东亚旱区气溶胶、云及其相互作用研究进展_刘玉芝.pdf

气象科技 第 卷第期 年月 ，东亚旱区气溶胶、云及其相互作用研究进展刘玉芝罗润祝清哲谭子渊邵天彬罗敏周成龙（兰州大学半干旱气候变化教育部重点实验室，兰州 ）摘要东亚干旱半干旱区（简称为“东亚旱区”）是全球干旱带的重要组成部分，该区域水资源短缺，沙尘暴频发，沙尘气溶胶对大气辐射收支和云微物理过程的影响不可忽视。本文回顾了近年来东亚旱区气溶胶及云相关科学问题的研究进展，重点讨论了气溶胶、云特性以及气溶胶 云相互作用问题。东亚旱区大气中的气溶胶以沙尘为主，且春季多于其他季节；同时，该区域云水资源丰富，且以高云为主，夏季云量显著偏多。沙尘气溶胶可直接影响辐射收支对大气产生加热作用，并通过间接和半直接效应对云微物理过程和降水产生影响。由于云微物理观测资料稀缺，加之模式参数化方案的不准确，导致东亚旱区沙尘气溶胶 云相互作用仍存在较大的不确定，减小气溶胶、云所带来的不确定性是未来气候变化研究中亟需解决的科学问题。关键词东亚旱区；气溶胶；云；气溶胶 云相互作用中图分类号：文献标识码：气象科技国家自然科学基金项目（、）及兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金（）共同资助作者简介：刘玉芝，女，年生，博士，教授，主要从事大气物理与大气环境研究，：收稿日期：年月 日；定稿日期：年月 日引言气溶胶、云及其相互作用对地气系统的辐射平衡 、水循环 和能量循环 有着重要的影响，是天气预报和气候预测中不确定性最大的因子之一。气溶胶可通过散射和吸收过程直接影响地气系统的辐射收支 ；还可作为云凝结核或冰核，通 过 改 变 云 微 物 理 过 程，产 生 间 接 辐 射 效应 ；同时，吸收性气溶胶还可加热大气，使云滴蒸发产生半直接辐射效应 。气溶胶对云的影响随气溶胶类型、浓度及粒子大小、云类型和环境（动力及热力）条件而存在很大差异。因此，厘清气溶胶、云及其相互作用是减小天气和气候变化研究中不确定性的重要科学问题 。干旱半干旱区对全球气候变化响应敏感，其中半干旱区在过去 年间出现明显的变暖和频繁的极端降水事件 。作为全球干旱带的重要组成部分，东亚干旱半干旱区（简称为“东亚旱区”，图所示区域），尤其是华北和西北地区，水资源匮乏 ，生态退化和荒漠化问题严重 ，开发空中的云水资源成为缓解该地区干旱的重要途径之一。气溶胶直接辐射效应可影响大气稳定性，改变云形成过程的动力条件；还可通过扮演云中的凝结核或冰核影响云的降水效率。因此，气溶胶 云相互作用研究对于东亚旱区空中水资源的开发具有重要意义。图东亚旱区示意 本文聚焦东亚旱区，对国内外学者关于该地区气溶胶、云及其相互作用的研究进展进行梳理总结，重点阐述气溶胶的分布及光学特性、输送及其辐射效应；云特性及气溶胶对云特性和降水的影响。最后，对造成气溶胶 云相互作用存在不确定性的主要原因进行讨论，并对该领域未来的研究重点进行展望。气溶胶特性 时空分布及光学特性气溶胶通过直接、间接及半直接效应对地气系统的辐射收支产生影响，进而影响区域乃至全球气候。报告指出，缺乏对气溶胶时空分布特征和光学特性的了解是模式对气溶胶辐射强迫估算存在极大不确定性的主要原因，也是导致气溶胶气候效应产生不确定性的主要来源 。因此，加深对气溶胶时空分布特征及其光学特性的研究对全面认识气 溶胶 气候效 应和生 态环 境 效 应 具 有 重 要意义。