姚秀萍 , 袁 成 , 馬嘉理,4 , 黃逸飛

（1. 中國(guó)氣象局干部培訓(xùn)學(xué)院, 北京 100081；2. 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院, 南京 210044；3. 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049）

引言

青藏高原是世界上最年輕的高原，平均海拔超過(guò)4000 m，被人們稱為“世界屋脊”，又因其氣候條件等因素而被稱為“世界第三極”。青藏高原在整個(gè)亞洲乃至全球的氣候系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)中扮演著重要地位，關(guān)系到超過(guò)14億人的水資源供給，因此青藏高原也被稱為“亞洲水塔”。青藏高原占地面積大而地形復(fù)雜，夏季的青藏高原是一個(gè)“嵌入”對(duì)流層中部的巨大熱源，而冬季則主要表現(xiàn)為冷源[1-2]，這樣的差異對(duì)區(qū)域和全球的大氣環(huán)流系統(tǒng)變化的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生了難以估計(jì)的影響。青藏高原對(duì)區(qū)域和全球的天氣氣候變化起著重要作用，其降水的時(shí)空變化和相關(guān)機(jī)理一直以來(lái)都是人們關(guān)注的熱點(diǎn)[3-4]。

氣溶膠的天氣氣候效應(yīng)是近年來(lái)最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一。在過(guò)去的數(shù)十年中，很多研究利用觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)、模式等方法從不同角度探究了不同地區(qū)氣溶膠對(duì)于降水的影響[5-7]。以往普遍認(rèn)為，青藏高原人跡罕至，當(dāng)?shù)卮髿鈿馊苣z的種類和濃度較中國(guó)其他地區(qū)存在明顯差異。然而近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，高原地區(qū)的氣溶膠濃度和化學(xué)組成逐漸受到周圍人類活動(dòng)的影響，該地區(qū)氣溶膠所產(chǎn)生的天氣氣候效應(yīng)這一問(wèn)題也逐漸引起人們關(guān)注[8-9]。然而，囿于高原上常規(guī)觀測(cè)站網(wǎng)稀疏、衛(wèi)星產(chǎn)品不確定性較大等因素，關(guān)于高原地區(qū)氣溶膠的氣候效應(yīng)，尤其是對(duì)于降水的影響研究，仍存在諸多有待解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題[10]。本文將在以往研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)高原地區(qū)氣溶膠的氣候效應(yīng)及其對(duì)降水的影響進(jìn)行綜述，集中于以下幾個(gè)方面：（1）高原氣溶膠的特性研究，包括臺(tái)站觀測(cè)研究和衛(wèi)星遙感探測(cè)；（2）高原地區(qū)氣溶膠對(duì)降水的影響，包括氣溶膠通過(guò)“氣溶膠-輻射相互作用”影響降水（長(zhǎng)時(shí)間、大尺度）、通過(guò)“氣溶膠-云相互作用”影響降水（短時(shí)間、小尺度）以及氣溶膠組分對(duì)于降水中化學(xué)成分的影響；（3）結(jié)論與展望，對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望。

1 青藏高原的氣溶膠特性研究

青藏高原所處的位置連接著東亞地區(qū)和南亞地區(qū)，這兩個(gè)地區(qū)人口密集，是全球重要的人為源氣溶膠排放區(qū)。同時(shí)青藏高原北鄰塔克拉瑪干沙漠地區(qū)，該地區(qū)存在大量沙塵氣溶膠積聚。因此，盡管青藏高原自身頂部大氣氣溶膠含量相對(duì)較少，但是由于其所處的特殊地理位置，周邊氣溶膠可能通過(guò)輸送對(duì)青藏高原地區(qū)的氣候產(chǎn)生影響，例如黑碳?xì)馊苣z等吸收性氣溶膠在印度恒河平原北部地區(qū)大量積聚，并可能從印度半島輸送至高原及其周邊地區(qū)[11-13]。近年來(lái)，為了探究高原及其周邊地區(qū)的氣溶膠時(shí)空分布和產(chǎn)生的天氣氣候效應(yīng)，人們通過(guò)衛(wèi)星遙感結(jié)合臺(tái)站觀測(cè)，針對(duì)高原地區(qū)的氣溶膠種類、濃度、化學(xué)組分等信息進(jìn)行了研究[9,14]。

