石睿 王體健 李樹(shù) 莊炳亮 蔣自強(qiáng) 廖鏡彪 殷長(zhǎng)秦

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東亞夏季氣溶膠—云—降水分布特征及其相互影響的資料分析

石睿 王體健 李樹(shù) 莊炳亮 蔣自強(qiáng) 廖鏡彪 殷長(zhǎng)秦

南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京210093

東亞季風(fēng)氣候受到自然因素和人類活動(dòng)的共同影響，而人類活動(dòng)因子中氣溶膠的作用尤為關(guān)鍵，采用診斷分析的手段研究東亞地區(qū)氣溶膠的特征及其與云和降水的相互關(guān)系具有重要的科學(xué)意義。本文利用MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）氣溶膠和云資料以及TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）降水?dāng)?shù)據(jù)，分析了東亞夏季氣溶膠、云、降水的時(shí)空分布特征，研究了氣溶膠與云和降水的相互關(guān)系。結(jié)果表明：中國(guó)四個(gè)典型地區(qū)（珠三角、長(zhǎng)三角、四川盆地、京津唐）2001～2011年夏季（6～8月）平均氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）變化范圍為0.40～0.68，云光學(xué)厚度平均值為18.7～23.6，水云云滴有效粒子半徑在20.2～25.6 μm，冰云有效粒子半徑在12.9～15.3 μm，云水路徑為222.2～243.8 gm?2，降水強(qiáng)度平均值3.6～8.6 mm d?1；珠三角氣溶膠光學(xué)厚度有顯著降低趨勢(shì)，年傾向?yàn)椋?.31%，四川盆地云滴有效粒子半徑（冰云、水云）和云水路徑年變化趨勢(shì)為－0.42%、－0.49%和－1.26%，京津唐夏季降水量年增幅為3.24%。氣溶膠光學(xué)厚度和云光學(xué)厚度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大為0.77；在相對(duì)濕度較低（30%～50%）情況下，氣溶膠光學(xué)厚度與云滴有效粒子半徑呈負(fù)相關(guān)；氣溶膠光學(xué)厚度與云水路徑呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大為0.92；相對(duì)于低污染情況（AOD＜0.5），高污染情況（AOD＞0.5）下出現(xiàn)大雨（＞10 mm d?1）的頻率增加了6.6%～19.1%，小雨（＜1 mm d?1）的頻率減少了0.72%～7.3%。在水汽含量較少的情況下，氣溶膠的增加導(dǎo)致云滴有效粒子半徑的減少；氣溶膠增強(qiáng)了南方地區(qū)的對(duì)流性降水，抑制了北方地區(qū)層云降水。

氣溶膠 云 降水 衛(wèi)星資料

1 引言

氣溶膠是大氣中懸浮的直徑0.001～10微米的固態(tài)或液態(tài)顆粒的總稱。大氣中氣溶膠主要來(lái)源分為兩類，一類是自然源，包括火山噴發(fā)、沙塵、海水濺沫和生物排放等；另一類是人為源，包括各種生產(chǎn)和生活活動(dòng)，如化石燃料的燃燒、金屬的冶煉等，除了直接向大氣中排放的粒子之外，還包括有NO和SO2通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成的二次氣溶膠。氣溶膠對(duì)氣候有著重要的影響：一方面，其能夠改變大氣反照率；另一方面，其作為云凝結(jié)核改變了云的反照率和降水效率、增加了云的壽命；此外，吸收性氣溶膠加熱大氣會(huì)導(dǎo)致云中水汽蒸發(fā)等（IPCC，2007）。

