江琪,銀燕,單云鵬,李愛華,陳魁
(1.南京信息工程大學 中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,江蘇 南京 210044;2.安徽省氣象局,安徽 合肥 230061)
人為氣溶膠對地形云降水的影響:以黃山地區(qū)為例
江琪1,銀燕1,單云鵬1,李愛華2,陳魁1
(1.南京信息工程大學 中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,江蘇 南京 210044;2.安徽省氣象局,安徽 合肥 230061)
選取黃山站為高山站,周圍黃山區(qū)、績溪、黃山市三個低海拔高度站為對比站,比較高山站與對比站1960—2009年降水量差值,即地形影響因子R0的變化趨勢,以及同期能見度的變化,分析了人為氣溶膠對黃山地形云降水的可能影響。結(jié)果表明,1960—1979年能見度下降,氣溶膠含量增大,R0升高;1980—1989年,能見度升高,氣溶膠含量有下降趨勢,不同對比站R0變化趨勢不同;1990—2009年,能見度下降,氣溶膠含量升高,R0顯著下降。氣溶膠對降水的影響作用與背景氣溶膠濃度有關(guān),背景氣溶膠濃度較低時,增加氣溶膠濃度可促進降水;背景氣溶膠濃度較高時,增加氣溶膠含量對降水抑制作用顯著,對應的能見度閾值為10 km。當氣溶膠對降水起抑制作用時,抑制作用與風速成反比,與風頻和各風向平均降水量呈顯著正相關(guān)。
地形云降水;氣溶膠;地形影響因子;能見度
大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的固態(tài)或液態(tài)顆粒物,粒徑范圍一般在10-3~102μm。氣溶膠不僅能吸收、散射太陽輻射(直接效應),還能充當云凝結(jié)核(cloud condensation nuclei,CCN)或冰核(ice nuclei,IN),影響云的形成及微物理特征和輻射特性(間接效應);此外,氣溶膠還可以在云內(nèi)部吸收輻射,改變云的溫度廓線及穩(wěn)定性(半直接效應)。
近年來國內(nèi)外學者在氣溶膠與云相互作用方面做了大量的觀測和模式研究,認為氣溶膠在不同類型和背景濃度條件下,對云和降水的影響表現(xiàn)出明顯的差異(Fan et al.,2007,2009;Khain et al.,2009;Lee et al.,2010;Storer et al.,2010;陳倩等,2013),氣溶膠濃度增加既可抑制降水,也可促進降水(Ntelekos et al.,2009;Fan et al.,2010),并可以改變云的動力過程(Leroy et al.,2009;Koren et al.,2010)。Li et al.(2008)認為,當背景氣溶膠濃度由清潔海洋性條件向大陸性條件轉(zhuǎn)變時,降水增加;但背景氣溶膠濃度達到高污染條件時,降水明顯減少,甚至被完全抑制。一些模式的模擬結(jié)果(Xue et al.,2008)也表明,當初始氣溶膠濃度較小時,云量與氣溶膠濃度成正比,但當氣溶膠濃度由25 mg-1增加到100 mg-1時,地表降水開始減少,繼續(xù)增加氣溶膠濃度會導致云量減少。Jin and Shepherd(2008)、Suzuki et al.(2008) 等研究發(fā)現(xiàn),高濃度的氣溶膠粒子作為CCN活化形成大量小液滴,導致云滴有效半徑迅速減小,無法達到形成降水的閾值,從而抑制降水的產(chǎn)生(Jiang et al.,2006;Khain et al.,2008;Rosenfeld et al.,2008)。
地形云是氣流流經(jīng)山脈時受地形強迫抬升形成的。由于在其形成過程中,底層氣溶膠粒子易隨氣流被抬升入云,氣溶膠粒子可作為CCN和IN形成云滴和冰晶,影響云的動力和微物理過程,進而影響降水(Xue and Feingold,2006)。而平原地區(qū)的低層氣溶膠粒子只能通過湍流擴散或熱力抬升進入云中,因此,地形云降水更易受到近地層人為直接排放氣溶膠的影響。