1.1 站點(diǎn)觀測(cè)研究

相比于常規(guī)氣象要素觀測(cè)，青藏高原地區(qū)對(duì)于氣溶膠的觀測(cè)研究相對(duì)較少，然而近年來(lái)在科學(xué)家們的努力下，依然通過(guò)典型站點(diǎn)的持續(xù)觀測(cè)積累了一定的結(jié)果[15]。圖1展示了近年來(lái)參與觀測(cè)高原氣溶膠濃度以及成分特征的部分站點(diǎn)名稱和位置。如圖所示，14個(gè)觀測(cè)站中絕大部分位于高原南部、東南部和東北部地區(qū)，針對(duì)高原西北部和中部地區(qū)的臺(tái)站觀測(cè)研究相對(duì)較少。根據(jù)位于高山地區(qū)的珠穆朗瑪大氣與環(huán)境綜合觀測(cè)研究站和阿里荒漠環(huán)境綜合觀測(cè)研究站、位于草原地區(qū)的納木錯(cuò)多圈層綜合觀測(cè)研究站以及位于森林地區(qū)的藏東南高山環(huán)境綜合觀測(cè)研究站等不同地形條件下的站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果，四個(gè)站點(diǎn)的日均PM2.5濃度分別為18.2 ± 8.9、14.5 ± 7.4、11.9 ± 4.9以及11.7 ± 4.7 μg/m3，均高于青藏高原背景站的觀測(cè)值（低于10 μg/m3），在粒徑分布上主要集中在積聚模態(tài)和粗模態(tài)[16]。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，近年來(lái)喜馬拉雅山地周圍的PM2.5和PM10的濃度均有所上升，其中PM10在1998~2000年、2003~2005年、2013~2014年的三個(gè)階段觀測(cè)中呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，而PM2.5在中國(guó)、印度、尼泊爾和巴基斯坦等國(guó)家觀測(cè)到的濃度截止2013年均遠(yuǎn)超WHO標(biāo)準(zhǔn)（10 μg/m3）[17]。

圖1 青藏高原地區(qū)部分氣溶膠觀測(cè)站點(diǎn)位置

青藏高原面積大且地形復(fù)雜，高原地區(qū)的氣溶膠因?yàn)閬?lái)源不同，其種類和濃度隨著地域和時(shí)間的變化存在較大差異。從地區(qū)差異來(lái)看，受到來(lái)自塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的氣溶膠輸送影響，沙塵氣溶膠成為高原北部最為重要的氣溶膠種類之一[11]。此外，Zhang等[18]發(fā)現(xiàn)高原東北部地區(qū)積雪中的黑碳?xì)馊苣z含量比南部地區(qū)更高，認(rèn)為可能是吹雪或積雪融化導(dǎo)致下層積雪暴露所致，并不能說(shuō)明北部地區(qū)存在更多的黑碳?xì)馊苣z傳輸。高原南部因?yàn)橛《劝雿u地區(qū)人為源氣溶膠的排放和垂直輸送的影響，當(dāng)?shù)爻朔e聚大量從中東地區(qū)輸送而來(lái)的沙塵氣溶膠以外還存在大量的硫酸鹽氣溶膠、黑碳?xì)馊苣z，例如印度北部的春季火災(zāi)可能引起高原東南部地區(qū)冰川雪冰中黑碳?xì)馊苣z含量劇增[19-20]。觀測(cè)結(jié)果表明氣溶膠的種類在高原東南部不同地區(qū)存在一定差距，但是整體上有機(jī)氣溶膠和硫酸鹽氣溶膠的比重占主導(dǎo)[20]。通過(guò)對(duì)于氣溶膠樣品進(jìn)行在線或離線分析，人們發(fā)現(xiàn)高原氣溶膠中存在Cr、Ni、Cu、Zn、Pb等離子的富集現(xiàn)象，這些離子很大程度上來(lái)自于生物質(zhì)燃燒等人為污染排放[9]。然而，受限于觀測(cè)站點(diǎn)的不均勻分布，很多關(guān)于區(qū)域差異的研究則更依賴于衛(wèi)星遙感探測(cè)。

從季節(jié)差異來(lái)看，整個(gè)高原地區(qū)的總顆粒物濃度（Total Suspended Particulate，TSP）和PM2.5濃度均存在顯著的季節(jié)變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)冬、春季高而夏季低的特征，其中冬、春季的高值反映了南亞地區(qū)氣溶膠輸送所帶來(lái)的影響，而夏季的低值很可能與高原夏季降水較多、對(duì)氣溶膠的濕清除作用較強(qiáng)有關(guān)[4,21]。從已有觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，部分地區(qū)尤其是高原南部和西南部地區(qū)的TSP在冬、春季節(jié)遠(yuǎn)超夏、秋季節(jié)，其中南部地區(qū)部分站點(diǎn)觀測(cè)到的春季濃度甚至超過(guò)了夏季濃度的三倍以上[22]。事實(shí)上，由于觀測(cè)站分布并不均勻，受到大量沙塵氣溶膠輸送的影響，部分地區(qū)的顆粒物濃度可能比觀測(cè)到的濃度更高[15]。高原東北部地區(qū)春季觀測(cè)的PM2.5濃度顯著高于其他季節(jié)，很可能是周邊沙漠地區(qū)春季沙塵暴活躍所致[23]。