國(guó)內(nèi)對(duì)氣溶膠的氣候效應(yīng)模式研究較多（Li et al., 2009；Wang et al., 2010；Zhuang et al., 2010, 2011, 2013），氣溶膠—云—降水的關(guān)系研究方法主要包括觀測(cè)資料分析和模式模擬。觀測(cè)資料來(lái)源包括地面觀測(cè)、飛機(jī)采樣和衛(wèi)星遙感，Li et al.（2011）利用美國(guó)南部大平原的長(zhǎng)期觀察資料，研究了氣溶膠對(duì)云的垂直運(yùn)動(dòng)和降水的影響，提出了在液水路徑較高的情況下，氣溶膠數(shù)濃度的升高增加了降水，在液水路徑低的情況下則抑制降水。黃夢(mèng)宇等（2005）利用機(jī)載粒子探測(cè)系統(tǒng)（PMS）探討了氣溶膠對(duì)云的影響，結(jié)果表明云下氣溶膠數(shù)濃度與云滴數(shù)濃度之間存正相關(guān)關(guān)系。馬月和薛惠文（2012）利用CloudSat和MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）數(shù)據(jù)研究了氣溶膠對(duì)層積云的影響，在云中液水路徑一定的情況下，氣溶膠增加可以使得云滴尺度減小。Zhao et al.（2006）利用MODIS數(shù)據(jù)和臺(tái)站降水資料，分析指出氣溶膠增多是導(dǎo)致中國(guó)東部降水減少的原因。Lee et al. （2008）利用WRF模式模擬研究表明在氣溶膠濃度較高時(shí)，由于強(qiáng)烈的輻合抬升作用，深對(duì)流降水增加。岳治國(guó)等（2011）則得到不同的結(jié)果，氣溶膠的增加造成了大雨、中雨和小雨的降水量均減少。

氣溶膠對(duì)云、降水的影響受到了水汽條件、云頂溫度和云中垂直速度等氣象條件的影響，三者之間相互關(guān)系較為復(fù)雜（段婧和毛節(jié)泰，2008；郭學(xué)良等，2013）。國(guó)內(nèi)對(duì)氣溶膠—云—降水的研究主要集中于模式模擬和地基資料的分析，對(duì)三者大范圍的時(shí)空分布和相互關(guān)系關(guān)注較少。本文利用多種衛(wèi)星產(chǎn)品長(zhǎng)期觀測(cè)資料，分析氣溶膠、云、降水的時(shí)空分布特征，研究氣溶膠—云相互影響，探討氣溶膠增加對(duì)夏季降水的影響。

2 資料與方法

為了研究氣溶膠—云—降水的時(shí)空分布特征及其相互影響，本文選取2001～2011年夏季（6～8月）的資料包括：

（1）中分辨率成像光譜儀（MODIS）是搭載于Terra/Aqua衛(wèi)星上的光學(xué)遙感儀器，提供了從可見(jiàn)光波段（0.4 μm）到中紅外波段（14 μm）的全球觀測(cè)資料，包括氣溶膠、云、海洋和陸地等特征的高分辨率信息。本文采用的是Terra衛(wèi)星的大氣三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括月平均和日平均全球氣溶膠光學(xué)厚度資料（AOD），云光學(xué)厚度資料（COD），云滴有效粒子半徑資料（CER），云水路徑資料（CWP），云頂溫度資料（CTT），水平分辨率為1°×1°（Kaufman et al., 1997）；

（2）熱帶降水測(cè)量計(jì)劃TRMM是美國(guó)和日本合作的降水測(cè)量計(jì)劃，其搭載的PR降水雷達(dá)可以提供50°S～50°N范圍內(nèi)的降水信息。本文采用了3B43數(shù)據(jù)集的月平均和3B42數(shù)據(jù)集的日平均降水資料產(chǎn)品，水平分辨率為0.25°×0.25°；

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溶膠—云—降水的分布特征

3.1.1 氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布

氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布在過(guò)去的十年中有著顯著的變化，2001～2011年夏季平均氣溶膠光學(xué)厚度分布情況如圖1a所示。氣溶膠光學(xué)厚度高值主要集中于長(zhǎng)三角地區(qū)（包括江蘇省、浙江省和上海市）、珠三角區(qū)域（主要是廣東?。?、京津唐工業(yè)區(qū)（包括北京市、天津市和唐山市）和四川盆 地（主要是四川?。┑葏^(qū)域，氣溶膠光學(xué)厚度最 大值在0.6～0.8的范圍；低值區(qū)主要位于青藏高原上，范圍較小，新疆地區(qū)由于處于沙漠或半荒漠地帶，目前的反演方法無(wú)法得到可見(jiàn)光波段下高亮度地表的氣溶膠光學(xué)厚度，大部分地區(qū)為未獲得數(shù)據(jù)的區(qū)域。