目前，国内外学者针对东亚旱区气溶胶时空分布及光学特性已进行了大量研究，从研究方法来看主要包括地基观测、飞机观测、卫星遥感 和数值模拟 等方面。其中，气溶胶自动观测网（）和天空辐射计观测网（）是两个重要的地基观测网，能够提供全球范围的气溶胶光学特性观测数据。很多学者利用上述观测网提供的气溶胶观测数据对东亚旱区不同子区域，包括中国北方 、西北 以及黄土高原半干旱区 等区域气溶胶的光学特性进行了分析，一致认为，东亚旱区气溶胶多为沙尘气溶胶，粒径大且以粗模态粒子为主。有了卫星观测后，很大程度弥补了地基观测站点稀疏的缺陷，实现了气溶胶数据由点到面的扩展。卫星观测表明，在东亚旱区的极端干旱区塔克拉玛干沙漠，气溶胶光学厚度（）较大且有显著 的季 节变化，呈 现春 季最高、秋 季 最低 的 特征，。年后，星载激光雷达的应用使气溶胶垂直信 息 的 获 取 成 为 可 能 。贾 瑞 等 利 用 （）卫星遥感资料获得了中国西北地区气溶胶消光系数的三维分布，证实了塔克拉玛干沙漠的气溶胶以自然沙尘为主，且主要分布在 以下；古尔班通古特沙漠和甘肃内蒙古一带的气溶胶种类复杂，除自然沙尘外还存在大量的污染性沙尘、污染性陆源气溶胶和烟尘。而且，也捕捉到了沙尘进一步向对流层中上层的输送过程。综上所述，东亚旱区的气溶胶以沙尘为主，有固定沙源的局地排放且能够远距离输送。沙尘气溶胶的输送及辐射效应塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠是东亚地区最重要的两个沙尘源区，其起沙量大且输送范围广，每年向大气中释放大约 的沙尘，其中约 重新沉降到沙漠地区或输送到中国内陆地区，剩余的 则向东远距离输送至韩国、日本及太平洋地区，甚至可能跨越太平洋地区到美国、加拿大及格陵兰岛等地 ，其对区域乃至全球尺度的能量收支、生态系统和水循环有重要影响。以往研究对东亚旱区沙尘气溶胶的排放、输送及辐射效应进行了系统研究 。在气溶胶输送研究中，数值模式具有能够实现量化的优势，研究认为，蒙古、中国西部及北部的沙漠占亚洲沙尘总排放量的，其 中 有 的 沙 尘 非 中 国 来 源。等 通过 （）模式，发现塔克拉玛干沙漠是东亚地区沙尘排放能力最大的地区，春季起沙通量为 ，占东亚沙尘排放总量的。对沙尘输送通量的分析发现，塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠的沙尘排放通量分别为 和 左右，。东亚旱区春季沙尘暴频发，沙尘源区排放的沙尘先通过上升气流和湍流混合被抬升至高层，并随着西风进一步远距离输送，。早在 年，卫星首次观测到夏季塔克拉玛干沙尘能够向 南 输 送 至 青 藏 高 原 北 坡，之 后 和 等进一步利用数值模式证实了沙尘向高原的输送过程。并指出，强冷锋系统逼近塔克拉玛干沙漠时，夏季青藏高原的“热泵效应”配合减弱的西风，有利于沙尘向青藏高原的经向输送。受地形、海拔、热力条件和大气环流的影响，虽然相较于塔克拉玛干沙漠，戈壁沙漠的沙尘输送范围更广、影响区域更大，但是当沙尘抬升到高海拔（）时，塔克拉玛干沙漠的沙尘仍是远距离输送的主要贡献者，。沙尘作为全球旱区最主要的气溶胶类型，其对于辐射收支和天气气候的影响不容忽视。等利用气溶胶 气候耦合模式对全球旱区沙尘产生的直接辐射强迫进行了模拟，指出沙尘在大气顶及地面的辐射强迫高值区主要位于北非和东亚地区。