不同类型的气溶胶对深对流云的影响对比外文翻译资料

 2022-12-17 14:47:08

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不同类型的气溶胶对深对流云的影响对比

JonathanH.Jiang1,HuiSu1,LeiHuang1,2,YuanWang3,StevenMassie4,BinZhao2,AliOmar5amp;ZhienWang4,6,7

对流云产生了全球很大比例的降水并在能源和水循环中发挥着重要作用。我们将对流云冰质量加权高度质心（ZICW）量化为气溶胶光学厚度（AOT）的函数。分析分别在烟雾、灰尘和污染的大陆气溶胶环境中进行。在南美、中非和东南亚，采用最新的测量数据CloudSat和CALIPSO卫星。我们发现气溶胶可以抑制或激发对流，这取决于气溶胶类型和浓度。平均而言，烟雾往往会抑制对流，导致ZICW低于干净的云。污染的大陆气溶胶倾向于激发对流，促进更高的ZICW。尘埃气溶胶效应是区域性的，因地而异。而且，我们发现气溶胶的抑制或激发效应不是随AOT单调变化的，而是强烈取决于气溶胶类型。我们的观察变结果表明，气溶胶类型是一个决定气溶胶对对流云影响的关键因素。

大气气溶胶被认为可能会抑制或激发对流云的发展。对于吸收气溶胶，传统的观点是它们过阻挡辐射到达地表可以增强低层稳定性。例如，1940-2040年印度降雨对亚洲棕色云的影响通过耦合的海洋 - 大气模型进行模拟，吸收性气溶胶增暖了前几公里温度分布，从而使对流层低层稳定。这种稳定化可以抑制对流，甚至使亚洲夏季季风系统减弱。可以肯定的是，南亚的干旱在21世纪的未来几十年更有可能发生。除此之外通过吸收性气溶胶可以改变区域环流。我们发现哈德莱环流可以通过吸收性气溶胶减弱或增强，与其他强迫因子如温室气体和硫酸盐气溶胶的影响相反。它还假设在高度污染的条件下，气溶胶辐射效应减少了对流有效位能（CAPE）和抑制深对流，超过气溶胶微物理效应，并超过对云发展的净减弱效果。

另一方面，气溶胶浓度增加因此云凝结核（CCN）可以抑制温暖的雨水过程，允许更多的液态水达到冻结高度，从而增强上部的潜热释放，被称为“云活力”。吸收性气溶胶，传统的抑制效果也受到更复杂机制的挑战。设想在行星边界层（PBL）顶部附近加热即可稳定PBL，增加PBL内对流抑制（CIN），但增强了高于PBL的CAPE。在更长的时间尺度，抑制浅层对流吸收气溶胶可以推迟释放能量和水分，从而增强深层对流。

云的抑制或发展都可能导致对流云高度的变化。这种云的影响大气辐射预算的高度变化可以通过考虑黑体辐射的变化来说明云顶高度接近13公里的光学厚云。约13公里处温度下降率为-7K每千米，与14公里附近的云顶相关的黑体发射相比，13km时的发射率高13.8W每平方米。因此，量化气溶胶如何影响对流云的发展对我们理解气溶胶对天气和气候的影响

是极其重要的。

但是，人们已经认识到如何量化气溶胶的影响不是一件容易的事。我们经常遇到中尺度云系统的潜在动力反馈可以抑制气溶胶对个别云的激发或抑制作用;或缺乏卫星观察而难以研究云生命周期性质的困难。将不同类型气溶胶对不同类型的云的影响分离开来是一项很大的挑战。

