黄土高原地区沙尘气溶胶对降水及影响-以2004年3月9-11日沙尘暴天气过程为例.pdfVIP

黄土高原地区沙尘气溶胶对降水的影响 — 以 2004 年 3 月 9～11 日沙尘暴天气过程为例 1,2 1 罗双 ， 王鑫 1.兰州大学大气科学学院，甘肃兰州 730000 ； 2.中国气象局国家卫星气象中心，北京 100081 摘 要 本文利用携带有CERES和MODIS的TERRA\AQUA卫星所获得的联合探测资料以及地面台站资料，分析黄土 高原地区有沙尘区域和无沙尘区域，即沙尘区和纯云区云的微物理特性。通过对2004年沙尘天气个例进行 不同区域的对比分析，研究了沙尘气溶胶—云—降水的相互作用系统，进一步明确了沙尘气溶胶影响气候 变化的物理机制。研究结果表明：（1）沙尘气溶胶对云的冰晶核直径和有效粒子半径的影响作用为减小作 用，其原因在于沙尘气溶胶作为云的凝结核，它的出现可以使云凝结核数量明显增大，又由于水汽总量不 变，导致附着在每个云凝结核上的水含量普遍减小，从而使得云的冰晶核直径普遍减小,这种变化进而会影 响云的其他光学特性及云的生命周期；（2）沙尘气溶胶对冰晶云的光学厚度所起的减小作用，其原因可能 为随着沙尘气溶胶数量的增多，冰晶云粒径变小，且云滴衰减截面减小的影响程度大于云滴数量增多的影 响程度，从而导致云的光学厚度变小；（3）沙尘气溶胶的存在使云中的云水路径减小，这是由于在中低大 气层中，沙尘气溶胶和云混合后，干的沙尘减少了云中湿度，进而改变了云的云水路径；（4）由于沙尘的 高度明显比云低，因此有沙尘区域比纯云区有效云顶温度高；（5）沙尘云集中在较小的云粒径、云水路径 和光学厚度范围内,而较大的云粒径、云水路径和光学厚度值在纯云区出现的频率远高于沙尘云区，这可以 作为判别沙尘区和纯云区的参考因子。总而言之：沙尘天气增加了大气中的气溶胶，也增加了云凝结核的 数目，导致小云滴浓度增大，云滴半径显著减少而无法达到形成降水的阈值，且影响云滴碰并，阻碍降水 的发展，抑制了降水，改变了降水形成的物理过程和降水量分布，这就是扬沙、沙尘暴等沙尘天气对黄土 高原半干旱地区气候产生的重要影响。研究证实沙尘气溶胶粒子浓度的变化会影响云的微物理特性，进而 改变降水形成的物理过程和降水量分布。由于气溶胶同云滴之间的关系复杂，所以具体的定量关系还有待 于更多的观测和对微物理过程的进一步研究。 关键词：黄土高原地区，沙尘气溶胶，MODIS，CERES，云物理量，降水 1 引 言 气溶胶是由悬浮在大气中直径小于10 μm 的固态和液态粒子组成的多相体系。大气气溶 胶作为大气水圈循环中的一个有机部分，主要影响云和降水的微物理过程，同时也影响大气 稳定度和云的反照率。气溶胶粒子可以作为一种云凝结核和冰核在云雨形成和增长过程中起 重要作用，它不但可以增强或减弱降雨量，并且可以改变云雨的类型，如可使非降水性云转 换成降水性云（丁一汇，2009）。 沙尘气溶胶是由于沙尘天气造成的一种大气气溶胶，同时也是对流层气溶胶的主要成 分。我国沙尘气溶胶主要来源于新疆、甘肃、内蒙的沙漠以及黄土高原等干旱和半干旱地区 （王鑫，2009）。每年春季大量沙尘气溶胶随沙尘天气进入到大气中，并且在一定的大气环 流背景下输送到上千公里以外的人口密集地区。 沙尘气溶胶对气候的影响通过以下三种方式来对气候进行反馈:第一种是沙尘气溶胶的 直接效应 Jaffe 等，2003 ，包括散射和吸收太阳辐射、吸收和发射红外辐射。沙尘气溶 胶悬浮在大气中，通过散射和吸收太阳辐射，从而冷却大气，并会使大气的能见度变坏；另 一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气 升温。其对气候系统、环境和人类健康具有重要影响。第二种是沙尘气溶胶的间接效应 Huang 等，2006 ，沙尘气溶胶与水相云相互作用改变其散射特性，对云量和云生存周期产生影响。 沙尘气溶胶还可以作为云的凝结核，在大气中改变云滴的浓度和云滴在大气中存在的时间， 改变云形成的微观结构，从而改变云的光学特性和云的分布，间接影响气候。第三种是近年 来关于沙尘气溶胶的半直接效应（王鑫，2009）的研究，沙尘气溶胶能够吸收太阳辐射，加 热沙尘气溶胶本身，使得低层大气中的水汽可以被沙尘气溶胶蒸发，导致低层大气中的水汽 含量降低。 贾漩等（2010）采用 CERES SSF MODIS Edition 1B 和 CALIPSO 卫星探测资料结合地 面台站沙尘观测资料,研究了我国华北地区沙尘气溶胶对云辐射强迫的影响；黄梦宇等 2005 对1990和1991年春秋两季层状云探测的分析结果表明，云下气溶胶数浓度与云滴数浓度存在 正相关；Givati 和 Rosenfeld（2004）利用高山站及其附近的平原站的降水量之比—地形 强化因子 Ro