華北及臨近海域夏季不同降雨量下氣溶膠光學(xué)厚度與云滴有效半徑的關(guān)系

萬　靈，姚鳳梅，張佳華

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，中國科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100049；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，中國科學(xué)院數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100094；3.福建省氣象服務(wù)中心，福建　福州　350001)

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華北及臨近海域夏季不同降雨量下氣溶膠光學(xué)厚度與云滴有效半徑的關(guān)系

萬靈1，3，姚鳳梅1，張佳華2

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，中國科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100049；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，中國科學(xué)院數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；3.福建省氣象服務(wù)中心，福建福州350001)

利用2008—2012年MODIS和TRMM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品逐日資料，分析華北地區(qū)及臨近海域氣溶膠光學(xué)厚度的月變化，以及夏季不同降雨量下氣溶膠光學(xué)厚度與云滴有效半徑的關(guān)系。結(jié)果表明：華北地區(qū)及鄰近海域氣溶膠光學(xué)厚度呈明顯的季節(jié)性變化，陸地上夏季最大、冬季最小，海洋上春季最大、秋季最?。缓Ｑ笊系臍馊苣z光學(xué)厚度小于陸地。陸地上，夏季氣溶膠光學(xué)厚度與水云云滴有效半徑呈顯著正相關(guān)，在海洋上二者呈顯著負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性隨降雨量的增加均增大。陸地上，夏季氣溶膠光學(xué)厚度與冰云云滴有效粒子半徑在小雨下呈顯著負(fù)相關(guān)，在中雨和大雨下呈正相關(guān)；海洋上，氣溶膠光學(xué)厚度和冰云有效粒子半徑呈顯著負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性隨降雨量的增加而減小。

AOD；云滴有效半徑；降雨量；MODIS；TRMM

引　言

氣溶膠主要來源于污染粒子、海鹽粒子、沙塵和煙霧等。氣溶膠可以通過直接效應(yīng)和間接效應(yīng)等途徑影響氣候[1]。關(guān)于氣溶膠與云相互作用的研究，國際上已開展了大量的工作[2-4]，發(fā)現(xiàn)大尺度模式模擬結(jié)果和觀測結(jié)果的差異非常大[5]。對我國陸地及沿海地區(qū)開展的研究表明[6-8]，氣溶膠和云相互作用受很多因素影響，包括云類型、氣溶膠類型和降水類型，不同的云、氣溶膠光學(xué)厚度和降水類型將表現(xiàn)出截然不同的相互作用。Jin等[9]利用MODIS和TRMM數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，中國東部沿海地區(qū)的云滴有效粒子半徑與氣溶膠光學(xué)厚度呈顯著負(fù)相關(guān)。石睿等[10]研究發(fā)現(xiàn)東亞地區(qū)夏季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)。Wang等[11]發(fā)現(xiàn)中國東部氣溶膠污染區(qū)域內(nèi)的氣溶膠光學(xué)厚度和云滴有效粒子半徑呈正相關(guān)，而在東海上空二者呈顯著負(fù)相關(guān)。Zhao等[12]利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品和臺站降水資料，分析指出中國東部地區(qū)的氣溶膠對小雨有抑制作用。因此不同區(qū)域和時(shí)間尺度上氣溶膠光學(xué)厚度和云滴有效半徑之間存在復(fù)雜關(guān)系，不同區(qū)域尺度、不同時(shí)間尺度的天氣氣候條件(如溫度、降水、氣壓和濕度等)下氣溶膠和云之間相互關(guān)系仍然存在很大的不確定性，有待進(jìn)一步深入探討。

