云滴譜離散度對氣溶膠間接效應(yīng)影響的研究進(jìn)展

解小寧，劉曉東，王昭生

（中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061）

doi：10.7515/JEE201502008

云滴譜離散度對氣溶膠間接效應(yīng)影響的研究進(jìn)展

解小寧，劉曉東，王昭生

（中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061）

氣溶膠作為云凝結(jié)核（CCN）或者冰核（IN），通過改變云微物理屬性可以間接地影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡及區(qū)域乃至全球水循環(huán)。最新研究結(jié)果表明，云滴譜離散度對氣溶膠間接效應(yīng)（包括第一及第二間接效應(yīng)）有著重要的影響（簡稱為云滴譜離散度效應(yīng)）。然而，在目前絕大多數(shù)天氣、氣候數(shù)值模式中并沒有考慮云滴譜離散度效應(yīng)。因此，本文主要從云滴譜離散度對氣溶膠第一間接效應(yīng)和第二間接效應(yīng)影響的兩方面入手，系統(tǒng)地回顧了國內(nèi)外相關(guān)研究工作，并討論了云滴譜離散度效應(yīng)的不確定性，進(jìn)一步指出減少該效應(yīng)不確定性是未來需要關(guān)注的研究方向。

云滴譜離散度效應(yīng)；氣溶膠第一間接效應(yīng)；氣溶膠第二間接效應(yīng)

作為大氣中重要微量成分的氣溶膠，對區(qū)域乃至全球氣候都有著重要的影響，被稱為氣溶膠的氣候效應(yīng)。近幾十年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人類活動的明顯加劇，氣溶膠的氣候效應(yīng)越來越受到大家的關(guān)注。氣溶膠的氣候效應(yīng)通?？梢苑譃闅馊苣z的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。大氣氣溶膠通過直接和間接的氣候效應(yīng)共同影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡以及水循環(huán)。

氣溶膠的直接效應(yīng)（Aerosol direct effect）是指氣溶膠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（Charlson et al，1992；Schwartz，1996；張小曳，2007）。氣溶膠間接效應(yīng)（Aerosol indirect effect）是指大氣溶膠可作為云凝結(jié)核（CCN）或者冰核（IN），增加云滴數(shù)濃度，進(jìn)而改變云的光學(xué)性質(zhì)和云的生命期，間接對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生輻射強(qiáng)迫作用。氣溶膠間接效應(yīng)包括氣溶膠第一間接效應(yīng)和第二間接效應(yīng)。氣溶膠第一間接效應(yīng)是指在液態(tài)水含量一定的情況下，氣溶膠可以增加云滴數(shù)濃度，減少云滴有效半徑，從而導(dǎo)致云反照率的增加，也可稱為云反照率效應(yīng)（Twomey，1974）。氣溶膠第二間接效應(yīng)是指氣溶膠的增加使得云滴體積半徑減小，降低云滴碰撞合并形成雨滴的微物理過程效率，進(jìn)而增加了液態(tài)水含量及云的生命史，因此也被稱為云生命史效應(yīng)（Albrecht，1989）。

目前關(guān)于氣溶膠直接效應(yīng)的研究遠(yuǎn)比氣溶膠間接效應(yīng)研究成熟得多（IPCC，2007），為此，本文主要討論氣溶膠間接效應(yīng)的相關(guān)問題。由于氣溶膠粒子與云的光學(xué)特性之間關(guān)系的復(fù)雜性，使得氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫的研究存在很大的困難，因此氣溶膠第一間接效應(yīng)目前還存在比較大的不確定性。IPCC關(guān)于全球氣候變化的第四次評估報告指出，相對于溫室氣體、臭氧、以及氣溶膠直接效應(yīng)，氣溶膠第一間接輻射強(qiáng)迫（云反照率效應(yīng)）存在最大的不確定性，其平均值為-0.7W·m-2，存在一個從-1.8W·m-2到-0.3W·m-2的不確定性區(qū)間（IPCC，2007）。也有一些研究者利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)校正的全球氣候模式（GCM）指出（Lohmann and Lesins，2002；Quaas et al，2006），IPCC（2007）或許高估了氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫。進(jìn)一步，Quaas et al（2008）利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)估計出的結(jié)果也驗證了該結(jié)論。