CALIPSO和CloudSat的卫星测量提供了一个细致的气溶胶和云数据集，包括气溶胶类型和云类型信息。CALIPSO气溶胶数据包括七种气溶胶类型：高烟，污染的大陆/烟雾，污染的灰尘，灰尘，干净的大陆，清洁的海洋和有灰尘的海洋。为简单起见，我们参考“高烟”类型“烟雾”和“污染的大陆/烟雾”，烟雾类型为“污染的大陆”。CALIPSO-CloudSat结合数据包括八个云型分类：深对流，卷云，层云，高积云和积云。图1显示了CloudSat的示例云和CALIPSO气溶胶测量。更多细节在“方法”部分中给出。一些研究已经分析过气溶胶-云相互作用是云类型的函数。例如，Christensen等人使用CloudSat数据量化气溶胶对深层对流云的间接影响。然而这项研究没有考虑不同的气溶胶类型。在本文中，我们关注深对流云和分析CloudSat/CALIPSO数据集用于量化不同气溶胶环境中产生的不同的云量高度，例如烟雾灰尘和污染的大陆气溶胶。我们发现不同类型的气溶胶会对其产生不同的、非线性的影响。

图1　不同气溶胶环境中云的切面图。2007年10月25日，沿南美轨道运行的CloudSat/CALIPSO云水含量和并置的CALIPSO烟雾和污染的大陆气溶胶消光剖面图。沿着卫星轨道12公里的运行窗口平滑图像。

结果

取决于类型的气溶胶效应。第一个问题是如何准确测量气溶胶引起的云高变化。由于环境条件多样，观测到的云顶高度和云深度基本不同。CloudSat测量的高垂直分辨率允许我们计算集中在一个高度范围内的深对流云的质量加权的高度质心。由于云抑制（发展）过程意味着减少（增加）云中能量释放，我们可以使用云冰水含量（IWC，mg m-3）和海拔（z，m）加权质心来得到进入空气中的云中冰晶的变化，进而得到深对流的能量。

质心高度由如下公式计算：

其中z是海拔高度。如果是云抑制（激发）存在，相对于干净的环境ZICW值在气溶胶中减少（增加）。IWC可能受到许多因素的影响，即IWC（z，气溶胶类型，云类型，区域，季节，大气）。我们将研究重点放在三种气溶胶类型上：烟雾，尘埃和污染的大陆气溶胶;一种云型：深对流云; 三个地区：南美洲（SAM，0-30°S，35°-80°W），中非（CAF，20°S-15°N，10°W-50°E）和东南亚（SEA，0-35°N，75°-125°E）。选择这三个地区是因为上述气溶胶类型占主导地位（参见补充图1和相关讨论）且对流活动也十分活跃。

图2显示了三个地区年平均对流云ZICW在不同气溶胶（烟雾，灰尘，污染大陆）中相对于清洁条件下的变化。很明显，在烟雾环境中，平均对流云ZICW低于清洁环境下。在受污染的大陆环境中，ZICW都高于清洁条件下的ZICW。当灰尘是主要的气溶胶类型时，对对流云冰高度质心的作用受区域影响。在SAM中，灰尘污染的ZICW高于干净时。在CAF和SEA，尘埃环境中ZICW较低。除了年平均值，还研究了ZICW在不同气溶胶环境，不同区域和不同的气溶胶光学厚度（AOT）范围中的季节性变化（补充图2和3）。抑制烟雾的影响和污染大陆的活力效应，对于深对流在季节平均值中是正确的。然而，AOT随季节，气溶胶型变化和大气变化有很大差异，这将在下面讨论。

图2　不同气溶胶环境中云高的变化。全年深对流云的高度质心平均变化，计算清洁环境和不同气溶胶环境之间的ZICW差异：三个选定区域的烟雾气溶胶（灰色），尘埃气溶胶（蓝色）和污染的大陆气溶胶（红色）:(左）南美洲，（中）中非和（右））东南亚。误差条表示Delta;ZICW的标准误差。

图3　对流云对不同气溶胶环境中气溶胶扰动的非单调响应。IWC加权高度

烟雾气溶胶（灰线），尘埃气溶胶（蓝线）和污染大陆气溶胶（红线）的质心，作为SAM（上图），CAF（中图）和SEA（下图）的气溶胶光学厚度（AOT）的函数 AOT包括表面500米以上的气溶胶，详见方法部分。误差线表示平均值的标准误差。