華北地區(qū)是我國污染較為嚴(yán)重的區(qū)域之一，氣溶膠光學(xué)厚度比較高，且氣溶膠易被輸送到近海。該區(qū)域降水主要集中在夏季，大氣氣溶膠在大氣過飽和或接近飽和的情況下，可作為云凝結(jié)核或冰核形成降水粒子胚胎。在這個(gè)過程中，大氣氣溶膠參與了云微物理過程，同時(shí)也間接影響了云的輻射特性。目前，對該區(qū)域不同氣溶膠光學(xué)厚度與云滴有效半徑的相互關(guān)系，以及不同降雨量下氣溶膠和云相互作用的研究較少。因此，本文利用MODIS衛(wèi)星長期探測資料和TRMM雷達(dá)降水?dāng)?shù)據(jù)，分析華北地區(qū)及其臨近海域氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)間分布特征，以及夏季不同降水量下氣溶膠光學(xué)厚度與云滴有效半徑的關(guān)系，為進(jìn)一步認(rèn)識我國華北夏季氣溶膠間接氣候效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)域

相關(guān)研究指出，華北地區(qū)是一典型的氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)，是研究氣溶膠與云相互作用的熱點(diǎn)區(qū)域[10]。由于人類活動(dòng)，氣溶膠被大量輸送到近海海域，所以近海是氣溶膠間接作用最明顯的海域。中國近海受中國內(nèi)陸氣溶膠的影響，是全球氣溶膠濃度最大的區(qū)域之一。由于內(nèi)陸氣溶膠和氣象要素的季節(jié)性變化影響，海域氣溶膠分布也具有明顯的季節(jié)特征。本文選取華北地區(qū)(108°E—120°E、33°N—43°N，以下簡稱陸地)及其臨近海域(125°E—135°E，25°N—35°N，以下簡稱海洋)作為研究區(qū)域(圖1)。

圖1　研究區(qū)位置(矩形框1表示華北地區(qū)，矩形框2表示相鄰海域)

2　資料和方法

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)能夠?yàn)閰^(qū)域尺度上研究氣溶膠、云和降水的相互關(guān)系提供可靠的重要數(shù)據(jù)源，云滴有效半徑和氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth，簡稱AOD)資料來源于MODIS產(chǎn)品，相關(guān)研究表明MODIS氣溶膠和云產(chǎn)品在中國區(qū)域有良好的適用性[13-16]。MODIS衛(wèi)星資料來源于美國國家宇航局(NASA)EOS觀測計(jì)劃中的Terra和Aqua兩顆太陽同步極軌衛(wèi)星。選取2008—2012年MODIS的冰云有效粒子半徑和水云云滴有效半徑以及氣溶膠光學(xué)厚度逐日資料(產(chǎn)品編號MYD08)。MYD08數(shù)據(jù)是大氣3級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，1 km空間分辨率，每日、每旬、每月合成數(shù)據(jù)。熱帶降水測量計(jì)劃TRMM是由美國和日本合作開展，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。選取同一時(shí)期的TRMM衛(wèi)星降水資料(http://trmm.gsfc.nasa.gov，產(chǎn)品編號為3B43)，3B43數(shù)據(jù)能夠保證不同海拔高度降水?dāng)?shù)據(jù)的均一性，且融合TMI、PR、VIRS多個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，隨尺度增加TRMM估測精度大幅度提高。

為探討華北地區(qū)及相鄰海域在不同降雨量下氣溶膠光學(xué)厚度與云滴有效半徑的相互關(guān)系，選取夏季降水量最大的7月進(jìn)行分析。參考?xì)庀髮W(xué)中雨量大小的界定，把降雨量從小到大分為3類：小雨(<10 mm·d-1)、中雨(10～25 mm·d-1)和大雨(>25 mm·d-1)。