相對于氣溶膠第一間接效應(yīng)，由于氣溶膠、云和降水之間高度非線性的相互作用使得氣溶膠對地表降水的影響（氣溶膠第二間接效應(yīng)）則表現(xiàn)得更為復(fù)雜（Hobbs，1993）。不管是從觀測還是模擬的角度，氣溶膠引起地表降水的增加或者減少的現(xiàn)象都是存在的（Tao et al，2012）。觀測研究顯示，針對淺的或者暖云降水，氣溶膠可以減少地表累積降水（Radke，1989；Rosenfeld，1999，2000，2006；Ackerman et al，2003）。在中國的西北地區(qū)（Rosenfeld et al，2007；戴進(jìn)等，2008）和華北地區(qū)（段婧和毛節(jié)泰，2008），氣象觀測資料都顯示氣溶膠污染使得區(qū)域降水有明顯減少。另外，氣溶膠也可以通過加強(qiáng)對流，加速云水到雨水的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加地表累積降水（Shepherd and Burian，2003；Koren，2005）。數(shù)值模式研究也證實了氣溶膠可以抑制降水，也可以增加地表降水（Tao et al，2012）。

此外，最新研究還發(fā)現(xiàn)，氣溶膠對降水的影響并不是簡單的線性變化，而是一種非線性的響應(yīng)（Li et al， 2008）。地表累積降水隨著CCN濃度的增加是非線性變化的，在CCN濃度較低時，隨著CCN濃度的增加降水增加；而在CCN濃度較高時，地表累積降水隨著CCN濃度的增加反而減少。地表累積降水對氣溶膠濃度變化的這種非線性響應(yīng)，也被其他研究所證實（Lim and Hong，2010；Xie and Liu，2015）。由此可見，有關(guān)氣溶膠對降水的影響，目前的認(rèn)識仍然是非常初步的，甚至氣溶膠對降水的影響是正效應(yīng)、負(fù)效應(yīng)，還是非線性效應(yīng)，都不得而知。

另一方面，云滴有效半徑直接決定著云反照率等與輻射有關(guān)的物理量，由于氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫的不確定性，研究云滴有效半徑的參數(shù)化也是非常熱門的話題。另外，云水自動轉(zhuǎn)化過程是云微物理過程中最重要的過程之一，是連接氣溶膠、云和降水的重要橋梁。云水自動轉(zhuǎn)化過程一般是指云滴碰撞合并成小雨滴的過程，它決定著暖云性降水的開始，影響降水總量以及全球水循環(huán)。合適的云水自動轉(zhuǎn)化過程的參數(shù)化表述有助于提高我們對云的宏觀、微觀性質(zhì)以及云和氣溶膠氣候效應(yīng)的科學(xué)認(rèn)識（Boucher et al，1995；Rotstayn and Liu，2005；Xie and Liu，2015）。

為了減少氣溶膠間接效應(yīng)（包括氣溶膠第一和第二間接效應(yīng)）的不確定性，改進(jìn)氣候模式中云反饋過程的云滴有效半徑和云水自動轉(zhuǎn)化率參數(shù)化方案是非常關(guān)鍵的。而最新的研究結(jié)果表明，云滴譜離散度（衡量云滴的尺度分布離散程度的參數(shù)）是云滴有效半徑和云水自動轉(zhuǎn)化過程參數(shù)化中不可忽視的重要參數(shù)，因此云滴譜離散度對氣溶膠第一間接效應(yīng)和第二間接效應(yīng)都有著重要的影響（簡稱為云滴譜離散度效應(yīng)）。然而，在目前絕大多數(shù)天氣、氣候數(shù)值模式中并沒有考慮云滴譜離散度效應(yīng)。因此，本文主要是從云滴譜離散度對氣溶膠第一間接效應(yīng)和第二間接效應(yīng)影響的兩個方面入手，對國內(nèi)外相關(guān)研究工作做了詳細(xì)和全面的回顧。同時討論了云滴譜離散度效應(yīng)的不確定性，以及未來為減少該效應(yīng)不確定性值得研究的方向，以期望能得到更多研究工作者對該問題的關(guān)注。

1 云滴譜離散度

云滴尺度譜分布函數(shù)通?？梢圆捎胓amma分布函數(shù)來描述，

在這里，r表示云滴的半徑，n（r）是具有半徑為r的云滴數(shù)濃度，Nc是總的云滴數(shù)濃度，云滴譜型參數(shù)μ是云滴譜離散度ε的函數(shù)。

云滴譜離散度ε是指云滴尺度譜的相對離散度，它可以用來衡量云滴的尺度分布的離散程度。云滴譜離散度ε被定義為云滴尺度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ和平均半徑的比值。從方程（1）云滴尺度譜的gamma分布函數(shù)，我們可以得到云滴譜離散度ε，

當(dāng)云滴譜離散度為零時，表示所有云滴都在同一個尺度上；而當(dāng)云滴譜離散度比較大時，表示大云滴和小云滴有著比較高的混合度。

表1 不同ε -Nc關(guān)系式，對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和關(guān)系式類型Table 1 Different relationships between spectral dispersion and cloud droplet number concentration，their corresponding mathematical expressions，and the types of relationships