非单调云响应。图3进一步显示了每个区域，对流云ZICW在三种不同的气溶胶环境中对气溶胶的扰动的非单调响应，烟雾，尘埃和污染的大陆气溶胶占主导地位。对于小气溶胶装载高达AOT~0.2-0.3，对流云ZICW在烟雾气溶胶环境中减少，而相反在受污染的大陆环境中，随着AOT的增加，ZICW迅速变高。这个明显的差异表明主要由吸收气溶胶（黑色和有机碳）组成的烟雾，如先前的模拟研究和亚洲棕色云的观察2所示，可以起到稳定温度曲线和抑制折射的作用。此外，被烟雾提升了对流也可能加速云滴的蒸发，冰晶通过吸热升华，这就是气溶胶半直接效应。这些综合效果可以削弱对流发展，从而降低烟雾环境ZICW。但是，对流的行为被污染的大陆环境中的云（例如，混合物，硫酸盐，硝酸盐和其他污染物），当AOT lt;0.3时，与气溶胶振荡假设一致，即由于冻结了大量的水滴，在CCN中通过增加潜热释放激发深对流。此外，大气因素可能也很重要。

在重气溶胶条件下（AOTgt; ~0.3），上述影响相反：ZICW随烟雾中的AOT而增加，而在污染条件下它会减少，并且两者似乎都稳定在AOTgt; ~0.8。在浓烟环境中ZICW随AOT单调增加可以解释为通过气溶胶加热层上方增加的CAPE和未消耗的不稳定能量以及受抑制的浅层对流。另一方面，在重污染环境（当污染的大陆气溶胶占主导地位时）中进一步增加AOT时ZICW的减少表明大量污染可以减少阳光到达地表的数量，这反过来可以削弱对流。云扰动对气溶胶的非单调响应与早期的一些研究一致，其中通常存在气溶胶影响相反的转折点。这反映了气溶胶的微物理和辐射效应。我们的研究进一步证明了这种非单调云的类型依赖性

对气溶胶强迫的反应。量化云与气溶胶的关系是很困难的，这是因为缺少可用于确定气溶胶关键响应的工具。此外，对环境条件变化的反馈（例如，由于不同的水分蒸发效率变化或中尺度动力学的变化）也可能是非单调的。

气象因素的影响。除气溶胶微物理和辐射效应外，对流云的垂直结构变化也可以由大规模的气象条件变化引起。例如，云形成通常与相对湿度（RH）和大尺度垂直速度正相关，与风负相关。对于对流云，对流强度与空气包裹的浮力成正比，这是由CAPE衡量的。

为了探索气象对ZICW的影响，我们计算AOT和ZICW之间的偏相关系数。该偏相关是控制可能产生影响的变量后衡量两个变量线性相关性的指标（在这种情况下是气象参数）。 该方法的更多细节在下面给出。一般来说，如果是部分相关类似于相应的总相关性（至少它们有相同的标志），AOT和ZICW之间的相关性无论其他气象因素的影响如何都存在。 换句话说，气象因素不太可能是AOT和ZICW之间相关性的主要原因。相反，如果部分和全部相关性具有不同的标志，那么气象因素就被认为主导了气溶胶效应。

分析中考虑了12个气象参数，它们包括：RH850，RH800，RH500，RH350，RH300，LTS，对流层低层稳定性;，VV500，垂直速度500，VV300，垂直速度300 ，U300，U1000，V300，