近年來,人類活動使氣溶膠的排放顯著增加,尤其在發(fā)展中國家更為明顯(Crutzen and Ramanathan,2001;Li et al.,2007,2010)。我國近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速,人為排放的氣溶膠處在比較高的水平,因此,研究氣溶膠對云和降水的影響意義重大。Rosenfeld et al.(2008) 定義地形影響因子為高山站及其附近平原站的降水量之比,并研究了秦嶺地區(qū)氣溶膠對于地形云降水的抑制作用,發(fā)現(xiàn)降水的減幅達14%~20%。但秦嶺屬中國北方地區(qū),相對濕度較小,而水汽條件是影響氣溶膠效應的一個重要因素。Khain et al.(2008)認為,當云在較干燥的大氣條件下發(fā)展時,累積降水隨氣溶膠濃度的增加而減小;而在海洋性深對流云中增加氣溶膠濃度會增加降水。Fan et al.(2007)、榮艷敏和銀燕 (2010) 等模擬試驗結(jié)果也表明,氣溶膠對云特性的影響較強地依賴于相對濕度。因此,有必要對相對濕度較大區(qū)域的地形云降水進行研究,而黃山屬于濕潤性季風氣候,溫和多雨,相對濕度較大,以黃山地形云為例,研究我國濕潤地區(qū)氣溶膠對降水的影響將進一步完善氣溶膠與降水相互作用的認識。
1.1 研究區(qū)域
黃山地處安徽省南部山區(qū)(118°09′E,30°10′N)。山勢呈東北—西南向,南北長約40 km,東西寬約30 km。由于受海拔高度、地理位置和相應大氣環(huán)流的共同影響,黃山的氣候特征既有華東北亞熱帶季風特點,又有山地氣候垂直變化的特色。黃山站的觀測點設在黃山光明頂(58437)氣象觀測站(海拔1 840 m)。黃山陰雨天多,接近于海洋性氣候,夏無酷暑,冬少嚴寒,四季平均溫度差20 ℃左右。夏季最高氣溫27 ℃,冬季最低氣溫-22 ℃,年均氣溫7.8 ℃,夏季平均溫度為25 ℃,冬季平均氣溫0 ℃以上。年平均降雨日數(shù)183 d,多集中于4—6月,山上全年平均降水量為2 395 mm。本文研究選取黃山光明頂(58437)作為高山站,選取黃山區(qū)(58426)、績溪(58438)、黃山市(58531)三站作為低海拔高度對比站(平原站)。高山站及對比站的地理位置分布和地理信息見圖1和表1。
圖1 研究區(qū)域的地形特征和地理位置(陰影區(qū)域代表不同海拔高度;單位:m)Fig.1 Topography and meteorological stations in the study area (the shaded areas represent different altitudes;units:m)
表1高山站和對比站的地理信息
Table 1 Geographic information and topography of the station over the Yellow Mountain and stations on the plain
代碼測站經(jīng)度/°E緯度/°N海拔高度/m58426黃山區(qū)118.1330.30193.458437黃山118.1530.131840.458438績溪118.5830.08191.158531黃山市118.2829.72142.7
1.2 研究方法
圖2 1960—2009比值法求得的R0的變化趨勢(a;以黃山市作為對比站)及黃山、黃山市站的降水量(b;單位:mm)Fig.2 The trends of (a)R0 based on the method of ratio(comparing with that in Huangshan city) and (b)the precipitation(mm) at the station over the Yellow Mountain and the station in Huangshan city
由于高山站地形云比平原地區(qū)的云更容易受氣溶膠影響(Rosenfeld et al.,2011),當高山站與對比站的天氣和環(huán)流形勢十分相近時,平原站與高山站的降水相關(guān)性比較好,通過比較高山站相對平原站降水的變化情況,可以發(fā)現(xiàn)高山站降水受氣溶膠的影響狀況。Rosenfeld et al.(2011)等將地形影響因子(R0)定義為海拔較高的觀測站與其附近平原站的降水量之比,而本文通過計算認為,以圖2為例,當平原站和高山站降水的谷值(或峰值)不對應時,通過比值方法求得的R0值可能會呈現(xiàn)出一個極大(或極小)值(圖中虛線圈),由于R0中個別值的影響,使擬合結(jié)果不能準確地反映地形云降水受氣溶膠的影響作用,因而將地形影響因子更改為海拔較高的觀測站與其附近平原站的降水量之差,即R0等于黃山站降水量減去對比站降水量。
氣溶膠對降水的影響機制較為復雜,可以利用的氣溶膠資料相當有限(楊琨等,2008)。表征入云氣溶膠特性最理想的資料為云底氣溶膠的濃度與分布狀況,但缺乏相關(guān)觀測資料。由于能見度主要受氣溶膠、相對濕度、降水和其他氣象條件影響(侯靈等,2014),黃山站位于云底附近,因此修正后的水平能見度(包括水平能見度的相對濕度修正和降水、霧天的剔除)數(shù)據(jù)可以表征入云的氣溶膠含量。本文對1960—2009年50 a的能見度數(shù)據(jù)進行修正,并分析其與R0的相關(guān)關(guān)系,定性研究黃山地形云降水受氣溶膠的影響作用。