很多的觀測結(jié)果表明云滴譜離散度ε并不是一個自由的參數(shù)，該參數(shù)與云滴數(shù)濃度Nc有著直接的關(guān)系（Martin et al，1994；Grabowski，1998；Rotstayn and Liu，2003；Daum et al，2007；Ma et al，2010；Xie and Liu，2013）。然而，目前觀測給出的ε -Nc關(guān)系式存在很大的不確定性。表1總結(jié)給出目前觀測得到的幾種不同ε -Nc關(guān)系式。從表1可以看出，Martin關(guān)系式（Martin et al，1994）和Rotstayn-Liu關(guān)系式（Rotstayn and Liu，2003）顯示ε -Nc具有正關(guān)系式，即隨著云滴數(shù)濃度Nc的增加，云滴譜離散度ε增加；Grabowski（Grabowski，1998），Daum（Daum et al，2007），Ma（Ma et al，2010）和Xie（Xie and Liu，2013）關(guān)系式表明ε -Nc具有反關(guān)系式，隨著Nc的增加，ε是減少的。這是因為，云滴譜離散度的變化是非常復(fù)雜的，它可能依賴于眾多的因子，例如氣溶膠的物理性質(zhì)，化學(xué)組成，動力過程以及其他的環(huán)境因子（Khain et al，2000；Yum and Hudson，2005；Lu and Seinfeld，2006；Peng et al，2007）。最近的理論分析表明，ε-Nc關(guān)系式依賴于云的向上速度w，ε與w成反比，因此可以導(dǎo)致ε-Nc反關(guān)系式的出現(xiàn)（Liu et al，2006）。

另外，有研究表明，云滴譜離散度與云滴數(shù)濃度存在更為復(fù)雜的關(guān)系。Zhao et al（2006）通過分析大量的亞洲地區(qū)不同區(qū)域云滴尺度譜的飛機(jī)觀測資料，指出云滴譜離散度很難能用云滴數(shù)濃度的簡單數(shù)學(xué)表達(dá)式來表述。當(dāng)在云滴數(shù)濃度比較低的時候（大約50cm-3），云滴譜離散度存在較大的變化范圍（0.2～ 0.8），而在云滴數(shù)濃度較多時，云滴譜離散度匯聚成一個很小的范圍（0.4～0.5）。還有一些觀測結(jié)果表明，相對于云滴數(shù)濃度Nc，利用單一的云水含量γ（定義為流體水含量Lc與云滴數(shù)濃度的比值Nc，即γ=Lc/Nc）可以更好地對云滴譜離散度進(jìn)行參數(shù)化（Wood，2000；Liu et al，2008）。

2 云滴譜離散度對氣溶膠第一間接效應(yīng)的影響

云滴譜離散度通過改變云滴有效半徑，進(jìn)而影響氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫。根據(jù)云滴譜離散度與云滴數(shù)濃度的正關(guān)系，解析和模擬的研究都表明云滴譜離散度效應(yīng)對于氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫有一個附加效應(yīng)，會減少氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫（Liu and Daum，2002；Peng and Lohmann，2003；Rotstayn and Liu，2003；Chen and Penner，2005）。Liu and Daum（2002）通過解析的方法估計考慮云滴譜離散度效應(yīng)，使得氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫可以被有效地減少10%～80%。利用全球氣候模式（GCM），數(shù)值試驗結(jié)果顯示云滴譜離散度效應(yīng)使得氣溶膠第一間接輻射強(qiáng)迫減少15%（Peng and Lohmann，2003），12%～35%（Rotstayn and Liu，2003），18%（Chen and Penner，2005）。下面我們給出云滴譜離散度影響氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫的理論基礎(chǔ)，以及利用目前發(fā)現(xiàn)不同ε -Nc關(guān)系式（表1），給出相應(yīng)的氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫的不確定性范圍。

云滴的有效半徑Re被定義為下述表達(dá)式，

式中，n（r）是具有半徑為r的云滴數(shù)濃度，采用的是方程（1）描述的gamma分布函數(shù)。因此在整個云滴尺度范圍內(nèi)積分可以得到（Liu and Daum，2002；Xie and Liu，2013），

Rv是云滴體積半徑，。ρw表示流體水的密度，Nc和Lc分別代表云滴的數(shù)濃度（cm-3），以及云水含量（g·cm-3）。從圖1可以看出，當(dāng)ε=0時，Re=Rv，云滴有效半徑和體積半徑是相同的；當(dāng)ε變大時，相對于云滴體積半徑Rv，云滴有效半徑Re將變得越來越大。因此，云滴譜離散度ε將會通過改變云滴有效半徑Re，進(jìn)一步影響氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫。

云光學(xué)厚度（Peng and Lohmann，2003），云反照率α（Lacis and Hansen，1974；Meador and Weaver，1980；Bohren，1987），以及云反照率擾動引起的全球平均短波輻射強(qiáng)迫dFε（Charlson et al，1992）被定義為，