第期刘玉芝等：东亚旱区气溶胶、云及其相互作用研究进展也有学者对沙漠腹地的沙尘辐射强迫进行了定量评估，发现戈壁沙漠的沙尘气溶胶在地面（大气顶）产生的短波辐射强迫高于撒哈拉沙漠，地面（大气顶）的短波辐射强迫分别为 （）和 （）。对东亚旱区而言，其上空的沙尘气溶胶直接辐射强迫约占气溶胶总辐射强迫的，但不同模式也存在一定差异 。基于 模式的研究结果表明，东亚沙尘气溶胶在地表和大气顶均产生冷却作用，在大气内部产生的辐射强迫约为左右。综上可见，东亚旱区沙尘气溶胶的排放、输送与辐射效应因地形、大气动力和热力条件不同而存在显著差异，同时，不同方法得到的气溶胶辐射强迫也存在一定的差异。在未来研究中还需结合观测资料、机制分析和数值模拟等手段进一步减小辐射强迫估算的不确定性。云特性分布作为地气系统水循环与辐射收支平衡的重要调节因 子，云 是 全 球 气 候 变 化 的 重 要 影 响 因 素 之一 ，而气候变化的反馈作用又反过来影响云系特征。云对气候系统的影响不仅取决于云的微物理特性（如：云光学厚度、有效粒子半径、云水路径），还与其宏观结构密切相关（如：云量、云高）。因此，开展东亚旱区云特性研究对于空中水资源的开发和利用尤为重要。东亚旱区受来自西北方向冷气团和东南方向暖湿气团的共同影响，极易产生锋面云系，故绝大部分地区以高云为主，且云高相对较高，夏季云量显著偏多，这主要是受青藏高原大地形和东亚季风共同影响的结果。另外，有学者也对东亚旱区云微物理特性进行了研究，发现东亚旱区液态水路径和冰水路径均显著高于周边其它区域。由图可见，东亚旱区云水路径在过去 年呈现显著的增加趋势，尤其在半干旱区的趋势更为显著。除此之外，很多学者针对东亚旱区不同区域的云特性开展了更为具体的研究 。在我国西北旱区包括新疆、青海、甘肃中西部、宁夏、内蒙古西部及陕西西北部，年降水量不足 ，通过对云微物理过程的研究，合理实施人工增雨，可实现云水资源的有效利用，成为维持西北旱区生态环境可持续发展的有效手段之一。王研峰 等利用西北旱区图东亚旱区液态水路径和冰水路径的时间序列 一次飞机探测资料及卫星资料，分析了层状云垂直和水平微物理结构以及人工影响天气作业前后云微物理特性的变化。研究发现，相较于作业前，人工增雨作业后云中小粒子浓度明显降低，而大云粒子浓度明显增加，其谱宽增大，尤其在大于 粒径段。除了云微物理特性，还有一些研究基于多种卫星资料对东亚旱区云辐射特性展开了深入探讨。研究发现，东亚旱区受季风影响，云辐射强迫有显著的年际变化，冷季云的长波辐射强迫大于短波辐射强迫，净辐射强迫为正值，在大气顶和地表的辐射强迫值分别为 和 ，暖季则与此相反。等人的研究也指出，气溶胶能显著影响云的长、短波辐射强迫，尤其是在几个主要的季风区和东亚西部，云辐射强迫差异能够达到 。目前，云微物理特性及辐射特性的研究尚不充分，未来需要进一步加强东亚旱区云的观测及云参数的反演，提高对该区域云特性及云辐射效应的认识，以期减小气候变化研究中云带来的不确定性。气溶胶 云相互作用气溶胶 云相互作用目前仍是气候系统中最大的不确定性因子之一。多种卫星观测、飞机穿云试验及模式模拟结果表明，气溶胶通过间接效应和半直接效应对云的宏微观特性产生影响，进而影响降水 ，如图所示。气溶胶 云相互作用不仅与气象科技第 卷气溶胶的粒子尺度和成分有关，还与云类型、大气的热力及动力条件有关，使得气溶胶对云和降水的影响异常复杂且具有很大的不确定性。