由站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果可知，高原地區(qū)氣溶膠的種類主要以沙塵氣溶膠、黑碳?xì)馊苣z以及硫酸鹽或硝酸鹽氣溶膠為主，還包括大量有機(jī)氣溶膠，人為源氣溶膠的占比在近年來(lái)呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)。由于青藏高原本身面積較大，氣溶膠來(lái)源相對(duì)復(fù)雜，而觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量偏少且分布非常不均勻（絕大部分站點(diǎn)分布在青藏高原的邊緣地區(qū)），導(dǎo)致不同站點(diǎn)對(duì)于氣溶膠種類和濃度的觀測(cè)存在很大的時(shí)空差異。此外，對(duì)于氣溶膠的源和匯，具體化學(xué)成分以及粒徑譜的研究相對(duì)較少，還需要未來(lái)進(jìn)一步的觀測(cè)分析。

1.2 衛(wèi)星遙感探測(cè)研究

由圖1可知，絕大部分氣溶膠的觀測(cè)站點(diǎn)分布在東部和東南部地區(qū)，而高原西北部和中部地區(qū)觀測(cè)氣候條件相對(duì)惡劣導(dǎo)致氣溶膠臺(tái)站觀測(cè)信息匱乏。隨著21世紀(jì)初中分辨率成像光譜儀（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）、多角度成像光譜輻射計(jì)（Multiangle Imaging Spectro-Radiometer，MISR）以及云-氣溶膠激光雷達(dá)與紅外探路者衛(wèi)星（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation，CALIPSO）等設(shè)備的成功運(yùn)行，人們得以通過(guò)衛(wèi)星遙感探測(cè)獲知無(wú)臺(tái)站分布地區(qū)的相關(guān)氣溶膠數(shù)據(jù)[24]。就整體而言，衛(wèi)星觀測(cè)到的高原氣溶膠地域分布特征以及季節(jié)變化趨勢(shì)與站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果接近。例如MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，高原中部地區(qū)的氣溶膠含量很少，但是在邊緣地區(qū)的濃度相對(duì)較高，尤其是東部和南部地區(qū)[25]。

青藏高原地區(qū)各個(gè)部分的氣溶膠濃度均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)和年際變化趨勢(shì)。陳艷等[26]在對(duì)于高原中部氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）的季節(jié)變化研究中發(fā)現(xiàn)AOD的平均值呈現(xiàn)雙峰分布，其中3月為最大值。Xia等[14]通過(guò)MISR觀測(cè)了解到，高原地區(qū)AOD在春夏秋冬四季的平均值分別為0.27、0.25、0.13和0.11 。從AOD的整體分布來(lái)看，盡管高原地區(qū)AOD比中國(guó)東部和南部地區(qū)要低很多，但是依然可以發(fā)現(xiàn)周邊地區(qū)氣溶膠輸送對(duì)于高原帶來(lái)的影響，例如北方塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的沙塵氣溶膠輸送使得春夏兩季高原北部AOD值偏高[11,14]。

衛(wèi)星的遙感探測(cè)從一定程度上彌補(bǔ)了高原地區(qū)臺(tái)站觀測(cè)不足的缺陷，為該地區(qū)氣溶膠的探測(cè)和研究提供了更多可能。但是不少研究中都提到，由于青藏高原地區(qū)復(fù)雜的地形和地表反射特性，目前很多衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在青藏高原部分地區(qū)的結(jié)果可信度相對(duì)較低，在未來(lái)仍需要進(jìn)行訂正，同時(shí)也需要更多先進(jìn)的衛(wèi)星儀器參與探測(cè)[25-27]。

2 高原地區(qū)氣溶膠對(duì)降水的影響

以往的研究結(jié)果表明，在大氣環(huán)境相對(duì)潔凈的地區(qū)，云和輻射等氣候條件更容易受到氣溶膠的影響[28]。青藏高原地區(qū)氣溶膠含量相對(duì)較低，因此對(duì)于大氣氣溶膠的氣候效應(yīng)所產(chǎn)生的影響更為敏感，少量的氣溶膠就可能通過(guò)其吸收或散射太陽(yáng)輻射的效應(yīng)以及間接改變?cè)莆⑽锢磉^(guò)程的特性影響高原地區(qū)的天氣和氣候。事實(shí)上，已有研究[13,29]證明吸收性氣溶膠（例如黑碳?xì)馊苣z）可能伴隨降雪到達(dá)地面，其對(duì)于地表接受輻射的改變可能導(dǎo)致冰川和雪地的融化減少，很大程度上影響了高原地面積雪的覆蓋率。整體而言，氣溶膠對(duì)降水的影響機(jī)理較為復(fù)雜，一直以來(lái)都是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。氣溶膠主要通過(guò)兩個(gè)途徑影響降水，第一是經(jīng)由“氣溶膠-輻射相互作用（Aerosol-Radiation Interaction，ARI）”改變熱力結(jié)構(gòu)影響環(huán)流和水汽輸送，第二是經(jīng)由“氣溶膠-云相互作用（Aerosol-Cloud Interaction，ACI）”影響云微物理過(guò)程[30]。不同種類的氣溶膠對(duì)降水造成的影響不同，此外在不同天氣條件下造成的影響也不同：對(duì)于干燥地區(qū)而言，氣溶膠濃度增加可能會(huì)降低云滴粒子有效半徑，使得降水推遲或受到抑制；而對(duì)于濕潤(rùn)地區(qū)，氣溶膠的增加可能會(huì)導(dǎo)致降水增多或者暴雨強(qiáng)度增加[31-33]。以往關(guān)于氣溶膠對(duì)降水影響的研究大多集中于中國(guó)東部、南部以及華北地區(qū)和四川盆地。近年來(lái)，隨著對(duì)于高原氣候問(wèn)題的日益重視，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始針對(duì)青藏高原及其周邊地區(qū)氣溶膠的氣候效應(yīng)開(kāi)展研究[15,30]。

