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中国中东部降水减少与气溶胶增加的可能正反馈
赵春生
[1]，铁学熙
[1,2]，林云萍
[1]
（1、北京大学大气科学系，北京市，100871
2、National Center for Atmospheric Research, Boulder, CO USA）
摘要： 本文分析了覆盖中国中东部地区的降水观测资料、MODIS数据以及气象探测数据。结果表明，该区域的降水在过去的40年内显著减少，并且降水的减少与高浓度的气溶胶有很强的相关性。气象探测数据表明，对流层大气稳定度在过去的17年里持续增加。因此，推断在对流层低层的气溶胶影响了辐射过程，从而影响大气稳定度的改变。该区域大气稳定度的增加会抑制上升运动和降水。由于降水的冲刷作用在减少气溶胶颗粒的过程中起到重要作用，降水的减少将会导致气溶胶颗粒的增多。这个可能的正反馈（更多气溶胶-更少降水-更多气溶胶）将会引起中国中东部地区降水减少的加速过程。
引言
近年来，随着工业化和城市化的急速发展，中国中东部地区大量使用化石燃料。化石燃料（煤炭和原油）的用量从1973年的2.63亿吨到2002年的8.23亿吨（国际能源署，2004）。化石燃料的急速使用导致中国，尤其是中东部地区，气溶胶颗粒（比如煤烟和硫酸盐）的大量增加。卫星观测表明，与化石燃料使用有关的气溶胶和污染物的浓度是任何一个主要国家的最高水平问题，而且越来越严重（等，2005；等，1992）。等人（2006）发现中国中东部地区的气溶胶浓度比美国更高。这些微粒不仅代表该区域的人们的健康危害，而且他们对该区域的水分循环和气候有重要影响（等，2002）。对该区域的空气污染和降水之间的相互作用关系是一项重要的事件，这与区域气候对空气污染的急速增加的快速反应有关。
（1974）人为气溶胶对于影响云的特性有重要作用。大气中的气溶胶分为自然排放和人为排放，以特有的方式影响地球-大气系统（等，2004）。由人为排放的气溶胶被认为是大多数小尺度云凝结核（CCN）的主要来源。这就导致高浓度小尺度云滴的形成，从而抑制了降水。污染改变云的特性的证据通过卫星数据的太空飞船轨道（等，2000）和污染轨迹给出（等，2000）。（2000）已经利用卫星数据证实在污染区的下风口降水减少。大量的研究集中于气溶胶作为CCN的在云的微物理过程中的作用。但是，云的形成是由气象条件控制的，比如温度和大气对流现象。因此，大气稳定度在降水过程中扮演重要作用。
在本文的研究中， 我们分析了40年的降水数据、卫星气溶胶数据和气象探测数据，以此来调查中国中东部地区的降水趋势和气溶胶污染的关系。
数据和方法
本文利用了三组数据进行研究，包括降水数据，MODIS（中分辨率成像光谱仪）气溶胶光学厚度（AOD）数据（等，2002）和气象探测资料。这里所观察到的每日降水数据集是从中国国家气象中心521站在1961至2000期间获得的。对大气稳定性计算，我们收集到的气象探测数据从1986到2004在中国东部的中心。这个地区有4个探空站记录的长期数据，它们分别位于太原（112.5E，37.9N）、北京（116.3E，39.9N）、邢台（114.4E，37N）和张家口（114.9E，40.8N）。气溶胶光学厚度通过MODIS 0.55通道的数据反演得到，并且细（气溶胶半径小于0.5）和粗（气溶胶半径大于0.5）气溶胶通过模式推导得到（等，2002）。
大气静力稳定度趋势通过探测数据中的对流抑制（CIN）和有效对流势能（CAPE）计算得到。不稳定日频率定义为（CAPE- CIN）的差值为正的天数与观测天数的比值。不稳定日频率的变化趋势反映了一个气象站的大气稳定性变化。CIN是需要气块假绝热抬升从它的原始水平到自由对流高度的能量。CAPE是抬升气块可用的最大能量。他们的表达式如下：
其中，是气块抬升的初始位置的气压；是自由对流高度的气压；为干空气的比气体常数；抬升气块的虚温；是环境的虚温；比容廓线；是气块从自由对流高度湿绝热抬升过程中的比容；是过程中间的气压。
结果与讨论
通过计算521个台站从1961年到2000期间的降水计算出降水趋势。图1a给出了在该期间的降水趋势。这个证据清晰地表达出了中国中东部地区（黑色圆圈注明）的降水显著减少。有一些台站的降水趋势超过了0.4%每年。相比较于气溶胶的分布，降水减少的大值区域与通过卫星MODIS（见图1b）仪器测量的气溶胶光学厚度相关。MODIS图像表明中国中东部地区的AOD浓度很高（极值为0.9）。大多数空气污染来自工业排放、汽车废气以及其他人为排放。该区域的气溶胶富含硫酸盐、硝酸盐、有机质和黑碳（等，2005；等，2002）。
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| 图1. （a）1961到2000年全国降水趋势（百分比/每年）。图中黑色三角标记区域表示负趋势，红点表示正趋势。中国中东部地区基本上被黑色区域覆盖。（b）精细化月平均模式（半径小于）的由在下测得的从2000到2005年的气溶胶光学厚度。 |
尽管MODIS的AOD数据测量只有6年，我们依旧可以看出中国中东部大气气溶胶含量还是在增加。图2给出2000年该区域AOD大约为0.55,2005年达到0.72，这表明在这期间气溶胶的含量增加了大约30%。
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| 图2. 由测得的从2000到2005年的气溶胶光学厚度。中国中东部地区（从18°N到48°N；从95°E到130°E）夏季。 |
中国中东部地区降水减少与气溶胶高浓度之间的高相关性表明气溶胶的高浓度与降水减少之间有关系。研究表明，气溶胶地影响云的形成和降水（等，1991；等，1992；，2000）。
在中国中东部地区，气溶胶颗粒主要由硫酸盐、黑碳（碳烟灰）、矿尘以及有机碳（等，2005；等，2002；等，2004）。在这些微粒中，碳烟灰颗粒具有特别的特性，因为它会吸收阳光并且加热空气，从而导致空气温度的改变以及改变大气稳定度（和，2002；等，2002；等，2005）。如果大气变得更加稳定，将会抑制上升运动以及减少云的形成，最终导致降水减少。