图气溶胶 云相互作用机理示意 一方面，气溶胶通过间接辐射效应对云产生影响，主要分为两类，第类间接效应和第类间接效应。第类间接效应也称作“云反照率效应”，指在云水含量不变的情况下，气溶胶粒子增加可使云滴数浓度增加，云粒子半径减小，从而使云的反照率增大，这一过程依赖于气溶胶的吸收特性和光学厚度。第类间接效应也称为“云寿命效应”，指气溶胶增加引起云粒子半径减小，进而抑制降水，延长云的寿命，进一步导致云的反照率增加（图）。沙尘粒子可作为云的有效冰核，在冷云过程中对冰晶的形成有非常重要的作用 ，同时，被可溶性物质（例如海盐和人为污染物）包裹的沙尘粒子还可作为有效的云凝结核 。在东亚旱区气溶胶对云的影响研究中，卫星观测资料被广泛应用 。等 利用卫星资料对比了中国西北地区同一气象环境下有、无沙尘条件下云的特性差异，发现沙尘气溶胶可使冰云有效粒径、光学厚度和冰水路径分别降低、和，相应地，云的瞬时净辐射强迫从无沙尘条件下的 增加到有 沙 尘 条 件 时 的 。等 也利用全天空和晴空辐射资料计算了大气顶处的瞬时净辐射强迫，发现沙尘气溶胶通过改变云的反照率可造成中国西北部云的瞬时净辐射强迫减小 。上述结论也在 等 对塔克拉玛干沙漠沙尘气溶胶云特性的影响研究中得到了进一步证实。除此之外，数值模式也有助于我们更好地理解气溶胶 云相互作用。等 根据 （）模式结果发现，随着 的增加，云滴数浓度增加，云滴有效半径先增加后减小，东亚干旱区和半干旱区云滴有效半径达到峰值所对应的 值分别为 和 （图）。云滴半径的减小会抑制其碰并过程，从而抑制降水的形成，延长云的寿命，导致东亚旱区的干旱加剧 ，。等 利用 模式耦合 微物理方案发现，增加中国西北地区的冰核几乎不影响暖云过程，但可使冰晶浓度增加，进而增强贝吉隆过程，使降水增加。总体而言，东亚旱区气溶胶对云和降水的影响仍存在较大的不确定性，受资料和研究方法的限制较大。无论是个例还是长时间平均的研究，均很难给出云反照率效应、生命期效应与增强贝吉隆效应的相对贡献；而且，云寿图沙尘气溶胶的间接和半直接效应 第期刘玉芝等：东亚旱区气溶胶、云及其相互作用研究进展命效应与云反照率效应之间又存在一定的反馈。因此，气溶胶的间接效应中两种效应的相对贡献仍需进一步明确。另一方面，沙尘气溶胶也是一种吸收性气溶胶，可通过吸收太阳短波辐射从而加热气溶胶所在的大气层，使气溶胶所在大气层温度升高，地表温度降低，进而使低层大气变的更稳定。这种稳定的大气状态可导致对流减弱，抑制能量和水汽的输送，云中的 沙 尘 能 使 相 对 湿 度 减 小，增 加 云 滴 的 蒸发，从而使云滴减小甚至消失，此为半直接效应（图）。研究发现，沙尘气溶胶的半直接效应取决于沙尘相对于云的位置，如果沙尘层位于云层下方，则沙尘层内的加热会增强对流，从而增加云量。此外，位于云层之上的吸收性气溶胶的加热效应可使其下部的大气变得更稳定，进而抑制云的垂直发展，此时云的水平发展可能会增强 。卫星观测表明，东亚旱区沙尘云的平均冰水路径和液态水路径比无沙尘云的分别小 和 ，。也有研究指出，当大气中水汽含量较小时，沙尘气溶胶更容易加热云，其半直接效应更为显著 。由于东亚旱区降水稀少，土壤水分缺乏，由此产生的正反馈效应可能使干旱进一步加剧。等 通过 气候模型发现沙尘可导致低层云量和降水增加，认为在旱区沙尘的绝热加热被其长波冷却所抵消，高空气溶胶层中沙尘的加热效应可影响大气环流，导致气流上升有利于产生降水。