3　結(jié)果分析

3.1氣溶膠光學(xué)厚度月變化

圖2是2008—2012年華北地區(qū)及其鄰近海域陸地和海洋上氣溶膠光學(xué)厚度的逐月變化?？梢钥闯?，陸地和海洋上空的氣溶膠光學(xué)厚度都呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，陸地AOD夏季最大，冬季最小，而海洋AOD春季最大，秋季最小。可能原因是陸地夏季，溫度和濕度都比較高，有利于“氣—?！鞭D(zhuǎn)化過程中氣溶膠的生成；海洋春季主要受沙塵天氣和季風(fēng)氣候的影響。另外在夏季，混合層發(fā)展較高，水溶性氣溶膠吸濕膨脹也會導(dǎo)致氣溶膠光學(xué)厚度增加。另一重要原因是人為排放也可導(dǎo)致氣溶膠光學(xué)厚度的增加[17]。2008—2012年各月AOD值陸地大于海洋。陸地上，AOD最大值通常出現(xiàn)在6月，值在0.6～0.8范圍，最小值出現(xiàn)在11月，值在0.2～0.4范圍；海洋上，AOD最大值在0.3～0.5范圍，最小值在0.1～0.2范圍。相對于海洋，陸地AOD變化表現(xiàn)出滯后性，其最大值、最小值總是比海洋晚1～2個(gè)月。這表明，海洋區(qū)域氣溶膠的來源不僅僅是陸源人為活動(dòng)釋放，還有其他自然源。研究指出，海洋區(qū)域春季浮游藻類活動(dòng)旺盛，向海水表層釋放大量二甲基硫(dimethylsulfide，DMS)，經(jīng)過一系列氧化反應(yīng)最終影響到氣溶膠的分布[18]。

圖2　2008—2012年陸地和海洋上氣溶膠光學(xué)厚度的逐月變化

3.2夏季AOD與云滴有效粒子半徑的相關(guān)性

3.2.1 陸地

氣溶膠光學(xué)厚度是云凝結(jié)核的一種表征，同時(shí)氣溶膠粒子作為云凝結(jié)核，又可以影響改變云的形成(如云滴有效半徑)。云滴有效粒子半徑分為冰云和水云2種，在不同的相態(tài)下，這2種參數(shù)有一定的差異：水云，完全由水滴組成；冰云，完全由冰晶組成。圖3是夏季7月陸地AOD與水云有效粒子半徑的關(guān)系。在小雨、中雨和大雨的情況下，陸地上空夏季AOD與水云有效粒子半徑存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別是0.45、0.48和0.53(通過α=0.01的信度檢驗(yàn))，且隨著降雨量的增加，AOD和水云有效粒子半徑的相關(guān)性增強(qiáng)。這表明，華北陸地上空夏季氣溶膠光學(xué)厚度的增加促進(jìn)了水云有效粒子半徑的增大，且這種促進(jìn)作用隨著降雨量的增加而增強(qiáng)。這一結(jié)果與Twomey效應(yīng)相反，稱為反Twomey效應(yīng)，這種看似矛盾的反Twomey效應(yīng)在前人研究中也有發(fā)現(xiàn)[19-21]。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能是云三維結(jié)構(gòu)或不同地表類型的影響。有研究指出，反Twomey效應(yīng)的出現(xiàn)有可能是氣象條件的影響，大氣熱力條件對氣溶膠和云相互作用的影響非常明顯，在熱力靜穩(wěn)條件下，陸地也能得到Twomey效應(yīng)的結(jié)論，但在大氣不穩(wěn)定條件下，將出現(xiàn)反Twomey效應(yīng)[11]。

反Twomey效應(yīng)的物理機(jī)制可以用一個(gè)耦合了輻射—?dú)庀髼l件—云—?dú)馊苣z的緩沖系統(tǒng)來解釋，這個(gè)緩沖系統(tǒng)中還存在一些相互競爭的機(jī)制[22]。中國華北地區(qū)陸地的反Twomey效應(yīng)說明華北地區(qū)的氣溶膠和云相互作用不能用一個(gè)“簡單”相互關(guān)系來描述，需要進(jìn)一步剔除其它可能影響因素，如氣象條件(大氣熱力、動(dòng)力和水汽條件)、影響大氣動(dòng)力和熱力條件的地表類型，以及氣溶膠粒子化學(xué)成分及其垂直分布等。另一可能原因是吸收性氣溶膠的輻射效應(yīng)，加熱大氣，促進(jìn)氣溶膠層附近云的蒸發(fā)，也可能是由于氣溶膠粒子的增多，使陸地上水汽條件不再成為云形成的限制條件，而云宏觀物理特性對水汽條件變得不敏感[23]。