V1000，VWSH，位势涡度表面的垂直风切变为。偏相关系数见表1。

在南美洲和东南亚，每年烟雾和污染部分相关性总和通常和大陆气溶胶相近，表明气象因素不太可能是AOT和ZICW之间相关性的主要原因。此外，季节性的相关性（见补充表1）通常与年度结果符号相同，除了几个相关非常弱的因子（例如，南美春季的烟雾）。因此，受污染的大陆和土壤的恢复作用和烟雾的抑制效果似乎很强，尽管气象条件可能在某些情况下发挥作用。然而在中非，气象条件的影响年平均值要大得多，占主导地位，正如年平均总相关和偏相关，以及其他一些紧要的相关系数所显示的那样。进一步研究气溶胶和气象因素在不同季节对中非的影响（见补充表1）显示了气溶胶效应在不同季节存在对比。烟雾和污染的大陆气溶胶都显示出显着的抑制冬季对流的影响，但它们在秋季逆转，导致净气溶胶效应年平均值不明显。表1和补充表1表明，气象的季节性可能是研究中非地区的关键。气溶胶效应表现为季节性时间尺度，但气象因素在年平均值上占主导地位。上述分析证明了AOT与ZICW的关系在不同季节与气象条件方面的复杂性。在某些地方，气象的影响与气溶胶方向相同，但在其他地方方向相反。 但是，烟雾的抑制作用和污染的抑制作用不论以年平均值显示（图2）还是以季节显示（补充图3）都很大程度上考虑了气象因素，对于烟雾气溶胶尤其如此。未来的研究应通过详细的云解析建模来识别关系。

讨论

本文基于最新的卫星数据研究了不同类型气溶胶对深对流云的影响。利用CALIPSO和CloudSat的垂直剖析功能，我们计算了由冰水加权的对流云高度的变化含量（ZICW）与AOT的函数关系。烟雾，灰尘和污染作为南美洲，中非，南非和东南亚的大陆气溶胶类型。ZICW和AOT是根据来自CloudSat和CALIPSO实验的最新数据计算得出的。我们证明了不同气溶胶类型对对流云的影响有很大不同。烟雾气溶胶环境，ZICW随着AOT的减少而减少直到气溶胶增加到AOT~0.2，然后逐渐随气溶胶负荷增加。相反，在受污染的大陆地区，ZICW随较低的气溶胶负荷而增加，但是随着气溶胶的进一步增加而减少。与烟雾和污染影响相比，对流云冰上的尘埃具有强烈的区域依赖性。观察证据表明气溶胶“抑制”和先前假设的“活力”过程强烈依赖于气溶胶类型和浓度。在轻烟环境，气溶胶抑制深对流，产生降低海拔质心的冰云。实际上，浅层对流可以完全抑制，但是随后的深对流可能因未消耗的CAPE而变得更加强烈，特别是在PBL之上。对于人为污染的气溶胶来说，情况正好相反，轻微污染的空气会激起对流并提高质心。在污染严重的环境中，通过减少到达地表的太阳光量来减弱对流。气溶胶对对流云的影响在中非地区通常不如南美和东南亚等地区那么明显。

南美洲，年平均值（图1）下灰尘往往会激发对流，但气因素结果好坏参半（表1）。 在东南亚和中非，尘埃气溶胶与抑制对流的烟雾相似。我们注意到撒哈拉沙漠地区有大量的南美尘埃。 相比之下，东南亚和中非的尘埃来自同一个大陆。 因为源头附近的灰尘可能比远距离运输灰尘高度低，南美尘埃很可能与东南亚和中非尘埃高度不同。低海拔地区的尘埃影响温度分布和大气稳定性的方式不同于高海拔地区的尘埃。这可能解释了南美与东南亚和中非相比尘埃对ZICW影响的差异。

我们的研究得出了可以与之前的研究相比较的有趣结论。Koren等人使用MODIS气溶胶和云顶压力数据研究云顶压力如何随气溶胶种类的变化而变化。他们研究的图2表明云顶高度随气溶胶的增加先增后减。这种现象归因于增加的气溶胶减少了表面照明量。图3中被污染的大陆曲线显示出类似的特征。然而，我们发现烟雾弥漫的大陆和某些尘埃环境表现不同，这表明了云高度也对气溶胶类型敏感。图10Koren等

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