Hc表示云厚；a和b都是常數(shù)，a=2，b=（Lacis and Hansen，1974），a=1，b=1（Meador and Weaver，1980），a=2，b=1（Bohren，1987）；FT是太陽常數(shù)，Ac是云量參數(shù)。

從方程（4）、（5）、（6）、（7），我們可以得到云滴數(shù)濃度擾動引起的全球平均短波輻射強(qiáng)迫ΔFε（Xie and Liu，2013），

利用上式（8），文獻(xiàn)（Xie and Liu，2013）給出了氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫ΔFε，以及不考慮云滴譜離散度（ε=0）時的輻射強(qiáng)迫ΔF0（圖2）。圖2顯示不考慮云滴譜離散度的氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫是-1.03W·m-2，對于不同ε -Nc關(guān)系式給出的氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫ΔFε存在-0.73 W·m-2到-1.29 W·m-2的變化范圍。相對于ΔF0，不同ε -Nc關(guān)系式對應(yīng)ΔFε變化率從-29.1%到25.2%。

圖1 云滴有效半徑與云滴譜離散度的關(guān)系，假定Fig.1 Relationships between cloud droplet effective radius and spectral dispersion，assuming

圖2 不同ε -Nc關(guān)系式給出的氣溶膠第一間接輻射強(qiáng)迫（Fε），及未考慮ε的氣溶膠第一間接輻射強(qiáng)迫 （F0）Fig.2 The f rst indirect aerosol radiative forcing（Fε） for the different ε -Ncrelationships and the f rst indirect aerosol radiative forcing（F0） without ε

從上邊的結(jié)論，我們可以看到云滴譜離散度對氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫有著重要的影響。因此，精確描述云滴譜離散度與云滴數(shù)濃度的關(guān)系，將可以有效的減少氣溶膠第一間接效應(yīng)的不確定度，提高區(qū)域及全球氣候模式的可信度。

3 云滴譜離散度對氣溶膠第二間接效應(yīng)的影響

云滴譜離散度通過改變云水自動轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而影響氣溶膠—云—降水的相互作用。云水自動轉(zhuǎn)化過程是指云微物理過程中云滴碰撞合并成小雨滴的過程，是連接氣溶膠、云和降水的重要橋梁；它決定著暖云性降水的開始，影響降水的時空分布和降水總量，以及全球的水循環(huán)。精確的云水自動轉(zhuǎn)化過程參數(shù)化有助于提高我們對云的宏觀、微觀性質(zhì)以及氣溶膠氣候效應(yīng)的科學(xué)認(rèn)識（Boucher et al，1995；Rotstayn and Liu，2005；Xie and Liu，2015）。近些年來新發(fā)展的云水自動轉(zhuǎn)化過程參數(shù)化方案Seifert-Beheng方案（Seifert and Beheng，2001）和Khairoutdinov-Kogan方案（Khairoutdinov and Kogan，2000）可以較好地模擬云微物理變量的時空分布，以及地表的降水分布，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代天氣氣候模式（e.g.，新一代中尺度天氣預(yù)報模式WRFV3，以及美國NCAR最新公布的全球公用大氣模式CAM5）。然而，這些參數(shù)化方案并沒有考慮云滴譜離散度效應(yīng)，這將可能在高估氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫（Rotstayn and Liu，2005）。

最新的研究結(jié)果表明，與人類排放的氣溶膠有著密切關(guān)系的云滴譜離散度能改變云水的自動轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而可能影響氣溶膠—云—降水的相互作用（Liu and Daum，2004；Liu et al，2007；Xie and Liu，2009）。Liu and Daum（2004）從第一性原理出發(fā)，利用積分平均值理論，解析得到gamma分布函數(shù)的云水含量的自動轉(zhuǎn)化率表達(dá)式，該表達(dá)式可以考慮云滴譜離散度效應(yīng)。進(jìn)一步，Liu et al（2007）把上述方法進(jìn)行推廣，并得到了云滴數(shù)濃度以及云水含量的雙參數(shù)云水自動轉(zhuǎn)化過程的參數(shù)化方案。最近，Xie and Liu（2009）解析得到考慮云滴譜離散度的三參數(shù)云水自動轉(zhuǎn)化率的理論表達(dá)式（包括云水的質(zhì)量濃度、數(shù)濃度以及雷達(dá)反射率的自動轉(zhuǎn)化率）。該表達(dá)式是針對一般化的gamma分布函數(shù)，因此從該數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以直接得到gamma分布函數(shù)和weibull分布函數(shù)的多參數(shù)云水自動轉(zhuǎn)化率。這類參數(shù)化方案可以用來研究氣溶膠的間接效應(yīng)，更為重要的是可以考慮云滴譜離散度效應(yīng)。另外，這類考慮云滴譜離散度的云水自動轉(zhuǎn)化過程參數(shù)化方案也被成功地應(yīng)用于數(shù)值模式中（Xie and Liu，2011；Xie et al，2013）。