圖3　夏季7月中國華北陸地上AOD與水云有效粒子半徑的關(guān)系

圖4是夏季7月不同降雨量下華北地區(qū)陸地AOD與冰云有效粒子半徑的關(guān)系。總體來看，相對于水云，陸地上空夏季AOD與冰云有效粒子半徑相關(guān)系數(shù)都不大，冰云有效粒子半徑對AOD的變化不敏感。在小雨情況下，和水云表現(xiàn)相反，AOD與冰云有效粒子半徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.16(通過α=0.05的信度檢驗(yàn))。表明在小雨情況下，陸地上夏季AOD的增加抑制冰云有效粒子半徑的增大。在中雨和大雨情況下，AOD與冰云有效粒子半徑呈正相關(guān)，僅有大雨情況下二者的相關(guān)系數(shù)通過α=0.05的信度檢驗(yàn)。表明在中雨和大雨情況下，華北地區(qū)陸地上空夏季氣溶膠光學(xué)厚度的增加促進(jìn)冰云有效粒子半徑的增大，但促進(jìn)作用不及水云強(qiáng)?？梢?，陸地上空冰云有效粒子半徑對氣溶膠光學(xué)厚度的變化敏感性較弱。其原因可能有2種：一是冰云一般出現(xiàn)在高而冷的高云中，在大氣抬升過程中，較少氣溶膠能夠上升到高云中，和云滴接觸發(fā)生相互作用的機(jī)會相應(yīng)較少；二是高云的形成過程比較復(fù)雜，生命周期較長，成熟期較穩(wěn)定，氣溶膠對冰云的影響甚微[24]。

圖4　夏季7月中國華北陸地上AOD與冰云有效粒子半徑的關(guān)系

3.2.2海洋

圖5是夏季7月不同降雨量下海洋AOD與水云云滴有效粒子半徑的相關(guān)性?？傮w來看，海洋上夏季AOD與水云云滴有效粒子半徑在3種降雨量下都表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，即云滴有效粒子半徑隨著AOD的增加而減小，且二者的相關(guān)性隨降雨量的增加而增強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.55(小雨)、-0.65(中雨)和-0.66(大雨)(通過α=0.01的信度檢驗(yàn))。表明海洋上夏季氣溶膠光學(xué)厚度的增加抑制水云有效粒子半徑的增大，且這種抑制作用隨降雨量的增加而增強(qiáng)。另外還發(fā)現(xiàn)，海洋上夏季AOD基本在0.6以下，相對陸地較清潔。當(dāng)AOD值<0.2時(shí)，水云云滴有效粒子半徑能迅速增長到20 μm，變化幅度較大，說明水云云滴有效粒子半徑對AOD低值的變化非常敏感；而當(dāng)AOD值>0.2時(shí)，水云云滴有效粒子半徑趨于13 μm，變化幅度很小，說明云滴有效粒子半徑對AOD高值的變化不敏感。

圖5　夏季7月海洋上AOD與水云有效粒子半徑的關(guān)系

圖6是夏季7月不同降雨量下海洋AOD與冰云有效粒子半徑的關(guān)系。和水云一樣，夏季AOD與冰云有效粒子半徑也呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.45(小雨)、-0.36(中雨)和-0.32(大雨)，表明夏季氣溶膠光學(xué)厚度的增加對冰云有效粒子半徑有明顯的抑制作用，且隨著降雨量的增加抑制作用逐漸減弱。AOD受數(shù)濃度、化學(xué)組分和消光系數(shù)的影響，在AOD增加時(shí)，數(shù)濃度不一定隨之線性增加；同時(shí)，云滴有效粒子半徑的影響因素相對較為復(fù)雜，不同區(qū)域氣象要素(云中液態(tài)水含量、云底高度等)差異較大，因此AOD和云滴有效粒子半徑的相關(guān)性在不同區(qū)域差異較大[25]。AOD與雨滴有效粒子半徑的關(guān)系海陸差異較大，有可能是陸地上云發(fā)展高度高，且云底也比較高，氣溶膠和云相互接觸少，相互作用較弱；海洋上云底高度較低，云和氣溶膠接觸可能性更大，相互作用更強(qiáng)[26]。

