氣溶膠對降水形成與降水性質的影響

氣溶膠對降水形成與降水性質的影響以山東為例摘要：山東地處中國東部沿海，是典型的深受海洋影響的暖溫帶大陸性季風氣候。膠東半島受海洋的影響，大氣中氣溶膠粒子膠有明顯的海洋特征，而山東內陸地區(qū)大氣氣溶膠粒子具有明顯的大陸特征。這也就形成了山東地區(qū)的大氣中氣溶膠粒子膠既有大陸性又有海洋性。在降水的形成和沉降過程中，大氣氣溶膠粒子起著十分重要的作用，同樣對降水的性質也有舉足輕重的影響。關鍵詞：氣溶膠粒子降水大氣氣溶膠粒子是指懸浮在大氣的液態(tài)或固態(tài)顆粒。氣溶膠粒子在大氣能作為云凝結核或冰核，通過影響云進而可以影響降水形成過程，最終影響氣候。國內外開展了很多關于大氣氣溶膠粒子氣候影響的研究表明，大氣氣溶膠的變化已經影響了降水的形成。（一）、氣溶膠對降水形成的影響大氣氣溶膠粒子對降水形成的影響，表現為對云的形成的影響，從而進一步影響降水。大氣氣溶膠粒子可以通過吸收和散射太陽輻射而直接影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡，即直接輻射氣候效應。另一方面，氣溶膠粒了又可以作為云的凝結核影響云的光學特性、云量以及云的壽命，產生間接效應。1、 促進作用Khain等模擬發(fā)現，增加少量氣溶膠粒子，能使上升氣流增強，促進深對流云的發(fā)展，從而單位面積降水量增加0iovandenHeever等通過觀測2002年7月福羅里達半島氣溶膠異常偏高時的云降水變化，發(fā)現隨著氣溶膠粒子濃度增加，凝結核濃度隨之增加，深對流云強度增強，降水量加大Andreae等對業(yè)馬遜地區(qū)的現場觀測也發(fā)現，當煙塵氣溶膠粒子遇到深對流云時能引起對流強度的明顯增強。大量的觀測、數值模擬和敏感性試驗發(fā)現深對流云對氣溶膠濃度強迫的響應是非線性的，深對流云，氣溶膠粒子增加引起降水增加或減少機制不是在所有的情況下都適用。通過對云降水的觀測和模擬可以看出，深對流云對氣溶膠強迫的響應不僅與所模擬的云有關，而且與氣溶膠的分布、半徑、濃度、組成等特征密切相關。而在另一些研究，研究者有意識地區(qū)分凝結核對深對流云降水的影響。［1］2、 抑制作用“A1brecht效應”，是由人為氣溶膠增加引起粒了半徑的減小命時問發(fā)生變化。另有新近的研究提出一種氣溶膠對云的半直接效應（｝midr二〔teffectoncbud）:吸收性氣溶膠也可以通過云的半自接效應來使地面變暖［3］，在這種效應的作用下，邊界層通過黑碳（Bc）“A1brecht效應”，是由人為氣溶膠增加引起粒了半徑的減小命時問發(fā)生變化。另有新近的研究提出一種氣溶膠對云的半直接效應（｝midr二〔teffectoncbud）:吸收性氣溶膠也可以通過云的半自接效應來使地面變暖［3］，在這種效應的作用下，邊界層通過黑碳（Bc）對太陽輻射的吸收性可以使部分云產生揮發(fā)，同時允許更多的太陽輻射到達地面。從具體機制上來講，某些大氣氣溶膠粒了在大氣過飽和或接近飽和的情況下，可以作為云凝結核或冰核形成降水粒了胚胎。在這個過程中，大氣氣溶膠參與了云過程，同時也問接影響了云的輻射特性。云中水滴或冰晶的形成包括2種機制［4］:自發(fā)核化（同質核化）和異質核化。自發(fā)核化屬于沒有異質核存在時的核化現象。但是由于該過程所要求的環(huán)境條件很苛刻，因此在自然界中白發(fā)核化的發(fā)生十分困難。自然界中由水汽形成的水滴、冰晶，或者由過冷卻水形成的冰晶，主要依賴于異質核化。異質核化過程與云霧形成有關的氣溶膠微粒密切相關。其形成的凝結核和冰核是自然界成云致雨的重要環(huán)節(jié)。研究表明，直徑大于0OSlam的氣溶膠粒了，特別是硫酸鹽粒了，為云滴和冰晶的形成貢獻了大部分凝結核和冰核［5〕。有機氣溶膠也可作為云凝結核與硫酸鹽氣溶膠一樣在云形成過程中發(fā)揮著重要作用［6］鍬民點，.眺■■溉（y（臨立反平肉大苴li.iLki7雕傾歐(&19岑Vi日Tl-li用北1精A#St4W6i4_--UQ56HIS9忡撾晚26J山立琳10-2UI2J(LCI-Qil1沖IQ1091:訕；Ng偵UH47I9S1Q141l-li用北1精45-5-44--3TJVI0iiwllffl例2山立40-15-4-1?5S95Q孵丁aJ6Ilf5261網氓1LI東華北1501DID偵3aoi.;影響云的反照率。早期人們對于氣溶膠對云反照率的影響主要通過輪船航跡研究得到證明的［8］。近年來新的分析表明，氣溶膠的變化改變了云的微物理結構，而云的反照率增大跟云微物理結構的變化有很大關系。Han等［9］通過分析國際衛(wèi)星云氣候學計劃（ISCCP）資料發(fā)現對于所有光學厚度（S）較大的云（S>15），云滴尺寸越小云的反照率會越大，而對于光學厚度較小的云，云滴尺寸越小云的反照率反而會越小。Massie等［10］通過MODIS衛(wèi)星資料和輻射傳輸模式研究認為水云比冰云對云反照率的影響更顯著。Rosenfeld研究表明在污染云中會出現降水并不發(fā)生或是延遲發(fā)生的現象在同樣的區(qū)域，非污染云的云滴增加到20?30Lm并且產生降水。Albrecht［11］的分析結果表明海洋上空氣溶膠增加會減少毛毛雨，觀測結果低云量也有增加。Yun等［12］、Heymsfield等［13］、Pawlowska等［14］的研究也發(fā)現海洋性云中含有較多的降水粒子，而在污染的情況下降水的粒子較少。Yin等［15］利用一個分檔氣溶膠）云模式研究了沙塵氣溶膠作為CCN和IN對云和降水的影響。