2.1 降水相關(guān)性分析
為了確保黃山及對比站除了受氣溶膠的影響程度不同外,其他影響因素接近,本文根據(jù)地理位置、海拔高度等因素,對黃山周圍18個氣象站的降水與黃山站降水進行比對。通過檢驗影響站(黃山)與各站降水的相關(guān)性,選取了黃山區(qū)、績溪、及黃山市作為本文的對比站(圖3)。對比站與黃山站降水的相關(guān)系數(shù)均在0.8以上,均通過相關(guān)顯著性檢驗。
圖3 黃山站與對比站黃山區(qū)(a)、績溪(b)、黃山市(c)年降水量的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation of annual precipitation between the station over the Yellow Mountain and the stations in (a)Huangshan district,(b)Jixi and (c)Huangshan city
2.2 黃山頂大氣能見度的演變
氣溶膠光學厚度與氣溶膠源區(qū)及其周邊近地面層的氣溶膠粒子有很大的關(guān)系,而能見度正是反映了這些低層氣溶膠粒子的光學特性,所以氣溶膠光學厚度與能見度之間有定量關(guān)系,研究表明,能見度與氣溶膠存在較好的負相關(guān)性。我國部分站點的能見度與氣溶膠相關(guān)關(guān)系的資料顯示,氣溶膠光學厚度與能見度的相關(guān)系數(shù)達0.70以上,個別站點甚至大于0.90(羅云峰等,2000)。
由于能見度與氣溶膠呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系,本文采用1960—2009年能見度數(shù)據(jù)通過濕度修正和剔除降水日和云/霧日資料,使之可以反映這50 a中氣溶膠的變化趨勢,作為定性分析地形云降水與氣溶膠相關(guān)關(guān)系的替代資料。1980 年前,地面氣象站大氣能見度資料根據(jù)距離分為10個等級,而1980 年后,能見度資料為實際能見度距離。為了分析1960—2009年50 a中能見度數(shù)據(jù),需要進行標準化處理。由于各能見度等級所對應能見度距離的區(qū)間并不是等間隔劃分的,不宜采用區(qū)間中值,因而本文采用秦世廣等(2010)的統(tǒng)計結(jié)論,對1980年前的等級數(shù)據(jù)進行距離換算。
為了排除相對濕度(HR)和降水對能見度的影響,應對能見度進行修正。當相對濕度處于40%~99%時,需進行相對濕度訂正(Rosenfeld et al.,2011)。
通過相對濕度訂正,可將能見度資料轉(zhuǎn)化為同等干燥(HR<40%)條件下的數(shù)值;然后對有降水和霧天能見度資料進行剔除。由于黃山地區(qū)很少受沙塵天氣影響,修正后的能見度可表征氣溶膠含量。
圖4為黃山站1960—2009年修正后能見度的逐日變化趨勢。對其分三個區(qū)間進行擬合后發(fā)現(xiàn):1960—1979年黃山站能見度呈明顯下降趨勢,下降斜率為0.16,反映出黃山氣溶膠含量在這20 a中有顯著增加的趨勢;1980—1989年中黃山站能見度有小幅度上升趨勢,說明對應這一期間的氣溶膠含量稍有下降;1990—2009年,黃山站能見度呈遞減趨勢,下降斜率為0.14,能見度的遞減反映出這20 a中氣溶膠濃度增大,空氣污染加重。
2.3 氣溶膠對黃山地形云降水的作用
圖5為黃山站與三個對比站的年平均降水量及R0隨時間的變化趨勢。根據(jù)能見度變化,進行了三個區(qū)間的擬合:1960—1979年、1980—1989年及1990—2009年。1960—1979年黃山及三個對比站黃山區(qū)、績溪、黃山市的年均降水量均呈上升趨勢,各對比站的R0斜率均為正,黃山站降水較平原站的降水在這20 a中上升更迅速,由于黃山站及三個對比站的降水量高度相關(guān)(圖3),因此R0的變化趨勢能夠反映出氣溶膠對降水的影響。1960—1979年間能見度下降(圖4),氣溶膠含量增多,R0的上升趨勢反映出氣溶膠的增加在一定程度上對黃山降水的促進作用。1980—1989年黃山站和對比站的年均降水均呈下降趨勢,三個對比站R0的變化趨勢不一致。以績溪(58438)站為對比站的R0平緩上升,以黃山區(qū)和黃山市為對比站的R0呈下降趨勢,對應圖4中1980—1989年間能見度有小幅回升,氣溶膠含量略有降低。由于R0沒有統(tǒng)一的變化趨勢,氣溶膠在這一時間段中對黃山降水的影響存在不確定性。1990—2009年間黃山站的氣溶膠含量再次升高(圖4),黃山及三個平原對比站的年均降水量均呈下降趨勢,R0下降斜率較大,黃山降水的下降速率明顯快于三個對比站,由于降水的系統(tǒng)性變化不能解釋這一現(xiàn)象,而區(qū)域性降水的差異也不會造成明顯的影響,因而造成這一結(jié)果的原因可能為氣溶膠含量的變化。低海拔地區(qū)沒有地形強迫抬升作用,低層氣溶膠粒子的入云方式只能為湍流擴散或者熱力抬升 (Rosenfeld et al.,2011),且由于云底大多在大氣邊界層頂以上,使得入云的氣溶膠濃度較低,地形云受氣溶膠影響程度總體上高于低海拔地區(qū)的云。因此隨氣溶膠含量的升高,1990—2009年間黃山站的地形云降水受到顯著的抑制作用。
