气溶胶对降水形成与降水性质的影响

——以山东为例

摘要： 山东地处中国东部沿海，是典型的深受海洋影响的暖温带大陆性季风气候。胶东半岛受海洋的影响，大气中气溶胶粒子胶有明显的海洋特征，而山东内陆地区大气气溶胶粒子具有明显的大陆特征。这也就形成了山东地区的大气中气溶胶粒子胶既有大陆性又有海洋性。在降水的形成和沉降过程中，大气气溶胶粒子起着十分重要的作用，同样对降水的性质也有举足轻重的影响。

关键词：气溶胶粒子 降水

大气气溶胶粒子是指悬浮在大气的液态或固态颗粒。气溶胶粒子在大气能作为云凝结核或冰核，通过影响云进而可以影响降水形成过程，最终影响气候。国内外开展了很多关于大气气溶胶粒子气候影响的研究表明，大气气溶胶的变化已经影响了降水的形成。

（一）、气溶胶对降水形成的影响

大气气溶胶粒子对降水形成的影响，表现为对云的形成的影响，从而进一步影响降水。大气气溶胶粒子可以通过吸收和散射太阳辐射而直接影响地气系统的辐射平衡，即直接辐射气候效应。另一方面，气溶胶粒了又可以作为云的凝结核影响云的光学特性、云量以及云的寿命，产生间接效应。

1、促进作用

Khain等模拟发现，增加少量气溶胶粒子，能使上升气流增强，促进深对流云的发展，从而单位面积降水量增加0io van den H eever等通过观测2002年7月福罗里达半岛气溶胶异常偏高时的云降水变化，发现随着气溶胶粒子浓度增加，凝结核浓度随之增加，深对流云强度增强，降水量加大And reae等对业马逊地区的现场观测也发现，当烟尘气溶胶粒子遇到深对流云时能引起对流强度的明显增强。大量的观测、数值模拟和敏感性试验发现深对流云对气溶胶浓度强迫的响应是非线性的，深对流云，气溶胶粒子增加引起降水增加或减少机制不是在所有的情况下都适用。通过对云降水的观测和模拟可以看出，深对流云对气溶胶强迫的响应不仅与所模拟的云有关，而且与气溶胶的分布、半径、浓度、组成等特征密切相关。而在另一些研究，研究者有意识地区分凝结核对深对流云降水的影响。[1]

2、抑制作用

气溶胶的间接辐射强迫作用表现为气溶胶与云的相互作用，具体来讲就是气溶胶可以通过参与云中的微物理过程来改变云的物理特征，从而改变其辐射特性。通过近些年的研究，这种间接辐射强迫主要可以描述为两类间接效应[2](图1}。第一类间接效应也称Tw ey效应，指气溶胶增加使

云云中云滴数量增加，减少

气云云滴数目 的云粒了半径，从而增加云

降云的面积、云溶凝云滴半径 反的反照率(它依赖于气溶

水 的生命时间 胶 结 照胶的吸收特性和光学厚

核 率 度);第二类间接效应也称

为“云的生命期效应”或

“A 1b rech t效应”，是由人为气溶胶增加引起粒了半径的减小，从而抑制降水，使云的生命时问发生变化。另有新近的研究提出一种气溶胶对云的半直接效应(}m id r二〔t effect on cbud):吸收性气溶胶也可以通过云的半自接效应来使地面变暖[3]，在这种效应的作用下，边界层通过黑碳( Bc)对太阳辐射的吸收性可以使部分云产生挥发，同时允许更多的太阳辐射到达地面。

从具体机制上来讲，某些大气气溶胶粒了在大气过饱和或接近饱和的情况下，可以作为云凝结核或冰核形成降水粒了胚胎。在这个过程中，大气气溶胶参与了云过程，同时也问接影响了云的辐射特性。