2.1 氣溶膠通過(guò)“氣溶膠-輻射相互作用（ARI）”影響降水

不同種類、形狀以及混合狀態(tài)的氣溶膠擁有不同的光學(xué)特性，可以通過(guò)吸收和散射等光學(xué)特性來(lái)影響大氣或地表吸收太陽(yáng)輻射的能力，繼而改變大氣熱力結(jié)構(gòu)，影響熱力環(huán)流和水汽輸送，并最終對(duì)降水產(chǎn)生影響[34-35]。在以往針對(duì)城市氣溶膠的研究中，人們普遍發(fā)現(xiàn)氣溶膠的積聚會(huì)導(dǎo)致地表接受到的輻射減少，繼而減弱大氣環(huán)流，創(chuàng)造不利擴(kuò)散條件[30]。然而高原地區(qū)存在大量吸收性氣溶膠，其產(chǎn)生的效應(yīng)可能與城市地區(qū)有所不同。Lau等[36]的研究結(jié)果表明，印度地區(qū)的吸收性氣溶膠積聚可能導(dǎo)致地表接收到的太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，使得地表整體上呈現(xiàn)增暖趨勢(shì)，最終可能加強(qiáng)對(duì)于高原地區(qū)的氣溶膠輸送。Zhao等[37]在研究中指出高原東南部地區(qū)氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫為-19.9±7.4 W/m2，其中黑碳?xì)馊苣z的貢獻(xiàn)約為20%（-3.9±1.8 W/m2）。具體而言，含碳?xì)馊苣z所造成的輻射強(qiáng)迫主要是對(duì)長(zhǎng)波輻射的影響，其輻射強(qiáng)迫在中層大氣中為正，而在近地面大氣中為負(fù)[38]。大量氣溶膠的積聚可能對(duì)高原地區(qū)的熱力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，促使大氣結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，減少印度地區(qū)云和降水的形成，最終使得本應(yīng)在印度中部和南部形成的降水被轉(zhuǎn)移至高原南坡，大量降水導(dǎo)致的潛熱釋放進(jìn)一步促進(jìn)了云的形成和降水增強(qiáng)[36]。

氣溶膠的影響不僅存在于高原山麓地區(qū)，部分黑碳?xì)馊苣z和可溶性氣溶膠可能跨過(guò)喜馬拉雅山被輸送至高原腹地，從而影響高原內(nèi)部的成云過(guò)程和降水過(guò)程[12]。人們?cè)谝酝难芯恐邪l(fā)現(xiàn)青藏高原在氣溶膠影響下可能產(chǎn)生“熱泵”效應(yīng)（Elevated Heat Pumping，EHP），導(dǎo)致垂直對(duì)流增強(qiáng)，而當(dāng)吸收性氣溶膠被輸送至青藏高原后，這些氣溶膠可能增強(qiáng)高原地表吸收輻射的能力，繼而進(jìn)一步加強(qiáng)“熱泵”效應(yīng)，使得更多的氣溶膠和其他污染物從山腳下被輸送至高原頂部或穿過(guò)高原[36,39-40]?！盁岜谩毙?yīng)可能會(huì)加強(qiáng)西南風(fēng)帶，使得更多吸收性的沙塵氣溶膠被輸送至印度恒河平原，并加強(qiáng)南亞高壓環(huán)流系統(tǒng)，導(dǎo)致羅斯貝波出現(xiàn)異常，并最終使得梅雨帶“北跳”并伴隨著梅雨季節(jié)降水增強(qiáng)[30,40]。青藏高原作為整個(gè)亞洲季風(fēng)區(qū)的中心，在季風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)季節(jié)的水汽輸送方面都有重要的作用，可以從很大程度上影響亞洲夏季風(fēng)的爆發(fā)時(shí)間和強(qiáng)度，并隨之影響整個(gè)季風(fēng)區(qū)的降水[41-42]。Qian等[43]通過(guò)模擬研究發(fā)現(xiàn)，高原大氣中和積雪中存在的含碳?xì)馊苣z可能來(lái)自于春季西南風(fēng)的輸送，這些吸收性氣溶膠可能增強(qiáng)地表吸收輻射的能力，進(jìn)而增強(qiáng)大氣上升運(yùn)動(dòng)、促進(jìn)深對(duì)流的發(fā)展，最終導(dǎo)致南亞季風(fēng)提前爆發(fā)并帶來(lái)更多的水汽、成云和對(duì)流降水。