云滴總動量Y對應(yīng)的云水自動轉(zhuǎn)化率PY，率函數(shù)P0以及閾值函數(shù)T，可以表示為（Liu et al，2007；Xie and Liu，2009），

α是代表云滴總動量Y的參數(shù)，p是總動量階數(shù)。當(dāng)α=1，p=0時，云滴總動量Y對應(yīng)總云滴數(shù)濃度Nc；當(dāng)，p=3時，總動量Y表示云水含量Lc；而當(dāng)α=64，p=6，總動量Y對應(yīng)云雷達(dá)反射率Zc。R是收集云滴的半徑，r是被收集云滴的半徑，K（R，r）是碰撞核函數(shù)，積分區(qū)域是所有云滴的尺度范圍。Long在1974年給出當(dāng)R＜50μm，碰撞核函數(shù)K（R，r）可以被近似地表述為K（R，r）=k2R6，系數(shù)k≈1.9×1011cm-3·s-1。

應(yīng)用云滴尺度譜分布函數(shù)采用gamma分布函數(shù)（1），可以得到考慮云滴譜離散度的雙參數(shù)云水自動轉(zhuǎn)化過程參數(shù)化表達(dá)式，

PN、PL分別代表云滴數(shù)濃度的自動轉(zhuǎn)化率（cm-3·s-1） 和云滴質(zhì)量濃度的自動轉(zhuǎn)化率（g·cm-3·s-1）。在這里，gamma函數(shù)可以表述為，不完全gamma函數(shù)定義為xc是rc的對應(yīng)的臨界質(zhì)量和平均質(zhì)量的比值（Liu et al，2007）。Nc的單位是cm-3，Lc的單位g·cm-3。

簡單地考慮云滴譜離散度的單參數(shù)云水自動轉(zhuǎn)化過程參數(shù)化方案，云滴質(zhì)量濃度的自動轉(zhuǎn)化率PL可以表示為（Liu and Daum，2004），

圖3指出云滴質(zhì)量濃度的自動轉(zhuǎn)化率與云滴譜離散度有著很強(qiáng)的依賴關(guān)系，云水自動轉(zhuǎn)化率會隨著云滴譜離散度的增加而增加。比較大的云滴譜離散度表示，半徑大的云滴和小的云滴有很好的混合度，進(jìn)而使得云滴碰撞合并的效率比較高。因此，云滴譜離散度則通過改變云水自動轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而改變地表降水，影響氣溶膠—云—降水的相互作用。

簡單地考慮云滴譜離散度的單參數(shù)云水自動轉(zhuǎn)化過程參數(shù)化方案（11）已經(jīng)被應(yīng)用于中尺度模式WRF中，進(jìn)行天氣氣候方面的研究工作（Xie and Liu，2011；Xie et al，2013）。Xie and Liu（2011）通過云滴譜離散度的敏感性試驗，結(jié)果表明云滴譜離散度對地表累積降水有著明顯的改變，且在不同的氣溶膠背景下，降水對云滴譜離散度的響應(yīng)是不同的。另外，通過在數(shù)值模式中耦合不同類型云滴譜離散度ε與云滴數(shù)濃度Nc關(guān)系式（ε-Nc正關(guān)系式；ε-Nc反關(guān)系式），研究了中尺度對流系統(tǒng)中氣溶膠對降水的影響（Xie et al，2013）。數(shù)值試驗的結(jié)果表明，氣溶膠對地表累計降水影響強(qiáng)烈依賴于ε-Nc關(guān)系式。當(dāng)ε-Nc為正關(guān)系式時，降水量隨著氣溶膠的增加而增加；而對于ε-Nc為反關(guān)系式時，累計降水量隨著氣溶膠的增加而減少。該結(jié)果建議，ε-Nc的精確表達(dá)式或許可以進(jìn)一步加深對氣溶膠—云—降水相互作用過程的理解。

圖3 云水自動轉(zhuǎn)化率與云滴譜離散度的關(guān)系Nc=50cm-3，Lc=1g·m-3Fig.3 Relationships between autoconversion rate and clouddroplet spectral dispersion，with Nc=50 cm-3， Lc=1 g·m-3

