582 气象科学 34卷 引言 的影响。图1表示了气溶胶带来的各种辐射强迫的 机制,是对气溶胶影响云和降水的机制的总结 大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液 体微粒共同组成的多相体系,其来源主要分为自然1气溶胶影响云降水的机理研究进展 源和人为源。尽管气溶胶在地球大气成分中含量很1.1凝结核活化形成云滴 少,但其重要性却不容忽视。气溶胶对气候的影响 含有吸湿性物质的气溶胶粒子有利于水汽在其 可分为直接影响和间接影响。直接影响指大气中的表面的凝结,这种粒子称为凝结核。凝结核中的 气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射,从而影响地气部分在特定的过饱和度下可以活化成为CN。 系统的辐射收支。间接影响指气溶胶粒子作为云凝CCN的活化能力与气溶胶尺度、质量和气溶胶的化 结核( Cloud Condensation nucleus,CN)和大气冰学成分等因素密切相关。在地球大气中,云滴或冰 核(IN)影响云的微物理过程,并且气溶胶浓度变化晶的同质核化过程需要在极低的温度下才能发生。 会影响云的光学特性、云量、云的寿命等,而云的变基础热力学理论表明弯曲表面的饱和水汽压比同温 化反过来又影响气候口。气溶胶对气候强迫最大度平水面上的饱和水汽压高,水滴表面的水汽会向 的不确定性是气溶胶的间接效应,即气溶胶对云的平水面扩散并凝结。同质核化分子运动论表明,过 影响。“气溶胶间接效应”包括“第一间接效应”饱和比(一个平面上的实际水汽压除以平衡态水气 和“第二间接效应”。第一间接效应指在一定的液压)的量级需达到3.5~8,水分子才能长成云滴粒 态水路径下,气溶胶浓度的增加使云中云滴数量增子[0。 Pruppacher et,a对同质核化理论以及 加,云粒子半径减小,从而增加云的反照率。相关的实验研究进行了总结。在实际的大气中,这 “第二间接效应”又称为“云的生命期效应”指由气么高的过饱和度是很难达到的。然而,气溶胶粒子 溶胶增加引起云粒子半径的减小,从而抑制降水,大的存在使得水汽很容易在其表面凝结,形成一些直 量的小云滴存在于云中,延长了云的生命期。径为几个微米到几十微米的水滴。这是因为可溶性 些新的研究还提出了气溶胶对云的“半直接效气溶胶表面的平衡水汽压低于纯水表面—溶质效 应”,如黑碳或烟尘等吸收性气溶胶,由于具有较强应。寇拉理论指出,对于每个干的可溶性粒子,都有 的吸收太阳辐射并向外释放热辐射的能力,从而加一个特定的过饱和度S(图2)。图中可见,纯水滴 热大气和云团,使得云滴蒸发,云量减少,云生命期随着粒子尺度的增大,开尔文效应在逐渐减小。黑 缩短,云体平均反照率减小1。气溶胶对云和降色虚线表示临界过饱和比为0.15%时,粒径大于 水的影响作为气溶胶第二间接效应的一部分,其相0.1μm的硫酸铵气溶胶会活化并形成云滴,而较小 互作用机理更为复杂,特别是气溶胶对混合对流云的粒子则不能被活化。对于不同干粒径的气溶胶粒 气层顶 反射辐射 接作用于 液态含水量增长液态含水量增长公高发展云生命期延长 吸收和散射未扰动云云滴数浓度增长毛毛雨抑制 加热致使云滴蒸发 太阳辐射 直接效应 第二间接效应 半直接效应 图1气溶胶影响云和降水的机制(摘自 Intergovernmental Panel on Climate Change(PCC,200)(9) (气溶胶通过改变能量和水循环,最终影响降水:1,吸收和散射太阳辐射;2,作为CCN和IN影响云和降水 黑点:气溶胶颗粒;空心圆:云滴;直线:太阳短波辐射;波浪线:红外辐射) Fig 1 Various mechanisms proposed to explain how aerosols affect cloud and precipitation. Adapted from Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC, 2007)(9)引 言 大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液 体微粒共同组成的多相体系，其来源主要分为自然 源和人为源。 