除了影響夏季降水以外，高原及其周邊地區(qū)的冬季降水也可能受到氣溶膠輸送的影響。Bhutiyani等[44]發(fā)現(xiàn)1866~2006年期間，在年均降水量和季風(fēng)季節(jié)降水量都有所減少的背景下，喜馬拉雅山地區(qū)的冬季降水顯著增加，其中可能存在人為源氣溶膠影響大氣環(huán)流的因素。Jiang等[45]利用數(shù)值模擬研究討論了冬季高原頂部黑碳?xì)馊苣z的影響，指出高原頂部黑碳?xì)馊苣z的直接效應(yīng)將減弱地表反射率，高原頂部加熱后經(jīng)向溫度梯度增加且東亞北部地區(qū)斜壓性增強(qiáng)，導(dǎo)致高原北部地區(qū)急流增強(qiáng)以及東亞大槽西移，最終使得更多冷空氣入侵中國(guó)北部地區(qū)。同時(shí)他們也發(fā)現(xiàn)，在氣溶膠非直接效應(yīng)的影響下，中國(guó)南部和中南半島地區(qū)的冬季降水有所減弱。在最近的研究中，Yuan等[46]進(jìn)一步討論了黑碳?xì)馊苣z對(duì)于青藏高原及下風(fēng)區(qū)大氣環(huán)流的影響，研究指出在不考慮“雪暗效應(yīng)”的情況下，黑碳?xì)馊苣z的增加可能導(dǎo)致高原北部的急流減弱和南部的急流增強(qiáng)，一方面使得中國(guó)南部降水增多，另一方面則導(dǎo)致更多氣溶膠被輸送至高原地區(qū)。

對(duì)于高原地區(qū)氣溶膠的天氣氣候效應(yīng)研究盡管在近年來(lái)有所增加，但是相比于高原地區(qū)氣溶膠的觀測(cè)研究仍然處于較低水平[39-40,47]。根據(jù)以往的研究結(jié)果綜合來(lái)看，印度地區(qū)的顆粒物污染與高原地區(qū)以及中國(guó)南部地區(qū)的對(duì)流性降水增強(qiáng)可能存在一定的聯(lián)系。印度地區(qū)存在大量人為源排放的氣溶膠積聚，同時(shí)在夏季接受大量沙塵氣溶膠輸送，大量氣溶膠積聚所產(chǎn)生的氣候效應(yīng)在增強(qiáng)高原地區(qū)降水的同時(shí)也可能使得中國(guó)南部等下風(fēng)區(qū)的降水有所增強(qiáng)（圖2）。然而，這一機(jī)理仍然缺乏觀測(cè)資料的驗(yàn)證，其一是因?yàn)闅馊苣z積聚到影響降水需要一定的時(shí)間，其二是因?yàn)橛绊懺坪徒邓囊蛩赜泻芏?，例如全球變暖、冰川運(yùn)動(dòng)等，氣溶膠很可能只是其中的一個(gè)因素。例如，在全球變暖的背景條件下，高原頂部在年際和年代際尺度上出現(xiàn)明顯的增暖和氣壓增高的現(xiàn)象，這一增暖趨勢(shì)可能在未來(lái)持續(xù)并導(dǎo)致青藏高原地區(qū)以及中國(guó)西南部和南部等下風(fēng)區(qū)域降水條件變化，而在這個(gè)過(guò)程中，氣溶膠輻射效應(yīng)所帶來(lái)的地表凈輻射通量變化則可能增強(qiáng)或者減弱全球變暖所導(dǎo)致的降水變化趨勢(shì)[48]。