4 結(jié)語與展望

氣溶膠作為云凝結(jié)核（CCN）或者冰核（IN），可以間接地影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡（氣溶膠第一間接效應(yīng)），以及區(qū)域和全球水循環(huán)（氣溶膠第二間接效應(yīng)）。由于缺乏對外部強(qiáng)迫引起云反饋的全面認(rèn)識，因而氣溶膠—云—輻射—降水相互作用仍然是氣候模擬和氣候預(yù)測中最大的不確定性之一（Tao et al，2012）。本文主要是從云滴譜離散度對氣溶膠第一間接效應(yīng)和第二間接效應(yīng)影響的兩個方面入手，指出云滴譜離散度在氣溶膠—云—輻射—降水相互作用過程中的重要性，并討論了云滴譜離散度效應(yīng)的不確定性。

從已有的研究結(jié)果來看，云滴譜離散度通過影響云滴有效半徑和云水自動轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而在氣溶膠—云—輻射—降水相互作用過程中起著非常重要的作用。相對于不考慮云滴譜離散度的氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫，不同ε-Nc關(guān)系式給出氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫變化率從-29.1%到25.2%的范圍；而不同類型ε-Nc關(guān)系式甚至?xí)饸馊苣z增加或者減少地表降水。因此，精確描述云滴譜離散度與云微物理量（例如，云滴數(shù)濃度）的關(guān)系，對于我們加深理解氣溶膠—云—輻射—降水的相互作用有很大的幫助。

今后可以從以下的兩個方面進(jìn)一步加強(qiáng)理解云滴譜離散度變化規(guī)律的研究，以減少氣溶膠間接效應(yīng)的不確定性：（1）根據(jù)不同氣溶膠背景（清潔背景，污染背景）、不同地區(qū)（海洋地區(qū)，大陸地區(qū)）、不同云類型（層云，積云）、以及不同的氣象環(huán)境（不同相對濕度，不同大氣穩(wěn)定度）等的飛機(jī)觀測資料，進(jìn)行分析和討論，期望能得到更為信服的云滴譜離散度變化規(guī)律，以提供更好的云滴譜離散度的參數(shù)化描述。（2）利用分檔云微物理參數(shù)化方案研究云滴譜離散度的變化規(guī)律。和體積水方案相比，分檔參數(shù)化方案有它自身的獨特的性質(zhì)，該方案可以完全預(yù)報云滴尺度譜分布，不需要對云滴譜離散度進(jìn)行參數(shù)化。因此利用分檔參數(shù)化方案可以對云滴譜離散度進(jìn)行預(yù)報，進(jìn)而可以研究云滴譜離散度的變化規(guī)律。

另外，在模式中耦合考慮云滴譜離散度的云滴有效半徑參數(shù)化（4）和雙參數(shù)云水自動轉(zhuǎn)化過程參數(shù)化（10），形成完全自洽的云微物理參數(shù)化方案。將會幫助我們更加全面地認(rèn)識氣溶膠—云—輻射—降水的相互作用。

戴 進(jìn)，余 興，Rosenfeld Daniel，等.2008.秦嶺地區(qū)

氣溶膠對地形云降水的抑制作用［J］.大氣科學(xué)，32：1319-1332.[Dai J，Yu X，Rosenfeld D，et al.2008.Thesuppression of aerosols to the orographic precipitation in the Qin ling Mountains［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，32（6） ：1319 - 1332.］

段 婧，毛節(jié)泰.2008.華北地區(qū)氣溶膠對區(qū)域降水的影響［J］.科學(xué)通報，53（23）：2947-2955.[Duan J，Mao J T.2009.Inf uence of aerosol on regional precipitation in North China［J］.Chinese Science Bulletin，54（3）：474-483.］

張小曳.2007.中國大氣氣溶膠及其氣候效應(yīng)的研究[J］.地球科學(xué)進(jìn)展，22（1）：12-16.[Zhang X Y.2007.Aerosol over China and their climate effect［J］.Advances in Earth Science，22（1）：12-16.］

Ackerman A S，Toon O B，Stevens D E，et al.2003.Enhancement of cloud and suppression of nocturnal drizzle in stratocumulus polluted haze［J］.Geophysical Research Letters，30（7）：1381，doi:10.1029/2002GL016634.

Albrecht B A.1989.Aerosols，cloud microphysics，and fractional cloudiness［J］.Science，245：1227-1230.

Bohren C F.1987.Multiple-scattering of light and some of its observable consequences［J］.American Journal of Physics，55：524-533.

Boucher O，Le Treut H，Baker M B.1995.Precipitation and radiation modeling in a general circulation model：Introduction of cloud microphysical processes［J］.Journal of Geophysical Research，100：16395-16414.

Charlson R J，Schwartz S E，Hales J M，et al.1992.Climate forcing by anthropogenic aerosols［J］.Science，255：423-430.

Chen Y，Penner J E.2005.Uncertainty analysis for estimates of the f rst indirect effect［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，5：2935-2948.