為了研究四個(gè)典型區(qū)域夏季光學(xué)厚度的年變化，本文給出了氣溶膠光學(xué)厚度2001～2011年夏季的變化特征，數(shù)據(jù)取自圖中區(qū)域的平均值（圖1b）。長(zhǎng)三角地區(qū)和京津唐工業(yè)區(qū)夏季氣溶膠光學(xué)厚度的年平均值較為接近，分別為0.68和0.61，珠三角區(qū)域和四川盆地年平均值相對(duì)較小，分別為0.40和0.45。長(zhǎng)三角地區(qū)、京津唐工業(yè)區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度有上升的趨勢(shì)，年增幅分別為1.44%和0.59%（見(jiàn)表1），主要可能是因?yàn)閮傻厝藶闅馊苣z排放在近十年呈上升的趨勢(shì)（張強(qiáng)等，2012）；珠三 角區(qū)域近十年來(lái)氣溶膠有顯著降低的趨勢(shì)，年降幅為3.31%；四川盆地氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢(shì)不明顯。

表1 四個(gè)區(qū)域夏季氣溶膠—云—降水變化趨勢(shì)*

*加粗字體表示通過(guò)95%信度相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)

本文得到的氣溶膠光學(xué)厚度年際變化趨勢(shì)與其他結(jié)果類似。表2中基于MODIS的結(jié)果較為接近，長(zhǎng)三角地區(qū)夏季氣溶膠光學(xué)厚度在0.48～0.90之間，四川盆地氣溶膠光學(xué)厚度變化范圍為0.42～0.64，京津唐工業(yè)區(qū)和珠三角區(qū)域的結(jié)果相對(duì)于關(guān)佳欣和李成才（2009）的研究結(jié)果偏低。四個(gè)典型區(qū)域中除珠三角區(qū)域外，其余區(qū)域2001～2011年均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，與其他研究結(jié)果（宗雪梅等，2005；秦世廣等，2010；白淑英等, 2012）相似。珠三角區(qū)域的變化特征可能是因?yàn)楸疚倪x取的區(qū)域較大造成的；同時(shí)在2007年以后，珠三角區(qū)域夏季氣溶膠有明顯下降趨勢(shì)。

表2 夏季氣溶膠光學(xué)厚度的對(duì)比

3.1.2 云微物理參數(shù)時(shí)空分布

云微物理參數(shù)主要包括云的光學(xué)厚度、云滴有效粒子半徑、云的液水路徑和云頂溫度等，本文選取了前三個(gè)參數(shù)，其中云滴有效粒子半徑分為冰云和水云兩種，在不同的相態(tài)下，這兩種參數(shù)有著一定的差異，本文分別進(jìn)行了分析，主要結(jié)果分別見(jiàn)圖2到圖4。中部地區(qū)云的光學(xué)厚度明顯高于其他區(qū)域（圖 2a），其中在四川盆地和陜西南部比周圍平均高出約15%以上，分布情況與四川、陜西平原分布非常接近。四川盆地區(qū)域由于地形的原因，內(nèi)部的風(fēng)速較小，水平擴(kuò)散相對(duì)較弱，氣溶膠集中于盆地內(nèi)部，同時(shí)濕度較大，導(dǎo)致四川盆地常年為云覆蓋，云的光學(xué)厚度明顯較高。四川盆地夏季云光學(xué)厚度年平均達(dá)到24以上，新疆大部地區(qū)夏季年平均云光學(xué)厚度在9～12之間，相對(duì)于大陸上其他區(qū)域較??；海洋上云光學(xué)厚度小于陸地，原因可能是海洋上云凝結(jié)核濃度較低。選取的四個(gè)區(qū)域夏季云光學(xué)厚度的年際變化如圖2b所示，其中四川盆地年平均云光學(xué)厚度相對(duì)最高，達(dá)到了23.4，長(zhǎng)三角地區(qū)與京津唐工業(yè)區(qū)云光學(xué)厚度近似，年平均值分別為18.9和19.0，珠三角區(qū)域云光學(xué)厚度最低，年平均值在18.4。總體上云的光學(xué)厚度都呈降低的趨勢(shì)，珠三角區(qū)域降幅最大，年降幅為－2.22%（表1）。

圖1 夏季MODIS氣溶膠光學(xué)厚度的分布:（a）2001～2011年平均;（b）長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角區(qū)域、京津唐工業(yè)區(qū)和四川盆地的年際變化