圖2 高原地區(qū)氣溶膠輻射效應(yīng)通過(guò)影響環(huán)流產(chǎn)生的降水變化等氣候效應(yīng)示意

2.2 氣溶膠通過(guò)“氣溶膠-云相互作用（ACI）”影響降水

除了通過(guò)改變大氣熱力結(jié)構(gòu)影響大氣環(huán)流外，氣溶膠還可能通過(guò)其微物理效應(yīng)影響云微物理過(guò)程繼而從更多方面影響高原地區(qū)的天氣氣候條件[30]。以往的研究[49-50]表明，氣溶膠濃度的增大可導(dǎo)致云滴粒子有效半徑減小，這樣一方面會(huì)增大云的反射能力，導(dǎo)致云光學(xué)厚度的增加，另一方面使得云的存在時(shí)間延長(zhǎng)，從而抑制了降水的形成。此外，對(duì)于冰水混合云而言，在暖云階段被抑制增長(zhǎng)的云滴能夠更多的輸送至云上部并發(fā)生凍結(jié)，在0℃層以上產(chǎn)生大量潛熱，從而加熱氣團(tuán)使其抬升，最終增強(qiáng)了混合向?qū)α髟频陌l(fā)展[51]。高星星等[52]對(duì)比了中國(guó)8個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的氣溶膠對(duì)云和降水參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)AOD增加時(shí)，高原上空的云光學(xué)厚度、云水路徑均有所增加，且增加幅度大于全國(guó)其他區(qū)域，同時(shí)其降水發(fā)生概率在高污染條件下提高了約4.89%。在對(duì)與青藏高原毗鄰的四川盆地地區(qū)的研究中，人們逐漸總結(jié)出人為因素導(dǎo)致的氣溶膠濃度升高可能導(dǎo)致“小雨變少，大雨變多”的結(jié)果，而高原上氣溶膠對(duì)降水的影響結(jié)果依然存在較大的不確定性[6,30]。

伴隨著地表溫度升高和土地覆蓋的改變，不少研究結(jié)果都表明近年來(lái)高原地區(qū)的降水呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[7,53-55]，人們?cè)诖吮尘跋吕眯l(wèi)星數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬等方法針對(duì)其背后的機(jī)理開(kāi)展了一系列研究。Fang等[53]在研究中發(fā)現(xiàn)，地表溫度和大氣環(huán)流的變化并不足以解釋高原地區(qū)降水的變化，因此他們推測(cè)在全球溫度升高的背景下，生物源揮發(fā)性有機(jī)物（Biogenic Volatile Organic Compounds，BVOC）排放的增加促進(jìn)了二次有機(jī)氣溶膠（Secondary Organic Aerosol，SOA）的生成，氣溶膠的增多使得云凝結(jié)核（Cloud Condensation Nuclei，CCN）變多并最終導(dǎo)致了降水的增強(qiáng)，而降水的增強(qiáng)則會(huì)進(jìn)一步增加生物質(zhì)的排放（圖3）。Zhou等[56]利用云分辨模式模擬了青藏高原頂部氣溶膠對(duì)于對(duì)流云系統(tǒng)發(fā)展的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)高原頂部氣溶膠濃度增加時(shí)，對(duì)流云系統(tǒng)內(nèi)上升氣流和最大上升氣流均有所增強(qiáng)，導(dǎo)致高原頂部對(duì)流增強(qiáng)。Liu等[57]在2016年的一次沙塵污染個(gè)例過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高原北坡的對(duì)流云顯著增加，同時(shí)成云的冰核粒徑顯著減小。在最近的研究中，Adhikari[58]發(fā)現(xiàn)當(dāng)喜馬拉雅山麓地區(qū)的氣溶膠污染嚴(yán)重時(shí)，當(dāng)?shù)亟邓约扒嗖馗咴喜康慕邓龆?，同時(shí)氣溶膠的作用使得云頂高度和喜馬拉雅山的雪線也有所升高。這些研究結(jié)果都表明氣溶膠可能導(dǎo)致對(duì)流云增多，反映了氣溶膠在近年來(lái)青藏高原降水增加的變化中存在一定貢獻(xiàn)。

圖3 溫升背景下BVOC（生物質(zhì)揮發(fā)性有機(jī)物）、SOA（二次有機(jī)氣溶膠）、CCN（云凝結(jié)核）、降水和生物質(zhì)排放之間的循環(huán)影響示意[53]

然而，Yang等[59]認(rèn)為對(duì)流云的增多并不一定意味著高原頂部降水的增強(qiáng)，因?yàn)闅馊苣z濃度增加的同時(shí)云凝結(jié)核也會(huì)增多，在云水路徑一定的情況下反而可能導(dǎo)致降水減少。Han等[60]發(fā)現(xiàn)沙塵暴中的沙塵氣溶膠可以進(jìn)入5~9 km高度的對(duì)流層并被輸送至高原地區(qū)，參與高原頂部對(duì)流層中的云微物理過(guò)程并形成云凝結(jié)核和冰核，冰核的效應(yīng)削弱了云凝結(jié)核的作用并最終抑制降水的形成。通過(guò)分析第5次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5）提供的AOD數(shù)據(jù)和氣溶膠單因子歷史試驗(yàn)降水?dāng)?shù)據(jù)，趙洪飛等[61]發(fā)現(xiàn)近年來(lái)高原等地區(qū)的大氣氣溶膠顯著增加，同時(shí)在氣溶膠的影響下，中國(guó)有89.1%的區(qū)域降水呈現(xiàn)減少趨勢(shì)（P<0.001），其中青藏高原區(qū)域是降水減少最為明顯的區(qū)域之一。高原地區(qū)的降水可能因?yàn)闅馊苣z的增多而減少，但是高原頂部形成的對(duì)流云可以繼續(xù)向東轉(zhuǎn)移至下風(fēng)區(qū)，反而增加了中國(guó)南部地區(qū)的對(duì)流性降水，此外，部分沙塵氣溶膠也可以通過(guò)進(jìn)一步輸送進(jìn)入中國(guó)北部地區(qū)，促進(jìn)氣溶膠含量相對(duì)較低的地區(qū)降水的形成[47,57,60]。