云中水滴或冰晶的形成包括2种机制[4]:自发核化(同质核化)和异质核化。自发核化属于没有异质核存在时的核化现象。但是由于该过程所要求的环境条件很苛刻，因此在自然界中白发核化的发生十分困难。自然界中由水汽形成的水滴、冰晶，或者由过冷却水形成的冰晶，主要依赖于异质核化。异质核化过程与云雾形成有关的气溶胶微粒密切相关。其形成的凝结核和冰核是自然界成云致雨的重要环节。研究表明，直径大于0 OS lam的气溶胶粒了，特别是硫酸盐粒了，为云滴和冰晶的形成贡献了大部分凝结核和冰核[5〕。有机气溶胶也可作为云凝结核与硫酸盐气溶胶一样在云形成过程中发挥着重要作用[6]

影响云的反照率。早期人们对于气溶胶对云反照率的影响主要通过轮船航迹研究得到证明的[8]。近年来新的分析表明,气溶胶的变化改变了云的微物理结构,而云的反照率增大跟云微物理结构的变化有很大关系。Han等[9]通过分析国际卫星云气候学计划(ISCCP)资料发现对于所有光学厚度(S)较大的云(S>15),云滴尺寸越小云的反照率会越大,而对于光学厚度较小的云,云滴尺寸越小云的反照率反而会越小。Massie等[10]通过MODIS卫星资料和辐射传输模式研究认为水云比冰云对云反照率的影响更显著。

Rosenfeld研究表明在污染云中会出现降水并不发生或是延迟发生的现象;在同样的区域,非污染云的云滴增加到20~30Lm并且产生降水。Albrecht[11]的分析结果表明海洋上空气溶胶增加会减少毛毛雨,观测结果低云量也有增加。Yun等[12]、Heymsfield等[13]、Pawlowska等[14]的研究也发现海洋性云中含有较多的降水粒子,而在污染的情况下降水的粒子较少。Yin等[15]利用一个分档气溶胶)云模式研究了沙尘气溶胶作为CCN和IN对云和降水的影响。目前气溶胶对降水的影响的研究还只限于个例研究,但是在以人为源作为CCN主要源的大陆上,气溶胶很可能是引起云的降水效率减小的重要因素。

气溶胶影响云的生命时间、云的面积。关于气溶胶增加引起的云生命时间减少的效应研究较少。Wetzel等[16]指出气溶胶光学厚度和云的光学厚度有明显的正相关,也就是说气溶胶的增加会使云层变厚,从而延长云的生命时间。虽然从理论上认为云的生命时间的增加的可能性,但是目前还并没有可靠的观测表明由于第二类间接强迫引起的云的生命时间的增加[17]。 （二）、气溶胶对降水性质的影响

大气中的气溶胶粒子，在水中表现一定得酸性或碱性，有人指出，大量的人为活动产生的铵根离子以及Hy(SO4)z具有一定的酸性，钙离子（主要来自于陆地，很少来自于海洋）、镁离子（主要来自于海洋）具有一定的碱性。在降水过程中，雨水对气溶胶离子的冲刷，使大量的酸性、碱性粒子溶解在水滴中，从而改变与水的酸碱性，大气中的气溶胶粒子既有表现酸性的，又有表现碱性的，酸性粒子多余碱性粒子，降水表现为酸性。 山东地区的降水中主要致酸物质是硫酸根离子（主要来自于海洋，而且夏季明显大于冬季，

只有很少一部分来自于陆地）和铵根离子（海陆兼有）， 7月份主导风为南风或东南风，直接来自黄海和东海方向，大气气溶胶粒子为海洋性；1月份主导风为北风或西北风，受渤海湾以及内陆尘埃的影响，东北部大气气溶胶粒子为海洋性，其他地区为大陆性。山东地区的降水中主要碱性物质钙离子（绝大多数来自大陆气溶胶，海洋的影响可忽略），不论夏季或冬季，钙离子浓度基本不变。

结语：

大气中气溶胶粒子对降水的形成，以及降水的性质都有影响。对降水形成的影响是通过对云影响实现的，表现为促进和抑制；对降水性质影响表现为是否下酸雨。

参考文献：

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王乐、王家欣