圖2 同圖1，但為云光學(xué)厚度

冰云的云滴有效粒子半徑分布特征如圖3a所示，四川盆地的數(shù)值明顯低于其他區(qū)域，有效粒子半徑在22 μm左右，東北地區(qū)和海洋上的有效粒子半徑相對(duì)較高，最大值在28 μm左右。圖3b給出了四個(gè)典型區(qū)域年均值的變化，可以觀察到長(zhǎng)三角地區(qū)、京津唐工業(yè)區(qū)有微弱的上升趨勢(shì)，珠三角區(qū)域和四川盆地有降低的趨勢(shì)。其中京津唐工業(yè)區(qū)數(shù)值最高，年均值在25.5 μm，四川盆地?cái)?shù)值最低，年均值在21.7 μm，長(zhǎng)三角地區(qū)和珠三角區(qū)域的年均值分別為24.7 μm和24.5 μm。

圖3 夏季MODIS（a、b）冰云和（c、d）水云云滴有效粒子半徑的分布：2001～2011年平均（左列）；（b、d）長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角區(qū)域、京津唐工業(yè)區(qū)和四川盆地的年際變化（右列）

水云的云滴有效粒子半徑分布特征如圖3c所示，四川盆地的數(shù)值明顯低于其他區(qū)域，有效粒子半徑在12 μm左右，其他區(qū)域云滴有效粒子半徑由南向北呈增加趨勢(shì)，最大值在18 μm以上。四個(gè)典型區(qū)域中京津唐工業(yè)區(qū)有微弱的上升趨勢(shì)，長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角區(qū)域和四川盆地均有降低的趨勢(shì)（圖3d）。其中珠三角區(qū)域數(shù)值最高，年均值在15.3 μm，四川盆地?cái)?shù)值最低，年均值在12.9 μm，長(zhǎng)三角地區(qū)和京津唐工業(yè)區(qū)的年均值分別為13.7 μm和12.7 μm。

水云的云滴有效粒子半徑均呈減小的趨勢(shì)，而冰云則有部分呈增加的趨勢(shì)（表1），其中四川盆地區(qū)域冰云和水云的云滴有效粒子半徑均有顯著的減小，年降幅為0.42%和0.49%。

云水路徑是衡量云層含水量的參數(shù)，2001～2011年夏季云水路徑的年平均分布情況如圖4a所示，高值區(qū)主要集中于我國(guó)的中部地區(qū)，其中最大值達(dá)到了300 gm?2，低值區(qū)主要集中在新疆東南部，平均值在125～150 g m?2左右。四川盆地年均值最大，達(dá)到了242.2 g m?2，珠三角區(qū)域年平均值在237.4 g m?2，長(zhǎng)三角地區(qū)和京津唐工業(yè)區(qū)的年均值分別為228.4 g m?2和218.6 g m?2。圖4 b給出了四個(gè)區(qū)域的分布情況，可以看出，這四個(gè)區(qū)域的云的液態(tài)水路徑近年來(lái)均呈降低的趨勢(shì)，其中四川盆地最為顯著，年變化為－1.26%（表1）。

圖4 同圖1，但為云水路徑

圖5 同圖1，但為TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）降水率

圖6 四個(gè)區(qū)域（長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角區(qū)域、京津唐工業(yè)區(qū)和四川盆地）MODIS氣溶膠光學(xué)厚度與云光學(xué)厚度相關(guān)性（N代表樣本量）

3.1.3 降水時(shí)空分布

我國(guó)降水的分布總體呈現(xiàn)由東南沿海向西北內(nèi)陸遞減的趨勢(shì)，圖5a是2001～2011年夏季平均降水的空間分布，高值區(qū)主要集中于我國(guó)華南地區(qū)，夏季降水強(qiáng)度可以達(dá)到6 mm d?1，低值區(qū)主要集中于新疆地區(qū)，夏季降水強(qiáng)度小于1 mm d?1。四個(gè)典型區(qū)域降水的年變化如圖5b所示，其中珠三角區(qū)域年平均降水最大，平均為8.6 mm d?1，京津唐工業(yè)區(qū)年平均降水最小，平均為3.6 mm d?1，長(zhǎng)三角地區(qū)和四川盆地年平均降水分別為6.3 mm d?1和5.4 mm d?1。從夏季降水的年際變化可以發(fā)現(xiàn)（表1），京津唐工業(yè)區(qū)夏季降水有顯著增加的趨勢(shì)，年增幅為3.24%。