Daum P H，Liu Y，McGraw R，et al.2007.Microphysical properties of stratus/stratocumulus clouds during the 2005 marine stratus/stratocumulus experiment（MASE）［R］.Rep.BNL-77935-2007-JA，Brookhaven Natl.Lab.，Upton，N.Y.Grabowski W W.1998.Toward cloud resolving modeling of large-scale tropical circulations：A simple cloud microphysics parameterization［J］.Journal of Atmospheric Sciences，55：3283-3298.

Hobbs P V.1993.Aerosol-Cloud Interaction［M］.Academic，San Diego，Calif.

IPCC.2007.Climate change 2007：The physical science basis.Contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［M］.Cambridge：Cambridge University Press.

Khain A，Ovtchinnikov M，Pinsky M，et al.2000.Notes on the state-of-the-art numerical modeling of cloud microphysics［J］.Atmospheric Research，55：159-224.Khairoutdinov M，Kogan Y.2000.A new cloud physics parameterization in a large-eddy simulation model of marine stratocumulus［J］.Monthly Weather Review，128：229-243.

Koren I.2005.Aerosol invigoration and restructuring of Atlantic convective clouds［J］.Geophysical Research Letters，32：L14828，doi:10.1029/2005GL023187.

Lacis A A，Hansen J E.1974.A parameterization for the absorption of solar radiation in the Earth's atmosphere［J］.Journal of Atmospheric Sciences，31:118-133.

Li G，Wang Y，Zhang R.2008.Implementation of a twomoment bulk microphysics scheme to the WRF model to investigate aerosol-cloud interaction［J］.Journal of Geophysical Research，113:D15211.

雖然我國植樹造林質(zhì)量發(fā)展一直很好，但對于某些地區(qū)，森林防火造林質(zhì)量必然會稍微落后，這就要求有關(guān)部門重視這森林防火這一點。造林質(zhì)量技術(shù)在我國已經(jīng)非常前衛(wèi)，但不可避免地會出現(xiàn)一系列森林防火的問題。最突出的是管理不完善，因為現(xiàn)在人們?yōu)榱俗约旱墓ぷ魇菫榱巳棠蜁r間，沒有表現(xiàn)出對工作的熱情，所以造森林防火的問題也就不會出乎意料。同時，森林防火問題不僅在管理上，而且也存在很大的問題。當(dāng)然，這個問題不能一蹴而就，還需要認(rèn)真對待，以更好地提高森林防火造林質(zhì)量。是集中的，所以人們可以提供精確的位置坐標(biāo)。

Lim K S S，Hong S Y.2010.Development of an effective double-moment cloud microphysics scheme with prognostic Cloud Condensation Nuclei（CCN） for weather and climate models［J］.Monthly Weather Review，138：1587-1612.

Liu Y，Daum P H，Guo H，et al.2008.Dispersion bias，dispersion effect and aerosol-cloud conundrum［J］.Environmental Research Letters，3：045021.

Liu Y，Daum P H，McGraw R，et al.2007.Theoretical expression for the autoconversion rate of the cloud droplet number concentration［J］.Geophysical Research Letters，34：L16821.Liu Y，Daum P H，Yum S S.2006.Analytical expression for the relative dispersion of the cloud droplet size distribution［J］.Geophysical Research Letters，33：L02810

Liu Y，Daum P H.2002.Indirect warming effect from dispersion forcing［J］.Nature，419：580-581.

Liu Y，Daum P H.2004.Parameterization of the autoconversion process.Part I：Analytical formulation of the Kessler-type parameterizations［J］.Journal of Atmospheric Sciences，61：1539-1548.

Lohmann U，Lesins G.2002.Stronger constraints on the anthropogenic indirect aerosol effect［J］.Science，298：1012-1015.

Lu M L，Seinfeld J H.2006.Effect of aerosol number concentration on cloud droplet dispersion：A large-eddy simulation study and implications for aerosol indirect forcing［J］.Journal of Geophysical Research，111：D02207.

Ma J，Chen Y，Wang W，et al.2010.Strong air pollution causes widespread haze-clouds over China［J］.Journal ofGeophysical Research，115：D18204.

Martin G M，Johnson D W，Spice A.1994.The measurement and parameterization of effective radius of droplets in warm stratocumulus clouds［J］.Journal of Atmospheric Sciences，51：1823-1842.

Meador W E，Weaver W R.1980.Two-stream approximations to radiative transfer in planetary atmospheres：A unified description of existing methods and new improvements［J］.Journal of Atmospheric Sciences，37：630-643.

Peng Y，Lohmann U，Leaitch R，et al.2007.An investigation into the aerosol dispersion effect through the activation process in marine stratus clouds［J］.Journal of Geophysical Research，112：D11117.

Peng Y，Lohmann U.2003.Sensitivity study of the spectral dispersion of the cloud droplet size distribution on the indirect aerosol effect［J］.Geophysical Research Letters，30（10）：1507.Quaas J，Boucher O，Bellouin N，et al.2008.Satellite-based estimate of the direct and indirect aerosol climate forcing［J］.Journal of Geophysical Research，113：D05204.