尽管气溶胶在地球大气成分中含量很 少， 但其重要性却不容忽视。 气溶胶对气候的影响 可分为直接影响和间接影响。 直接影响指大气中的 气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射， 从而影响地－气 系统的辐射收支。 间接影响指气溶胶粒子作为云凝 结核（Ｃｌｏｕｄ Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ Ｎｕｃｌｅｕｓ， ＣＣＮ） 和大气冰 图 １ 气溶胶影响云和降水的机制（摘自 Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ （ＩＰＣＣ， ２００７） ［９］ ） （气溶胶通过改变能量和水循环，最终影响降水：１，吸收和散射太阳辐射；２，作为 ＣＣＮ 和 ＩＮ 影响云和降水。 黑点：气溶胶颗粒；空心圆：云滴；直线：太阳短波辐射；波浪线：红外辐射） Ｆｉｇ．１ Ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｅｘｐｌａｉｎ ｈｏｗ ａｅｒｏｓｏｌｓ ａｆｆｅｃｔ ｃｌｏｕｄ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ． Ａｄａｐｔｅｄ ｆｒｏｍ Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ （ＩＰＣＣ，２００７） ［９］ 核（ＩＮ）影响云的微物理过程，并且气溶胶浓度变化 会影响云的光学特性、云量、云的寿命等，而云的变 化反过来又影响气候［１］ 。 气溶胶对气候强迫最大 的不确定性是气溶胶的间接效应，即气溶胶对云的 影响［２］ 。 “气溶胶间接效应”包括 “第一间接效应” 和“第二间接效应”。 第一间接效应指在一定的液 态水路径下，气溶胶浓度的增加使云中云滴数量增 加，云粒子半径减小， 从而增加云的反照率［３⁃４］ 。 “第二间接效应”又称为“云的生命期效应”指由气 溶胶增加引起云粒子半径的减小，从而抑制降水，大 量的小云滴存在于云中，延长了云的生命期［５⁃６］ 。 一些新的研究还提出了气溶胶对云的“半直接效 应”，如黑碳或烟尘等吸收性气溶胶，由于具有较强 的吸收太阳辐射并向外释放热辐射的能力，从而加 热大气和云团，使得云滴蒸发，云量减少，云生命期 缩短，云体平均反照率减小［７⁃８］ 。 气溶胶对云和降 水的影响作为气溶胶第二间接效应的一部分，其相 互作用机理更为复杂，特别是气溶胶对混合对流云 的影响。 图 １ 表示了气溶胶带来的各种辐射强迫的 机制，是对气溶胶影响云和降水的机制的总结［９］ 。 １ 气溶胶影响云、降水的机理研究进展 １．１ 凝结核活化形成云滴 含有吸湿性物质的气溶胶粒子有利于水汽在其 表面的凝结，这种粒子称为凝结核。 凝结核中的一 部分在特定的过饱和度 下 可 以 活 化 成 为 ＣＣＮ。 ＣＣＮ 的活化能力与气溶胶尺度、质量和气溶胶的化 学成分等因素密切相关。 在地球大气中，云滴或冰 晶的同质核化过程需要在极低的温度下才能发生。 基础热力学理论表明弯曲表面的饱和水汽压比同温 度平水面上的饱和水汽压高，水滴表面的水汽会向 平水面扩散并凝结。 同质核化分子运动论表明，过 饱和比（一个平面上的实际水汽压除以平衡态水气 压）的量级需达到 ３．５ ～ ８，水分子才能长成云滴粒 子［１０⁃１１］ 。 Ｐｒｕｐｐａｃｈｅｒ ｅｔ， ａｌ ［１０］ 对同质核化理论以及 相关的实验研究进行了总结。 在实际的大气中，这 么高的过饱和度是很难达到的。 然而，气溶胶粒子 的存在使得水汽很容易在其表面凝结，形成一些直 径为几个微米到几十微米的水滴。 这是因为可溶性 气溶胶表面的平衡水汽压低于纯水表面———溶质效 应。 寇拉理论指出，对于每个干的可溶性粒子，都有 一个特定的过饱和度 Ｓｃ（图 ２）。 图中可见，纯水滴 随着粒子尺度的增大，开尔文效应在逐渐减小。 黑 色虚线表示临界过饱和比为 ０． １５％ 时，粒径大于 ０􀆰 １ μｍ的硫酸铵气溶胶会活化并形成云滴，而较小 的粒子则不能被活化。 对于不同干粒径的气溶胶粒 ５８２ 气 象 科 学 ３４ 卷