目前氣溶膠對降水的影響的研究還只限于個例研究，但是在以人為源作為CCN主要源的大陸上，氣溶膠很可能是引起云的降水效率減小的重要因素。氣溶膠影響云的生命時間、云的面積。關于氣溶膠增加引起的云生命時間減少的效應研究較少。Wetzel等［16］指出氣溶膠光學厚度和云的光學厚度有明顯的正相關，也就是說氣溶膠的增加會使云層變厚，從而延長云的生命時間。雖然從理論上認為云的生命時間的增加的可能性，但是目前還并沒有可靠的觀測表明由于第二類間接強迫引起的云的生命時間的增加［17］。（二）、氣溶膠對降水性質的影響大氣中的氣溶膠粒子，在水中表現一定得酸性或堿性，有人指出，大量的人為活動產生的銨根離子以及Hy（SO4）z具有一定的酸性，鈣離子（主要來自于陸地，很少來自于海洋）鎂離子（主要來自于海洋）具有一定的堿性。在降水過程中，雨水對氣溶膠離子的沖刷，使大量的酸性、堿性粒子溶解在水滴中，從而改變與水的酸堿性，大氣中的氣溶膠粒子既有表現酸性的，又有表現堿性的，酸性粒子多余堿性粒子，降水表現為酸性。山東地區(qū)的降水中主要致酸物質是硫酸根離子（主要來自于海洋，而且夏季明顯大于冬季，只有很少一部分來自于陸地）和銨根離子（海陸兼有）7月份主導風為南風或東南風，直接來自黃海和東海方向，大氣氣溶膠粒子為海洋性；1月份主導風為北風或西北風，受渤海灣以及內陸塵埃的影響，東北部大氣氣溶膠粒子為海洋性，其他地區(qū)為大陸性。山東地區(qū)的降水中主要堿性物質鈣離子（絕大多數來自大陸氣溶膠，海洋的影響可忽略），不論夏季或冬季，鈣離子濃度基本不變。結語：大氣中氣溶膠粒子對降水的形成，以及降水的性質都有影響。對降水形成的影響是通過對云影響實現的，表現為促進和抑制；對降水性質影響表現為是否下酸雨。參考文獻：許霖，金蓮姬，覃崢嶸，翟晴飛，大氣氣溶膠粒子影響深對流云降水的國外最新研究進展BreonFM,TanreD,GenerosoS.Aerosoleffectionclouddropletsizemonitoredfromsatellite[J].Science,2002,295:834-838.段蜻，毛節(jié)泰，氣溶膠與云相互作用的研究進展WangPengfe,iLiZihua.TheMicrophysicsofCloud[M].Beijing:ChinaMeteorologicalPress,1989.[王鵬飛,李子華.微觀云物理學[M].北京:氣象出版社，1989]TwomeyS.Pollutionandtheplanetaryalbedo[J].AtmosphericEn-vironment,1974,8:1251-1256.NovakovT,PennerJE.Largecontributionoforganicaerosolstocloud-condensation-nucleiconcentrations[J].Nature,1993,365:823-826.AckermanAS,ToonOB,TaylorJP,etal.Effectsofaerosolsoncloudalbedo:EvaluationofTwomey'sParameterizationofcloudsusceptibilityusingmeasurementsofshiptracks[J].Jour-nalofAtmosphericScience,2000,57:2684-2695.HanQ,RossowWB,ChouJ,etal.Globalsurveyoftherelationshipsofcloudalbedoandliquidwaterpathwithdropletsize260地球科學進展23usingISCCP[J].JournalofClimate,1998,11:1516-1528.MassieST,HeymsfieldA,SchmittC,etal.Aerosolindirecteffectsasafunctionofcloudtoppressure[J].JournalofGeo-physicalResearch,2007,112:1-13.YumSS,HudsonJG.Maritime/continentalmicrophysicalcontrastsinstratus[J].TellusB,2002,54（1）:61-73.HeymsfieldAJ,McFarquharGM.MicrophysicsofINDOEXcleanandpollutedtradecumulusclouds[J].JournalofGeophysi-calResearch,2001,106（D22）:28653-28674.PawlowskaH,BrenguierJL.Theindirecteffectofaerosolsonclimate:Effectofaerosolpropertiesonprecipitationefficiency[14]MTheProceedingsofthe13thInternationalConferenceonCloudsandPrecipitation.Reno,2000.YinY,ChenL.Theeffectsofheatingbytransporteddustlayersoncloudandprecipitation:Anumericalstudy[J].AtmosphericChemistryandPhysics,2007,7:3497-3505.WetzelM,StoweLL.Satellite-observedpatternsintherelationshipofaerosolopticalthickness