Quaas J，Boucher O，Lohmann，U.2006.Constraining the total aerosol indirect effect in the LMDZ and ECHAM4 GCMs using MODIS satellite data［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，6：947-955.

Radke L F.1989.Direct and remote-sensing observations of the effects of ships on clouds［J］.Science，246：1146-1149.

Rosenfeld D.1999.TRMM observed first direct evidence of smoke from forest f res inhibiting rainfall［J］.Geophysical Research Letters，26：3105-3108.

Rosenfeld D.2000.Suppression of rain and snow by urban and industrial air pollution［J］.Science，287：1793-1796.

Rosenfeld D.2006.Aerosols，clouds，and climate［J］.Science，312：1323-1324.

Rosenfeld D，Dai J，Yu X，et al.2007.Inverse relations between amounts of air pollution and orographic precipitation［J］.Science，315：1396-1398.

Rotstayn L D，Liu Y.2003.Sensitivity of the first indirect aerosol effect to an increase of cloud droplet spectral dispersion with droplet number concentration［J］.Journal of Climate，16：3476-3481.

Rotstayn L D，Liu Y.2005.A smaller global estimate of the second indirect aerosol effect［J］.Geophysical Research Letters，32：L05708.

Schwartz S E.1996.The white house effect shortwave radiative forcing of climate by anthropogenic aerosols：An overview［J］.Journal of Aerosol Science，27：359-382.

Seifert A，Beheng K D.2001.A double-moment parameterization for simulating autoconversion，accretion and selfcollection［J］.Atmospheric Research，59 - 60：265 - 281.

Shepherd J M，Burian S J.2003.Detection of urban-induced rainfall anomalies in a major coastal city［J］.Earth Interactions，7：1-14.

Tao W K，Chen J P，Li Z，et al.2012.Impact of aerosols on convective clouds and precipitation［J］.Reviews of Geophysics，50：RG2001.

Twomey S.1974.Pollution and the planetary albedo［J］.Atmospheric Environment，8：1251-1256.

Wood R.2000.Parametrization of the effect of drizzle upon the droplet effective radius in stratocumulus clouds［J］.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，126：3309-3324.

Xie X N，Liu X D.2009.Analytical three-moment autoconversion parameterization based on generalized gamma distribution［J］.Journal of Geophysical Research，114：D17201.

Xie X N，Liu X D.2011.Effects of spectral dispersion on clouds and precipitation in mesoscale convective systems［J］.Journal of Geophysical Research，116：D06202.

Xie X N，Liu X D.2013.Analytical studies of the cloud droplet spectral dispersion inf uence on the f rst indirect aerosol effect［J］.Advances in Atmospheric Sciences，30（5）:1313-1319.

Xie X N，Liu X D.2015.Aerosol-cloud-precipitation Interactions in WRF Model：Sensitivity to Autoconversion Parameterization［J］.Journal of Meteorological Research，29（1）：72-81.

Xie X N，Liu X D，Peng Y，et al.2013.Numerical simulation of clouds and precipitation depending on different relationships between aerosol and cloud droplet spectral dispersion［J］.Tellus B，65：19054.

Yum S S，Hudson J G.2005.Adiabatic predictions and observations of cloud droplet spectral broadness［J］.Atmospheric Research，73：203-223.

Zhao C，Tie X，Brasseur G，et al.2006.Aircraft measurements of cloud droplet spectral dispersion and implications for indirect aerosol radiative forcing［J］.Geophysical Research Letters，33：L16809.

Review of inf uence of cloud droplet spectral dispersion on aerosol indirect effects

XIE Xiao-ning，LIU Xiao-dong，WANG Zhao-sheng
（State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China）

Atmospheric aerosols，serving as cloud condensation nuclei（CCN） or ice nuclei（IN），can indirectly impact the radiative balance of Earth-Atmosphere system，hydrological cycle and climate change at regional and global scales.Recent studies show that the spectral dispersion of cloud droplet size distribution has an important inf uence on the f rst aerosol indirect effect and the second aerosol indirect effect（dispersion effects）.However，the dispersion effects related to aerosols have not been included in most numerical weather or climate models up to now.In this paper，we systematically review the dispersion effects on the f rst aerosol indirect effect and the second aerosol indirect effect，discuss the uncertainties induced by the spectral dispersion effect，and propose future research directions in this f eld.

dispersion effect; f rst aerosol indirect effect; second aerosol indirect effect

P426.5

A

1674-9901（2015）02-0127-08

2014-12-11

國家自然科學(xué)基金項目（41105071，41405093）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA05110101）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目（2011CB403406）

解小寧，E-mail：xnxie@ieecas.cn