为了阐明大气稳定度的改变，我们利用在1986到2004之间的探测数据计算了中国中东部地区的不稳定日频率。不稳定日频率代表一年当中大气不稳定的天数所占的比例。在这种不稳定条件下，配合特定的有利的水汽条件，该区域往往会降水。计算不稳定日频率的公式在第二节。图3给出了1986年到2003年期间的4个台站平均不稳定日频率。结果表明在过去的17年平均不稳定日频率显著减少。举例来讲，中国中东部地区在80年代后期的不稳定日频率大约为34%，到20世纪初降低到17%，在这期间大约下降了50%。这表明在这期间，该区域的大气变得更加稳定了。稳定的大气会抑制云的形成以及降水，尤其是小尺度对流降水（在该区域夏季典型的降水形式）。这个结果与之前的研究结果相一致，他们表示煤烟灰颗粒会影响降水（等，2000；等，2000；等，2004；，1998）。
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| 图3.从4个观测站当地时间早晚8点观测得到的1986年到2003年中国中东部地区不稳定日频率。 |
应该注意的是煤烟灰在云和降水形成的过程中通过气溶胶-云为物理过程扮演重要作用。刚刚排放的煤烟灰颗粒具有疏水性，而旧颗粒在凝结在硫酸盐、水以及其他颗粒之后会变得亲水。亲水煤烟灰颗粒通过吸湿增长之后变成内部混合气溶胶颗粒。研究表明，相对于纯的煤烟灰颗粒，空气的升温速率会随着混合了煤烟灰颗粒之后显著增加（，2000，2001）。
降水云的减少会引起该区域的经济和社会问题。其中一个重要的结果就是由于降水的减少会使得大气气溶胶含量变得更多。这是由于湿沉降是大气气溶胶的主要清楚过程（等，2000）。降水的减少会使得气溶胶在大气中的寿命增加。结果，由于降水的减少使得大气气溶胶含量增多。着就形成了大气气溶胶含量与降水之间的正反馈循环：大气气溶胶含量增加-降水减少-大气气溶胶更多。
总结
本文得出结论：人为气溶胶可能对中国中东部地区降水减少有很重要的贡献，并且我们得到了大气气溶胶含量与降水之间的正反馈循环。该循环过程是的我们的空气质量、水循环、农业以及其他环境问题变得更加严重。另一方面来讲，气溶胶排放源的减少这个中东部地区的气溶胶含量减少，因此新鲜空气运动急需在该区域开展。
参考文献：
[1] Ackerman, A. S., O. B. Toon, D. E. Stevens, A. J. Heymsfield,V. Ramanathan, and E. J.Welton (2000), Reduction of tropical cloudiness by soot, Science, 288, 1042– 1047.
[2] Chameides, W. L., and M. H. Bergin (2002), Soot takes center stage, Science, 297, 2214–2215.
[3] Charlson, R. J., S. E. Schwartz, J. M. Hales, R. D. Cess, J. A. Coakley Jr., J. E. Hansen, and D. J. Hofmann (1992), Climate forcing by anthropogenic aerosols, Science, 255, 423– 430.
[4] Chin, M., R. B. Rood, S. Lin, J. Muuml; ller, and A. M. Thompson (2000), Atmospheric sulfur cycle simulated in the global model GOCART: Model description and global properties, J. Geophys. Res., 105, 24,671– 24,688.
[5] Chin, M., P. Ginoux, S. Kinne, O. Torres, B. N. Holben, B. N. Duncan, R. V. Martin, J. A. Logan, A. Higurashi, and T. Nakajima (2002), Tropospheric aerosol optical thickness from the GOCART model and comparisons with
satellite and sun photometer measurements, J. Atmos. Sci., 59, 461– 483.
[6] Chu, D. A., Y. J. Kaufman, C. Ichoku, L. A. Remer, D. Tanreacute;, and B. N. Holben (2002), Validation of MODIS aerosol optical depth retrieval over land, Geophys. Res. Lett., 29(12), 8007, doi:10.1029/2001GL013205.
[7] Ferek, R. J., et al. (2000), Drizzle suppression in ship tracks, J. Atmos. Sci., 57(16), 2707–2728.
[8] International Energy Agency (2004), Key world energy statistics, report, Paris, France. Jacobson, M. Z. (2000), A physically-based treatment of elemental carbon optics: Implications for global direct forcing of aerosols, Geophys. Res. Lett., 27, 217–220.
[9] Jacobson, M. Z. (2001), Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols, Nature, 409, 695–697.
[10] Kaiser, D. P. (1998), Analysis of total cloud amount over China, 1951–1994, Geophys. Res. Lett., 25, 3599–3602.
[11] Koren, I., Y. J. Kaufman, L. A. Remer,
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