图东亚干旱区和半干旱区样本量所占百分比（，），云水路径和云滴数浓度（，）以及云滴有效半径和降水均值（，）随气溶胶光学厚度的变化 气象科技第 卷目前有关气溶胶对云特性影响的研究很多，但同时也存在很多不确定性问题。未来研究中，还需联合先进的探测技术和数值模拟手段，全面、深入地研究东亚旱区气溶胶 云相互作用，为合理开发该区域空中水资源提供科学依据。总结与展望目前，前人基于东亚旱区气溶胶、云及其相互作用的研究已经取得了一系列重要进展，科学家们对典型区域利用站点观测、卫星观测、飞机观测实验及数值模拟等方法进行了系统和深入的研究，获得的主要结论如下：（）东亚旱区气溶胶以沙尘为主，能够向东向南输送至我国其它区域，同时可远距离输送至韩国、日本、太平洋地区及美国等地 ，对区域乃至全球尺度的能量收支、生态系统和水循环具有重要影响。（）东亚旱区大部分地区以高云为主，夏季云量显著偏多，云水资源丰富。云辐射强迫存在显著的年际变化，冷季的净辐射强迫为正，在大气顶和地表的辐射强迫分别为 和 ，暖季则相反。（）沙尘气溶胶可减小云粒子半径，增加云反照率或延长云寿命，产生间接效应，；同时，还可蒸发云滴，使云滴减小甚至消失，产生半直接效应 。沙尘气溶胶能够抑制或增强降水，其对降水的影响不仅与沙尘气溶胶的垂直分布及云的类型等有关，还与大气的热力及动力条件密切相关。目前，通过观测、模式模拟及多种方法综合分析的手段，虽然对东亚旱区气溶胶、云及其相互作用有了一些认识，但仍然存在很多不确定性。例如，沙尘气溶胶 云相互作用的物理机制以及相关反馈作用仍然存在争议，尤其是沙尘与冰云的相互作用，仍是一个不确定性极大的前沿科学问题。另外，对气溶胶辐射强迫的估算也仍存在较大的不确定性，尤其对间接和半直接辐射强迫的估算仍不准确。一方面是由于气溶胶物理、化学特性的时空分布存在显著差异，缺乏较大区域气溶胶特性参数的第一手观测资料；另一方面，我们对气溶胶 云相互作用机制的认识仍不够全面，导致数值模式中气溶胶 云相互作用的参数化方案仍不够完善，使模拟结果存在很大的不确定性。而且，目前缺乏可用于模式的高时空分辨率的人为气溶胶排放资料，导致在研究中缺乏对自然和人为气溶胶相互作用的认知，使得对于气溶胶间接、半直接辐射效应的评估存在极大的不确定性。因此，未来为了全面理解东亚旱区气溶胶 云相互作用，首先需要建立一系列针对不同时空尺度的气溶胶特性、云微物理特性及动力过程的综合观测系统，为气溶胶 云相互作用研究提供可靠的第一手数据。例如，在沙尘源区及其输送区域同时开展气溶胶、水云及冰云特性的综合连续观测。基于此，建立源区沙尘对水云和冰云的参数化关系，并在输送区建立污染沙尘与水云和冰云特性参数之间的关系，对于全面理解气溶胶 云相互作用机理至关重要。其次，在研究气溶胶 云相互作用时，需要分离不同类型气溶胶对不同类型云的影响，同时需要考虑分离气象条件对气溶胶 云相互作用的影响。最后，需要进一步改进云微物理参数化方案，尤其是旱区的冰核参数化方案，提高模式模拟性能，为准确评估气溶胶对云和降水的影响奠定基础。