圖4 1960—2009年修正后黃山日平均能見度隨時間變化趨勢Fig.4 The trends of mean corrected daily visibility over the Yellow Mountain from 1960 to 2009
圖5 黃山和三個對比站黃山區(qū)(a,b)、績溪(c,d)、黃山市(e,f)的年均降水量(a,c,e;單位:mm)及R0變化趨勢(b,d,f)Fig.5 (a,c,e)The trends of annual precipitations(mm) and (b,d,f)R0 between the station over the Yellow Mountain and the stations in (a,b)Huangshan district,(c,d)Jixi and (e,f)Huangshan city
圖6 1960—2009年黃山與黃山市日降水量與黃山能見度的關(guān)系(a)及R0與黃山能見度的關(guān)系(b)Fig.6 The relation between (a)daily rainfall as well as (b)R0 at the Yellow Mountain and Huangshan city and the visibility at the Yellow Mountain from 1960 to 2009
2.4 降水與能見度的關(guān)系
圖6為黃山與黃山區(qū)1960—2009年能見度與降水量的關(guān)系,兩者降水差值(R0)與0的相對位置。鑒于能見度可以表征氣溶膠含量,R0大于0時,此時的能見度所對應的氣溶膠含量對黃山的降水起到促進作用,R0小于0時,能見度對應的氣溶膠含量對黃山降水起到抑制作用。由圖6可見,在能見度小于9 km時,R0均處于0線以下,此時能見度對應的氣溶膠對黃山降水起明顯抑制作用,隨能見度減小,抑制作用逐漸加大,在能見度為7 km時,抑制作用達到最大;在能見度為10~29 km時,R0在0線附近波動,此時能見度所對應的氣溶膠含量對降水的作用不明顯,即可能為抑制作用,亦可能表現(xiàn)為促進作用;在能見度處于30~41 km時,所有的R0基本為正,此時能見度對應的氣溶膠對于降水的作用為正,促進了黃山的降水,但其促進作用明顯弱于抑制作用,使R0在0~6.8內(nèi)波動,在能見度為33 km時促進作用達到最大值;在能見度大于41 km后,對R0的促進作用引起的波動振幅明顯減弱,此時能見度所對應的氣溶膠含量已經(jīng)非常小。
當山頂和山底站降水在氣溶膠對降水作用不明顯的范圍10~29 km變化時,二者曲線波動狀況較為一致,在能見度小于10 km時二者為明顯的反相關(guān),這一結(jié)果與戴進等(2008)的研究結(jié)果一致。當能見度大于29 km后,山底降水減小到較低值,與山頂降水存在一定反比趨勢,隨能見度降低,山頂與山底站降水的差距加大,即在這一區(qū)間增加氣溶膠含量可促進黃山站降水。
由于黃山是高山站,受到人類活動的直接影響較小,黃山站較其他周邊地區(qū)潔凈,1960年代初期黃山頂為較清潔地區(qū),氣溶膠的背景濃度對應的能見度應大于29 km;1960—1979年間能見度下降(圖4),氣溶膠含量增多,R0的上升趨勢反映出氣溶膠的增加在一定程度上對黃山降水的促進作用。1980—1989,此時的能見度有小幅度升高的趨勢,氣溶膠含量略微下降。由于三個對比站的R0無統(tǒng)一的變化趨勢,可以認為,此時能見度對應的氣溶膠含量對降水的作用存在較大的不確定性,但山頂山底降水差值減小,R0的整體分布較1960—1979有整體下移趨勢(圖5),點的集中分布更接近x軸,因此1980—1989年的氣溶膠含量應對應于10~29 km的能見度,對降水的作用不明顯,可能促進,也可能抑制。1990—2009年20 a中,能見度呈降低趨勢,氣溶膠含量持續(xù)增加,當其對應的能見度小于10 km后,氣溶膠對黃山降水起到明顯抑制作用,造成的R0呈顯著下降趨勢。