綜合來(lái)看，氣溶膠濃度的增加可能影響對(duì)流云系統(tǒng)的發(fā)展，繼而對(duì)降水產(chǎn)生影響。但是效果還依賴于具體的水汽條件：在云水路徑一定的情況下，氣溶膠可能使得云滴粒子變小而不易形成降水，使得降水在下風(fēng)區(qū)域形成或增強(qiáng)；而當(dāng)水汽條件較好時(shí)，氣溶膠則可以促進(jìn)對(duì)流云的發(fā)展而增加降水（圖4）。此外，以往的研究表明氣溶膠的輻射效應(yīng)和微物理效應(yīng)對(duì)于對(duì)流云的形成存在共同作用，隨著對(duì)流云的發(fā)生及發(fā)展，這兩種效應(yīng)可能在不同階段分別占據(jù)主導(dǎo)，從而影響對(duì)流云的觸發(fā)及發(fā)展[62-63]?？傮w而言，氣溶膠通過(guò)ACI影響降水的具體機(jī)理仍然存在較多爭(zhēng)議，而且在不同地區(qū)的最終影響范圍也需要進(jìn)一步考證研究。

圖4 高原地區(qū)氣溶膠通過(guò)影響云微物理過(guò)程產(chǎn)生的降水變化等氣候效應(yīng)示意

2.3 氣溶膠影響降水成分

降水是高原地區(qū)氣溶膠最重要的匯之一，因此降水的化學(xué)成分可以較好地體現(xiàn)出氣溶膠的輸送以及人類污染物排放的影響[21,64]。較早期對(duì)于珠峰地區(qū)氣溶膠的化學(xué)成分研究表明，當(dāng)?shù)貧馊苣z的主要成分以地殼元素為主，人類活動(dòng)的影響很小[65]。近期的研究也證實(shí)青藏高原整體處于較為潔凈的狀態(tài)，降水中的主要水溶性離子濃度與全球其他偏遠(yuǎn)地區(qū)的觀測(cè)站結(jié)果類似[66]。通過(guò)對(duì)高原降水樣品的水溶性離子進(jìn)行分析，研究者發(fā)現(xiàn)降水中的大量水溶性離子來(lái)自于高原大氣中的氣溶膠，例如沙塵氣溶膠包含Ca2+以及HCO3-，而則可能來(lái)自于動(dòng)物糞便的燃燒[18,67]。根據(jù)納木錯(cuò)站的觀測(cè)結(jié)果，高原頂部降水的具體化學(xué)成分呈現(xiàn)中性或弱堿性，pH值介于5.94~7.80，很可能與沙塵氣溶膠中Ca2+的中和作用有關(guān)[13,66]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)表明，高原上的降水成分正逐漸受到人為排放的影響。已有研究表明高原降水樣品中存在銨鹽、硫酸鹽、硝酸鹽等無(wú)機(jī)鹽以及Na+、Mg、Fe等金屬成分的異常，近年來(lái)還發(fā)現(xiàn)了多環(huán)芳烴的增多，這些異常絕大部分可歸因于人為污染排放[9,68-69]。根據(jù)2013~2014年的降水個(gè)例分析結(jié)果，Roy等[68]發(fā)現(xiàn)高原南部山麓大吉嶺地區(qū)的降水呈現(xiàn)弱酸性（平均pH值為5.0±0.8），體現(xiàn)了硫酸鹽、硝酸鹽以及銨鹽的綜合效果。高原降水中各化學(xué)組分的比例并非一成不變，而是存在著明顯的季節(jié)變化趨勢(shì)，例如在冬春季顯著升高，很可能與化石燃料或者生物質(zhì)燃燒加劇有關(guān)[18,66]。研究結(jié)果已經(jīng)表明，高原及其周邊區(qū)域降水的化學(xué)成分在人為源排放的影響下已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的變化，但是這些變化對(duì)于天氣氣候會(huì)造成怎樣的影響還需要進(jìn)一步探究。