参考文献 ，：，杨洁，王兵，刘峰一次冷锋过程的云微物理特征分析以及飞机积冰预报检验 气象科技，（）：王梦旖，师正，谭涌波，等大气冰核浓度对对流云降水过程影响的数值模拟 气象科技，（）：温强，陶法，刘达新，等 型地基双波段全天空云量自动观测 仪 云 量 比 对 分 析 气 象 科 技，（）：，（）：，（）：，：第期刘玉芝等：东亚旱区气溶胶、云及其相互作用研究进展 ，：，：，（）：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：（）：，周秀骥，吴国雄中国气象事业发展战略研究重大科学技术问题卷 北京：气象出版社，陶涛，邓佩云，曹宁，等 年宁夏地区降雹时空分布特征 气象科技，（）：轩春怡，刘勇洪，杨晓燕，等基于 网格的北京暴雨洪涝灾害风险区划 气象科技，（）：谷艳茹，范广洲青藏高原地区深对流系统特征分析 气象科技，（）：，：，：，：，：，：，（）：，：，（），：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，马新成，毕凯，田海军，等北京地区沙尘天气气溶胶飞机观测特征 气象科技，（）：，（）：，气象科技第 卷 ，：高中明，闭建荣，黄建平基于 和 网观测的中国 北 方 地 区 气 溶 胶 光 学 特 征 分 析 高 原 气 象，（）：，：张志薇，王宏斌，张镭，等中国个 站点气溶胶微物理特性分析及比较 中国环境科学，（）：，：衣娜娜，张镭，刘卫平，等西北地区气溶胶光学特性及辐射影响 大气科学，（）：，（）：史莹莹，张镭，田鹏飞，等黄土高原半干旱区沙尘气溶胶光学和微物理特性 高原气象，（）：赵仕伟，高晓清基于 数据的西北地区气溶胶光学厚度和 波长指数的研究 大气与环境光学学报，（）：，（）：茹建波，王天河，李积明，等东亚沙尘源区晴空和云上沙尘气溶胶特征 中国沙漠，（）：，：白冰，张强，陈旭辉，等中国西北干旱半干旱区气溶胶分类及特征 中国沙漠，（）：，：贾瑞，李君，祝清哲，等中国西北地区气溶胶的三维分布特征及其成因 中国沙漠，（）：，：，：，：康丽泰，陈思宇中国北方一次沙尘天气过程的数值模拟中国沙漠，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：陈思宇，黄建平，李景鑫，等塔克拉玛干沙漠和戈壁沙尘起沙、传输和沉降的对比研究 中国科学：地球科学，（）：，：，：，：，：，：，（）：，：，（）：，（）：，第期刘玉芝等：东亚旱区气溶胶、云及其相互作用研究进展 ，：，：，：，：，：，：朱智，师春香，刘瑞霞，等我国三维云融合分析业务系统（）研制与开发 气象科技，（）：，：，：，：，（）：，：，（）：丁晓东干旱半干旱地区云系特征卫星遥感研究 兰州：兰州大学，（）：庞朝云，黄山，张丰伟甘肃中部降水性层状云微物理结构特征个例分析 气象科技，（）：黄颖，张文煜，冒立鑫，等祁连山北坡云垂直分布特征 气象科技，（）：吕玉环，雷恒池，魏蕾中国北方典型地区不同类型云微物理特征分析 气象科技，（）：王研峰，王蓉，王聚杰，等西北干旱半干旱区一次层状云系微物理特征分析 干旱区地理，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，：气象科技第 卷 ，（）：，：，：，：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：陈思宇，黄建平，刘晶晶，等利用 和 资料研究中国半干旱地区沙尘气溶胶对暖云的影响 地球科学进展，（）：（，）：（“”），：；第期刘玉芝等：东亚旱区气溶胶、云及其相互作用研究进展