云滴、冰晶)物理特性,理論上也應(yīng)該會(huì)對(duì)CRF有影響。因此,分析干凈、污染情況下TOA處CRF的改變(圖4)。結(jié)果表明,與干凈情況相比,各個(gè)站點(diǎn)污染情況下的平均長(zhǎng)短波CRF均得到了加強(qiáng),短波CRF絕對(duì)值的增強(qiáng)更顯著,但長(zhǎng)波CRF增強(qiáng)的百分比更大。CRF的改變與云宏觀、微觀物理特性的改變相一致:所有站點(diǎn)增多的高層云會(huì)使得云對(duì)地表長(zhǎng)波輻射的截獲作用增加,導(dǎo)致長(zhǎng)波CRF的增強(qiáng);海洋站點(diǎn)低層云量的增多(云滴尺度的減小),會(huì)加強(qiáng)對(duì)短波輻射的散射(反射),使得短波CRF加強(qiáng)。而在大陸站點(diǎn),雖然低層云量(云滴尺度的減小)對(duì)短波輻射的散射(反射)呈相反的影響,但是短波CRF的加強(qiáng)表明后者起主導(dǎo)作用。

3氣象要素隨AOD的改變

在氣溶膠間接效應(yīng)的觀測(cè)研究中,難點(diǎn)之一是如何將氣溶膠的作用和大尺度動(dòng)力條件的作用區(qū)分開(kāi)。借助CloudSat產(chǎn)品資料中提供的溫度、氣壓和濕度等變量,通過(guò)計(jì)算能夠反映大尺度動(dòng)力條件的氣象要素在干凈、污染情況下的改變,間接探究前文所述現(xiàn)象是否由動(dòng)力條件的改變所引起。氣象要素包含有:1)地表相對(duì)濕度(RHs);2)500 hPa處相對(duì)濕度(RH500);3)氣柱水汽含量(Column Water Vapor,CWV);4)低層對(duì)流層靜力穩(wěn)定度(Lower Troposphere Static Stability,LTSS),定義為位溫在地表和700 hPa之間的差值(Redelsperger et al.,2002);5)水汽差(VaporD),定義為當(dāng)前比濕和飽和比濕之差在500和700 hPa高度層之間的積分(Klein and Hartmann,1993)。

圖5給出這些要素在干凈、污染情況下的改變。結(jié)果表明:相比于干凈情況,污染情況下的LTSS略有增加,而其他幾個(gè)變量幾乎沒(méi)有改變,說(shuō)明氣溶膠的增多會(huì)削弱到達(dá)地表的太陽(yáng)短波輻射,使得低層大氣可用的對(duì)流能減小,變的更為穩(wěn)定,但對(duì)其他幾個(gè)由大尺度動(dòng)力條件決定的變量并無(wú)相關(guān),說(shuō)明云的物理和輻射特性在干凈、污染情況下的明顯區(qū)別是由氣溶膠而非氣象條件影響所致。

圖5　干凈、污染情況下氣象要素的變化　　a.LTSS;b.VaporD;c.RHs;d.RH500;e.CWVFig.5　Variations of meteorological elements under clean and polluted conditions　　a.LTSS;b.VaporD;c.RHs;d.RH500;e.CWV

4結(jié)論與討論

對(duì)5個(gè)典型站點(diǎn)AOD與云特性的相關(guān)分析表明:氣溶膠濃度的改變會(huì)顯著改變?cè)频暮暧^和微觀物理特征和輻射特性。與干凈情況相比,污染情況下:

1)各站點(diǎn)的高層云量都有增加,而水汽較為充足(不足)的熱帶海洋(中緯度大陸)站點(diǎn)的低層云量呈現(xiàn)出增加(減少)的變化;

2)各站點(diǎn)具有較高(較低)云頂?shù)脑茖映霈F(xiàn)的概率增加(減小);

3)各站點(diǎn)云滴/冰晶的有效半徑都減小;

4)各站點(diǎn)的長(zhǎng)短波CRF均增強(qiáng);

5)LTSS的增大說(shuō)明氣溶膠使得低層大氣變得更為穩(wěn)定,而其他氣象要素不隨氣溶膠濃度的改變而改變,說(shuō)明氣象條件并不是導(dǎo)致干凈、污染情況下云的物理和輻射特性顯著改變的原因。

然而由于太陽(yáng)極軌衛(wèi)星觀測(cè)的固有缺陷,本文的結(jié)果仍存在一定的不確定性:1)太陽(yáng)極軌衛(wèi)星對(duì)固定地點(diǎn)觀測(cè)的時(shí)間分辨率過(guò)低,導(dǎo)致研究氣溶膠和云相互作用時(shí),僅能給出瞬時(shí)觀測(cè)得到的相關(guān)性,而無(wú)法解釋兩者之間的因果關(guān)系。2)本文采用MODIS反演的氣柱AOD作為云底處被激活為云凝結(jié)核(CCN)的氣溶膠的替代,雖然AOD與CCN之間存在正相關(guān),但并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,因此這一替代同樣會(huì)帶來(lái)不確定性。因此,在未來(lái)的工作中,需要通過(guò)具有高時(shí)間分辨率和對(duì)CCN更直接的觀測(cè)手段(飛機(jī),地基遙感等)來(lái)減小上述兩點(diǎn)帶來(lái)的不確定性。

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(責(zé)任編輯：孫寧)

Impact of aerosols on cloud properties at typical sites

PENG Jie1,2,3,4,ZHANG Hua3

(1.Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China;

2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Laboratory for Climate Studies of China Meteorological Administration,National Climate Center,Beijing 100081,China;

4.Shanghai Institute of Meteorological Sciences,Shanghai Meteorological Bureau,Shanghai 200030,China)

Abstract:The effects of aerosols on cloud macro-physical,microphysical and radiative properties at typical sites are analyzed using the objective cloud observations from CloudSat and the passive aerosol retrievals from MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer).Results show that aerosols have significant impact on cloud over both continental and marine sites.With the increase of aerosol optical depth(AOD),the low(high) level cloud fraction at sites with relative weak water vapor conditions shows decrease(increase) trend,while the cloud fraction of all altitudes increases at sites with relative strong water vapor conditions.With the increase of AOD,occurrence probabilities of cloud layers with high(low) cloud top height at each site show an increase(a decrease) trend.With the increase of AOD,the effective radius of cloud droplet and ice crystal decrease,both the shortwave and longwave cloud radiative forcings at atmosphere top are enhanced,the increase of absolute value of shortwave cloud radiative forcing is large,and the increase of longwave cloud radiative forcing is relatively larger at all sites.The variations of meteorological elements under large(small) AOD conditions indicate that the significant changes of cloud physical and radiative properties with AOD can not be explained by large scale dynamical influence.

Key words:aerosol invigoration effect;cloud physical property;cloud radiative forcing

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130408001

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)04-0465-08P401

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：彭杰,博士,工程師,研究方向?yàn)樾l(wèi)星遙感資料分析、云垂直重疊和氣溶膠間接效應(yīng),pjay163@163.com.

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB403405);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375080);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201406023);江蘇省2011年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(n0782002084)

收稿日期：2013-04-08；改回日期：2013-07-06