圖7 黃山站(a)和黃山市(b)風頻、風速(m/s)、平均降水量(mm)分布Fig.7 Wind frequency,wind speed(m/s) and the average precipitation(mm) at stations (a)over the Yellow Mountain and (b)in Huangshan city
2.5 風頻風速與R0的關(guān)系
圖7a、b分別為黃山及對比站黃山市的風頻、風速分布和各風向的平均降水量分布。由于1990年前數(shù)據(jù)缺測時段較多,本節(jié)選取1990—2009年相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)黃山走向(圖1)及黃山風頻(圖7a),可將黃山站風向大致分為:WNW-NNE(順風)、ESE-SSW(背風)、SW-W(左側(cè)風)和NE-E(右側(cè)風)進行討論。圖7a中,黃山站的風頻與降水有較好的正相關(guān)性,其中SW-W風向的降水頻率與風頻為各風向中的最大值,對比圖7b,山底對比站的風頻與降水沒有明顯相關(guān)關(guān)系??梢哉J為,黃山地形對降水分布影響顯著。圖7a、b中風速在各方向分布較均勻,與降水分布和風頻無相關(guān)性。
圖8、圖9分析了以黃山市作為對比站,1990—2009年風速風向與R0的相關(guān)關(guān)系。隨風速增大,R0有明顯上升趨勢,上升斜率為1.005,由前文知,1990—2009年間,氣溶膠含量明顯增大,R0呈下降趨勢,黃山站降水受抑制,隨風速增大R0增大,較大風速可以減弱氣溶膠對黃山降水的抑制作用,可能與風對氣溶膠的擴散作用有關(guān)。在風向與R0關(guān)系圖中,除右側(cè)風外,其他三個風向的R0均隨時間遞減,遞減快慢與降水分布、風頻成正比,SW-W風向R0遞減最快,平均降水、風頻最大,其次為WNW-NNE風向,ESE-SSW風向R0下降趨勢平緩,接近水平,平均降水、風頻較小;NE-E風向風頻極小,平均降水量少,R0基本不受風向影響,呈上升趨勢。
圖8 1990—2009年黃山站R0與風速關(guān)系(以黃山市作為對比站)Fig.8 The relation between R0and wind speed at the Yellow Mountain by comparing with that at the station in Huangshan city from 1990 to 2009
通過地形影響因子R0與黃山站修正后能見度關(guān)系進行對比,分析了氣溶膠對黃山地形云降水的影響作用,得到以下結(jié)論:
1)能見度大于29 km時對應的氣溶膠含量對黃山地形云降水起促進作用,能見度為10~29 km時對應的氣溶膠含量對黃山地形云降水的影響作用不明顯,小于10 km時對應的氣溶膠含量對黃山地形云降水起顯著抑制作用,7 km時抑制作用達到最大。其中,氣溶膠的抑制作用較促進作用更為顯著。黃山站的氣溶膠(1960年左右)含量較少,隨氣溶膠含量的增大,此時氣溶膠含量對應能見度應大于29 km,對地形云降水起促進作用(1960—1979年);1980—1989年黃山站能見度小幅度上升,R0無統(tǒng)一變化趨勢,此時的氣溶膠含量(對應能見度10~29 km)對黃山降水無確定的抑制或促進作用;1990—2009年能見度下降顯著,三個對比站的R0均顯著下降,此時的黃山站氣溶膠含量對應的能見度應小于10 km,對黃山地形云降水起明顯抑制作用。
2)1990—2009年,氣溶膠對降水的抑制作用與風速成反比,風速越大,抑制作用越不顯著。氣溶膠對降水的抑制作用與風頻和各風向平均降水量有良好的相關(guān)性,風頻越小,氣溶膠對降水的抑制作用越不明顯,R0甚至出現(xiàn)上升趨勢。
圖9 1990—2009年黃山站各風向R0變化趨勢(以黃山市作為對比站) a.迎風向;b.背風向;c.左側(cè)風向;d.右側(cè)風向Fig.9 The trend of R0in each wind direction at the Yellow Mountain by comparing with the station in Huangshan city from 1990 to 2009 a.windward direction;b.leeward direction;c.left crosswind direction;d.right crosswind direction
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(責任編輯:劉菲)
TheeffectofartificialaerosolsonorographicprecipitationAcasestudyovertheYellowMountain