3.2 氣溶膠—云—降水的相互影響

氣溶膠對(duì)云和降水的影響主要包括兩種間接效應(yīng)（Bréon et al., 2002），其中第一間接效應(yīng)（Twomey et al., 1997）增加了云中的凝結(jié)核，云滴有效粒子半徑的減小造成了云光學(xué)厚度的增加；第二間接效應(yīng)（Albrecht，1989）造成云滴有效粒子半徑減小，進(jìn)而抑制降水，延長(zhǎng)了云的生命史。

為了減小天氣系統(tǒng)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)缺失的影響，本文將氣溶膠光學(xué)厚度的間隔在0.1以內(nèi)的劃分為一檔，通過(guò)分析在不同氣溶膠光學(xué)厚度下的云微物理參數(shù)的分布，研究了氣溶膠光學(xué)厚度與云光學(xué)厚度、云滴有效粒子半徑、云水路徑、云頂溫度以及降水的關(guān)系。

3.2.1 氣溶膠與云光學(xué)厚度

氣溶膠粒子作為云凝結(jié)核的主要來(lái)源，影響云的形成，云凝結(jié)核濃度伴隨著氣溶膠粒子濃度的增加而增大，所以云光學(xué)厚度受到氣溶膠光學(xué)厚度的影響。

不同氣溶膠光學(xué)厚度條件下，四個(gè)典型區(qū)域云光學(xué)厚度的變化有明顯的差異（圖6）。長(zhǎng)三角地區(qū)和京津唐工業(yè)區(qū)，氣溶膠光學(xué)厚度增大時(shí)，云光學(xué)厚度顯著增加（分別通過(guò)99%和95%的置信度檢驗(yàn)）；珠三角區(qū)域和前面兩個(gè)區(qū)域有相同的變化趨勢(shì)，但是未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；而在四川盆地，云光學(xué)厚度和氣溶膠光學(xué)厚度呈負(fù)相關(guān)。

3.2.2 氣溶膠與云滴有效粒子半徑

氣溶膠和云滴有效粒子半徑相互關(guān)系在云量較多或者較少的情況下差異較大，在云量較多時(shí)，無(wú)法獲取氣溶膠光學(xué)厚度的資料，在云量較少時(shí)，氣溶膠對(duì)云的影響變化很大。在研究氣溶膠和云滴有效粒子半徑的相互影響時(shí)，選取了云量在兩成至八成之間的氣溶膠和云滴有效粒子半徑數(shù)據(jù)，圖7 a–d給出了四個(gè)典型區(qū)域冰云和水云的云滴有效粒子半徑隨氣溶膠光學(xué)厚度的變化。氣溶膠光學(xué)厚度增加，長(zhǎng)三角地區(qū)、京津唐工業(yè)區(qū)和四川盆地水云云滴有效粒子半徑增加，珠三角區(qū)域無(wú)明顯變化；冰云的云滴有效粒子半徑有較大差異，長(zhǎng)三角地區(qū)和珠三角區(qū)域冰云有效粒子半徑與氣溶膠呈負(fù)相關(guān)。在氣溶膠光學(xué)厚度相同的情況下，冰云的云滴有效粒子半徑高于水云，負(fù)相關(guān)也更明顯。氣溶膠光學(xué)厚度受數(shù)濃度、化學(xué)組分和消光系數(shù)的影響，在氣溶膠光學(xué)厚度增加時(shí)，數(shù)濃度不一定隨之線性增加；另一方面，云滴有效粒子半徑受到的影響相對(duì)較為復(fù)雜，水汽、云底高度等差異較大，故而氣溶膠和云滴有效粒子例子半徑的相關(guān)性在不同區(qū)域差異較大。

圖7 四個(gè)區(qū)域MODIS氣溶膠與云滴有效粒子半徑的相互作用：（a）長(zhǎng)三角地區(qū)；（b）京津唐工業(yè)區(qū)；（c）四川盆地；（d）珠三角區(qū)域

在不同的云頂溫度下，云滴有效粒子半徑的變化反映了云微物理過(guò)程的差異（Rosenfeld and Lensky，1998）。海洋性云在溫度大于－10°C的情況下就開(kāi)始凝結(jié)成冰核，而大陸性云在－15°C至－20°C才開(kāi)始凝結(jié)。圖8a–d顯示了在不同氣溶膠濃度下，四個(gè)區(qū)域的云滴有效粒子半徑隨云頂溫度的變化，其中虛線代表了14 μm的降水的分界 線，即在此以上云滴易形成降水（Rosenfeld and Cutman，1994）。