3 未來(lái)研究方向

近20 a以來(lái)，人們已經(jīng)在青藏高原的天氣氣候變化研究中取得了大量進(jìn)展，與此同時(shí)也開(kāi)始逐漸關(guān)注氣溶膠所帶來(lái)的影響。本文綜述了近年來(lái)高原以及周邊地區(qū)氣溶膠及其對(duì)降水影響的相關(guān)研究進(jìn)展，包括氣溶膠特性的觀測(cè)研究以及氣溶膠從多方面對(duì)降水產(chǎn)生的影響。高原地區(qū)的氣溶膠主要來(lái)自于周邊地區(qū)的輸送，西部和北部地區(qū)更容易接收沙塵氣溶膠的輸送，且輸送過(guò)程隨著西風(fēng)帶的增強(qiáng)而增強(qiáng)，東部和南部則更可能受到周邊人為排放所導(dǎo)致的顆粒物污染和沙塵輸送的共同影響。印度半島當(dāng)?shù)貧馊苣z的積聚導(dǎo)致降水延遲，使得高原南坡降水增加。存在于高原上的氣溶膠一方面可能因其本身的輻射效應(yīng)改變熱力和環(huán)流結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)高原的“熱泵效應(yīng)”，使得更多的水汽和能量被輸送至高原，影響高原頂部和整個(gè)環(huán)流區(qū)域內(nèi)的降水；另一方面氣溶膠能夠影響云微物理過(guò)程，其濃度的增加使得云凝結(jié)核數(shù)量增多，影響高原上空的對(duì)流云系統(tǒng)發(fā)展，在不同水汽條件下對(duì)高原上對(duì)流云降水產(chǎn)生不同程度的影響，同時(shí)使得青藏高原以及中國(guó)南部、西南部等下風(fēng)區(qū)的對(duì)流和降水增強(qiáng)（圖5）。

圖5 高原地區(qū)氣溶膠對(duì)降水的影響機(jī)理示意[15]

此外，近年來(lái)高原地區(qū)的降水成分受到人為因素的影響正逐漸變大，降水的酸堿度與氣溶膠的種類和濃度密切相關(guān)。然而，無(wú)論是氣溶膠種類、濃度以及化學(xué)組分的觀測(cè)研究，還是氣溶膠在高原及其周邊地區(qū)對(duì)降水產(chǎn)生的影響研究，均存在很多不足。為了進(jìn)一步厘清高原及其周邊區(qū)域氣溶膠的特征及其與降水的相互作用，在未來(lái)還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開(kāi)展研究：

（1）更精密的長(zhǎng)期觀測(cè)：目前，大量的機(jī)理研究依然缺乏觀測(cè)結(jié)果的支撐。由于青藏高原面積較大，整個(gè)區(qū)域地形變化劇烈，同時(shí)存在大量短時(shí)過(guò)程，未來(lái)關(guān)于氣溶膠與降水的研究需要更加精確的氣溶膠時(shí)空分布以及地表反射率等信息，因此需要在高原以及周圍地區(qū)開(kāi)展更多、更密集以及更長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性觀測(cè)，包括更高分辨率的衛(wèi)星觀測(cè)和更豐富的站點(diǎn)觀測(cè)等。

（2）更深入的機(jī)理分析：高原氣溶膠存在明顯的時(shí)空分布差異，其氣候效應(yīng)的相關(guān)機(jī)理研究依然存在很大的空缺，例如巨大體量的沙塵氣溶膠可能通過(guò)西風(fēng)帶輸送至印度地區(qū)并最終到達(dá)青藏高原，在此過(guò)程中沙塵氣溶膠可能導(dǎo)致的天氣氣候變化依然存在很多問(wèn)題。此外，近年來(lái)人類活動(dòng)的增多也為青藏高原原本潔凈的地區(qū)帶去了更多人為源氣溶膠，因此青藏高原頂部氣溶膠含量相對(duì)較低地區(qū)的“ACI”或者“ARI”以及對(duì)降水的影響也需要進(jìn)一步研究。

（3）更廣泛的背景考慮：IPCC AR6報(bào)告中提到，近年來(lái)全球變暖問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，變暖導(dǎo)致的全球海表面溫度上升帶來(lái)了諸如冰川積雪融化等一系列問(wèn)題，并最終導(dǎo)致了全球天氣和氣候發(fā)生變化。全球變暖背景下高原地區(qū)的降水和極端降水明顯增多[70]，這其中氣溶膠起到什么樣的作用，對(duì)于災(zāi)害性極端降水又有怎樣的影響？這些問(wèn)題亟待利用更多的觀測(cè)和模擬研究進(jìn)行解決。

（4）更綜合的交叉研究：在以往的研究中，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)高原氣候變化可能通過(guò)遙相關(guān)影響更大范圍[71]，但是由于牽涉到的區(qū)域和條件較多，其中的具體機(jī)理尚不清楚，大量過(guò)程還存在假設(shè)，因此在未來(lái)可能需要利用交叉學(xué)科開(kāi)展更多研究。氣溶膠與降水相互作用的問(wèn)題并不僅僅局限于大氣物理學(xué)和氣候?qū)W，還牽涉到諸如天氣學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水文學(xué)等方面，未來(lái)對(duì)于這一方面的研究將更多依賴于先進(jìn)的全球數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。目前越來(lái)越多的數(shù)值模式及其相應(yīng)產(chǎn)品引入了氣溶膠和大氣化學(xué)等相關(guān)模塊，結(jié)合觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬，讓人們可以從多種角度使用多種方法更全面地探究氣溶膠在青藏高原和周邊地區(qū)所帶來(lái)的氣候效應(yīng)及其對(duì)全球天氣氣候變化和人類健康所帶來(lái)的影響。