圖6　夏季7月海洋上AOD與冰云有效粒子半徑的關(guān)系

4　結(jié)論與討論

(1)華北地區(qū)及其鄰近海域，海洋上氣溶膠光學(xué)厚度月均值均小于陸地，氣溶膠光學(xué)厚度分布呈明顯的季節(jié)性變化特征：陸地上，氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)出現(xiàn)在夏季，低值區(qū)出現(xiàn)在冬季；海洋上，氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)出現(xiàn)在春季，低值區(qū)出現(xiàn)在秋季。

(2)夏季氣溶膠光學(xué)厚度與云滴有效粒子半徑的相互關(guān)系在陸地和海洋上表現(xiàn)不同。陸地上，夏季氣溶膠光學(xué)厚度的增加促進(jìn)水云有效粒子半徑的增大，且這種促進(jìn)作用隨著降雨量的增加而增強(qiáng)；而冰云有效粒子半徑對夏季氣溶膠光學(xué)厚度變化不敏感。海洋上，夏季氣溶膠光學(xué)厚度的增加抑制水云和冰云有效粒子半徑的增大，且對水云的抑制作用隨降雨量的增加而增強(qiáng)，而對冰云的抑制作用隨降雨量的增加而減弱。

致謝：感謝SACOL中心站的呂巧誼博士和國家衛(wèi)星氣象中心的王富博士在論文研究過程中提供的繪圖以及編程的建議和指導(dǎo)

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Relationship Between Aerosol Optical Depth and Cloud Effective Radius Under Different Rainfall Conditions in Summer over North China and Its Adjacent Sea Area

WAN Ling1, YAO Fengmei1, ZHANG Jiahua2

(1.UniversityofChineseAcademyofSciences,KeyLaboratoryofComputationalGeodynamics,Beijing100049,China；2.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarthofChineseAcademyofSciences,KeyLaboratoryofDigitalEarthScience,CAS,Beijing100094,China；3.MeteorologicalServiceCenterofFujianProvince,Fuzhou350001,China)

Based on the daily aerosol optical depth and cloud effective radius from MODIS and the daily precipitaiton from TRMM during 2008-2012, the monthly variation of aerosol optical depth (AOD) was analyzed over North China and its adjacent sea area, and the relationships between AOD and cloud effective radius under different rainfall condition in summer were researched. The results showed that the seasonal changes of AOD were obvious over North China and its adjacent sea area, the maximum and minimum AOD appeared in summer and winter over the land, while they occurred in spring and autumn over the ocean, respectively. And the monthly AOD over the ocean was less than that over the land during 2008-2012. The relation between AOD and cloud effective radius in summer over North China and its adjacent sea area was significantly different. For water cloud, their correlation was significantly positive over the land in summer, AOD could promote the increase of water cloud effective radius, while it was significantly negative over the ocean, and the correlation all enhanced with precipitation increase. As for ice cloud, AOD was negative related with cloud effective radius for small rain but postive for moderate rain and heavy rain in summer over the land, however the relation presented an obvious negative over the ocean, and the correlation decreased with precipatation increase.

aerosol optical depth; cloud effective radius; precipitation; MODIS; TRMM

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0725

2015-10-26；改回日期：2016-01-13

中國科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目(Y24002101A)、中國科學(xué)院1-3-5創(chuàng)新培育項(xiàng)目(Y3ZZ15101A)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31571565)共同資助

萬靈(1989- )，男，碩士研究生，主要從事氣候變化研究. E-mail:wanling.1989@qq.com

姚鳳梅，副教授，主要從事全球變化與遙感應(yīng)用研究. E-mail:yaofm@ucas.ac.cn

1006-7639(2016)-04-0725-06DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0725

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萬靈，姚鳳梅，張佳華.華北及臨近海域夏季不同降雨量下氣溶膠光學(xué)厚度與云滴有效半徑的關(guān)系[J].干旱氣象，2016，34(4)：725-730, [WAN Ling, YAO Fengmei, ZHANG Jiahua. Relationship Between Aerosol Optical Depth and Cloud Effective Radius Under Different Rainfall Conditions in Summer over North China and Its Adjacent Sea Area[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):725-730],