圖8 四個(gè)區(qū)域云南有效粒子半徑與云頂溫度影響的相互作用：（a）長(zhǎng)三角地區(qū)；（b）京津唐工業(yè)區(qū)；（c）四川盆地；（d）珠三角區(qū)域

在氣溶膠濃度較低的情況下（AOD＜0.25），京津唐工業(yè)區(qū)和四川盆地平均云滴有效粒子半徑的增長(zhǎng)較慢，并且在溫度－10～0°C時(shí)才超過(guò)了14 μm的降水分界線；長(zhǎng)三角地區(qū)（圖8a）和珠三角區(qū)域（圖8d）的變化特征有明顯差異，云滴有效粒子半徑在0～10°C以上就超過(guò)了分界線。夏季云頂溫度明顯較高，長(zhǎng)三角地區(qū)和珠三角區(qū)域符合海洋性云的特征，京津唐工業(yè)區(qū)（圖8b）和四川盆地（圖8c）則為大陸性云。氣溶膠濃度的增加導(dǎo)致云滴有效粒子半徑的變化有了明顯的差異，在大陸性云中形成明顯的混合相區(qū)域，云滴迅速轉(zhuǎn)為冰核，形成降水；在海洋性云中則沒(méi)有觀察到這個(gè)現(xiàn)象。在氣溶膠濃度較大時(shí)，海洋性云的云頂溫度明顯低于大陸性云，云滴有效粒子半徑也較大，氣溶膠濃度的增加導(dǎo)致了海洋性云對(duì)流活動(dòng)更加旺盛。在云頂溫度較高的情況下，云滴有效粒子半徑隨著氣溶膠光學(xué)厚度的增加而增加，而在冰相區(qū)域，則隨著氣溶膠光學(xué)厚度的增加而減少。四個(gè)典型區(qū)域中，京津唐工業(yè)區(qū)氣溶膠濃度高，水汽相對(duì)較少，珠三角區(qū)域水汽充足，氣溶膠濃度相對(duì)較低。在冰相區(qū)域，氣溶膠第一間接效應(yīng)顯著，氣溶膠的增加伴隨著云滴有效粒子半徑的減少，而在液相區(qū)域氣溶膠對(duì)云滴有效粒子半徑的影響相對(duì)復(fù)雜。

3.2.3 氣溶膠與云水路徑

云水路徑受溫度、濕度的影響較大，目前對(duì)氣溶膠對(duì)云水路徑的影響研究結(jié)果差異很大。Ackerman et al.（2004）利用流體動(dòng)力學(xué)模式模擬研究的結(jié)果表明氣溶膠濃度增加不一定使云水路徑增加，還取決于濕度廓線的分布情況。

四個(gè)典型區(qū)域的統(tǒng)計(jì)研究的結(jié)果顯示，除四川盆地外，云水路徑隨著氣溶膠光學(xué)厚度的增加而增大（圖9）。氣溶膠光學(xué)厚度增加，長(zhǎng)三角地區(qū)云水路徑迅速增加，增加趨勢(shì)通過(guò)99%的信度檢驗(yàn)；京津唐工業(yè)區(qū)和珠三角區(qū)域增加趨勢(shì)不顯著；而四川盆地云水路徑顯著減少。

3.2.4 氣溶膠與降水

氣溶膠與降水的相互影響較為復(fù)雜，一方面氣溶膠數(shù)濃度的增加可能降低云滴有效粒子半徑，推遲或者抑制降水；另一方面降水是氣溶膠粒子濕清除的主要方式。

在高污染的情況下（AOD＞0.5），大雨（＞10 mm d?1）發(fā)生率的明顯高于低污染的情況（AOD＜0.5），珠三角區(qū)域的大雨發(fā)生率增加最多，為19.1%，四川盆地增加了6.6%，相對(duì)其他區(qū)域較小，長(zhǎng)三角地區(qū)和京津唐工業(yè)區(qū)分別增加了10.5%和14.3%；同時(shí)，高污染的條件下小雨（＜1 mm d?1）的頻率要低于低污染的情況，京津唐工業(yè)區(qū)變化最大，降低了7.3%，長(zhǎng)三角地區(qū)最小，為0.7%，珠三角區(qū)域和四川盆地分別為1.8%和1.9%。在高污染情況下，北方小雨發(fā)生率明顯降低（圖10），這與Niu and Li（2012）利用CALIPSO衛(wèi)星資料得到的結(jié)果類似。氣溶膠光學(xué)厚度的增加，抑制了北方夏季小雨的發(fā)生，而更容易形成對(duì)流性降水，大雨發(fā)生率明顯提高。