JIANG Qi1,YIN Yan1,SHAN Yun-peng1,LI Ai-hua2,CHEN Kui1
(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Anhui Meteorological Observatory,Hefei 230061,China)
Based on the difference in precipitation between the station over the Yellow Mountain and those in Huangshan District,Jixi and Huangshan city,which is defined as the orographic enhancement factor(R0),as well as the change of visibility during 1960 and 2009,the possible ways that air pollution aerosols influenced orographic precipitation were studied.During 1960 and 1979,the increasing trend ofR0matched well with the decreasing visibility and increasing aerosols.Different stations presented different change trends forR0while the visibility was increasing and aerosol was decreasing during 1980 and 1989.With decreasing visibility and increasing aerosols,R0decreased significantly during 1990 and 2009.The effect of aerosols on the orographic precipitation was relevant with background concentration of aerosols.When the background concentration of aerosols was low,increasing aerosols would promote orographic precipitation.When the background concentration of aerosols was high,air pollution aerosols would suppress orographic precipitation significantly and the corresponding visibility threshold was about 10 km.When the aerosols suppressed orographic precipitation,the inhibition effect was negatively correlated with the wind speed and positively correlated with wind frequency and average precipitation in each wind direction.
orographic precipitation;aerosols;the orographic enhancement factor;visibility
2012-11-05;改回日期2013-02-20
國家自然科學基金資助項目(41030962);江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)
銀燕,教授,研究方向為云物理降水和氣溶膠,yinyan@nuist.edu.cn.
10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121105001.
1674-7097(2014)04-0405-09
P427
A
10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121105001
江琪,銀燕,單云鵬,等.2014.人為氣溶膠對地形云降水的影響:以黃山地區(qū)為例[J].大氣科學學報,37(4):405-413.
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