圖9 四個(gè)區(qū)域（長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角區(qū)域、京津唐工業(yè)區(qū)和四川盆地）MODIS氣溶膠與云水路徑的相關(guān)性（N代表樣本量）

圖10 四個(gè)區(qū)域（長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角區(qū)域、京津唐工業(yè)區(qū)和四川盆地）不同氣溶膠條件下的降水率。a: AOD＜0.5；b: AOD＞0.5

4 結(jié)論與討論

本文主要利用多源衛(wèi)星2001～2011年夏季的月平均和日平均資料，分析了氣溶膠—云—降水的時(shí)空分布特征，以及氣溶膠與云微物理特征量和降水的相互關(guān)系。結(jié)果表明：

（1）我國(guó)夏季氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)主要集中在長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角區(qū)域、京津唐工業(yè)區(qū)和四川盆地，其中長(zhǎng)三角地區(qū)平均值最大。近十年氣溶膠光學(xué)厚度在南方顯著降低，北方略有上升；四川盆地的云滴有效粒子半徑和云水路徑顯著降低；北方降水顯著增加；

（2）氣溶膠對(duì)云物理特征有明顯影響，氣溶膠光學(xué)厚度和云光學(xué)厚度、云水路徑呈正相關(guān)，與云滴有效粒子半徑關(guān)系較為復(fù)雜，在水汽含量較低的情況下氣溶膠光學(xué)厚度和云滴有效粒子半徑呈負(fù)相關(guān)；

（3）氣溶膠和降水的關(guān)系復(fù)雜，氣溶膠可能增強(qiáng)了南方對(duì)流性降水，抑制了北方的層云降水。

本文在分析時(shí)未考慮層狀云和對(duì)流云等不同類型的差異，可能是部分云微物理參數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度相關(guān)系數(shù)差異較大的原因。同樣，在研究氣溶膠對(duì)降水的影響時(shí)也只是考慮了降水率的差異，并未對(duì)降水類型進(jìn)行細(xì)分，在今后的研究中將進(jìn)一步進(jìn)行分析討論。

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The Spatial and Temporal Characteristics of Aerosol?Cloud?Precipitation Interactions during Summer in East Asia

SHI Rui, WANG Tijian, LI Shu, ZHUANG Bingliang, JIANG Ziqiang, LIAO Jingbiao, and YIN Changqin

,210093

Aerosol–cloud–precipitation has an effect on the East Asian summer monsoon, and it is of great importance to analyze the relation amongst them. In this study, we use aerosol optical depth and cloud data from MODIS on board the Terra satellite and precipitation data from TRMM to study spatial and temporal characteristics of aerosol–cloud–precipitation interactions (ACPI). We also analyze ACPI with statistical methods. The aerosol optical depth ranges from 0.4 to 0.68 with an obvious decreasing trend in Pearl River Delta. The highest annual cloud optical depth is 23.6 and lowest 18.7. The cloud drop effective radius is ranges from 20.2 to 25.6 μm for ice clouds and 12.9 to 15.3 μm for liquid clouds. Cloud water paths range from 222.2 to 243.3 g m?2. The precipitation rate was 3.6 to 8.6 mm d?1. Aerosol optical depth was positively correlated with cloud optical depth (the highest, 0.77, was observed in Yangtze River Delta) and changes the cloud drop effective radius. Aerosol optical depth also has a positive correlation with cloud water path (the highest 0.92 in YRD). Heavy rains occur much more frequently under heavily-polluted conditions than lightly-polluted conditions and light rains show the opposite trend. The composition and vertical distribution of aerosols have an important effect on ACPI and need more research.

Aerosol, Cloud, Precipitation, Satellite data

1006–9895(2015)01–0012–11

P426

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1404.13276

2013?10?09；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2014?04?21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2011CB403406、2014CB441203，國(guó)家人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目J1103410

石睿，男，1989年出生，碩士研究生，主要從事氣溶膠—云—輻射和東亞季風(fēng)相互影響的資料研究。E-mail: shirui23@126.com

王體健，E-mail: tjwang@nju.edu.cn