华北地区秋冬季气溶胶污染与不同类型降水的关系*

肖之盛 缪育聪 朱少斌 于 扬 杜晓惠 车慧正

1. 南京信息工程大学大气物理学院，南京，210044

2. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，中国气象局大气化学重点开放实验室，北京，100081

3. 成都信息工程大学大气科学学院，成都，610225

4. 中国环境科学研究院大气环境研究所，北京，100012

1 引 言

人类活动排放的气溶胶是大气中云凝结核（CloudCondensation Nuclei，CCN）和 冰 核（Ice Nuclei，IN）的重要来源，它们可以通过微物理效应促进水汽凝结或冻结来影响云的微物理过程（杨慧玲等，2011；Li，et al，2019；Rosenfeld，et al，2014a）。此外，气溶胶自身也可以通过吸收或者散射太阳辐射产生辐射效应，改变大气热力学条件进而对云的发展过程产生影响（李占清，2020；Sun，et al，2020；Yang，et al，2016）。研究（王东东等，2017；谭楚岩等，2020；Rosenfeld，et al，2014b；Zhao，et al，2020）表明，气溶胶对辐射平衡、水文循环、季风强度以及全球气候变化均有显著影响。

气溶胶与降水的相互作用是一个非常复杂的非线性系统，不确定性极大，定量评估也存在严重不足（Fan，et al，2016；Tao，et al，2012）。一般认为，随着气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）的增加，气溶胶的辐射效应可以使到达地面太阳辐射通量减少，导致热通量和对流有效位能减少，抑制对流和降水系统的发展（Huo，et al，2021）。但是也有研究（Zhou，et al，2018，2020）表明，当黑碳等吸收性气溶胶分布在大气层底部时，可以通过吸收太阳辐射进而促进对流和降水过程的发展。气溶胶的微物理效应对降水系统的影响也是多样的。气溶胶增多会导致云滴数浓度增加，云滴的有效半径减小，更多更小的云滴会抑制碰并作用，进而抑制暖云发展和暖雨过程（Guo X L，et al，2014；Xu，et al，2017）。但更多小云滴可以更容易随大气运动向上输送，如果达到冻结高度则有更多的潜热释放，从而进一步增强大气的向上运动和深对流系统的发展，该效应被称之为“气溶胶激发效应”（Rosenfeld，et al，2008）。研究（Dagan，et al，2015；Jiang，et al，2016）发现，气溶胶的辐射效应和微物理效应存在竞争关系，随气溶胶浓度升高气溶胶的辐射效应会超过气溶胶的微物理效应，导致气溶胶对降水系统由促进转为抑制作用。

由于不同类型降水的触发机制不同，气溶胶对于对流云降水和层状云降水的影响也不一样，一般认为气溶胶会促进对流云降水的发展而抑制层状云 降 水 的 发 展（Clavner，et al，2018；Fan，et al，2012；Iguchi，et al，2020）。Fan等（2012）利用天气研究与预报（Weather Research and Forecasting，WRF）模式研究了层状云降水和对流云降水对云凝结核浓度敏感性的差异，发现云凝结核增多显著提高了对流云降水的强度、云顶高度和区域累积降水量，但会抑制层状云降水的降水强度，且降水发生延时。Clavner等（2018）利用云解析模型对中尺度对流系统研究时也有类似的发现，气溶胶增强了中尺度对流系统的对流云降水，同时抑制了该系统的层状云降水。

除此之外，气溶胶-降水相互作用还受地形（Chen，et al，2021；Guo J P，et al，2014）以及相对湿度（Jiang，et al，2016）、可降水量（Chakraborty，et al，2018）、对流有效位能（Storer，et al，2010）、风垂直切变（Fan，et al，2009；Lee，et al，2008）、对流层下部稳定度（Yang，et al，2021）、垂直速度（Koren，et al，2010）等气象要素的影响。陈卫东等（2018）发现气溶胶浓度升高，当水汽供应充足（不足）时，会促进（抑制）降水性粒子形成，降水效率提高（降低）。Guo等（2018）发现珠江三角洲地区气溶胶对层状云降水的影响随气象条件向有利于降水的方向（高水汽、弱风切变和高对流有效位能）变化可以由负向逐渐转变为正向。Iguchi等（2020）发现在低对流有效位能情况下气溶胶对降水的促进作用会转变为抑制作用。

目前关于气溶胶对中国华北地区（36°—42°N，112°—120°E，图1）降水影响的研究主要集中在夏季深对流系统。陈卫东等（2015）对北京地区一次夏季对流降水模拟研究发现，适度的气溶胶浓度可以促进北京地区区域对流云降水，但气溶胶浓度过高则会抑制降水。然而对于秋（9、10、11月）、冬（12、1、2月）季的研究以及气溶胶对层状云降水等其他类型降水的影响研究极少，且尚没有一致的研究结论，王继志等（2011）发现1980—2005年中国北方地区雨雪年际变化与气溶胶光学厚度的年际变化存在正相关，但没有对降水类型进行分类且研究时间较为久远。与此同时，华北地区经济发达、人口密集，秋、冬季空气污染经历了由重转轻的过程，为研究气溶胶对华北地区秋、冬季不同类型降水的影响提供了良好的契机。正确理解和认识华北地区气溶胶对不同类型降水的影响对提高天气预报的准确性和水文循环具有重要意义。因此，文中利用全球降水观测卫星（Global Precipitation Measurement，GPM）的双频降水（Dual-frequency Precipitation，DPR）雷达数据和MERRA-2再分析资料研究气溶胶污染与华北地区秋、冬季对流云降水和层状云降水的关系。

图1 研究区域地形 （黑色虚线框；色阶：地形高度，单位：m）Fig. 1 Topography in the study area （black dashed line box；shaded：terrain height，unit：m）

2 资料和方法

2.1 资 料

GPM是继 TRMM 之后的新一代全球降水观测卫星，其上搭载的双频降水雷达采用 Ku、Ka 双波段联合探测（Hou，et al，2014）。GPM-DPR资料已被证实与地基C波段双偏振雷达探测的反射率因子整体一致性较好（蒋银丰等，2020）。陈爱军等（2018）也证实GPM多星集成降水产品IMERG 能够较好地反映中国降水量的空间分布特点。GPMDPR数据已广泛用于研究降水分布特征（Zhang，et al，2018b）、垂直结构（Zhang，et al，2018a）以及气溶胶对降水的影响（Zhou，et al，2022）。然而，GPM-DPR卫星资料由于其自身反演算法的不完善可能会导致其在反演降水强度、类型及垂直廓线等时存在一定误差（Chase，et al，2020）。本研究使用GPM-DPR Ka波段（35.5 GHz）雷达提供的华北地区秋、冬季降水强度、雷达反射率（单位：dBz）、雨顶高度及包括降水粒子粒径和数浓度在内的粒子谱分布以及潜热加热率数据。GPM数据根据降水雷达回波亮带特征将降水分为对流云降水、层状云降水和其他降水。数据水平分辨率为5 km × 5 km，垂直分辨率为250 m，时间分辨率为1.5 h。

MERRA-2是 NASA 全球建模与同化办公室（GMAO）在 2016 年发布的新一代大气再分析数据，时间为 1980年至今，其包含有大气气溶胶、辐射、温度、水汽等共 21 类产品（Gelaro，et al，2017）。MERRA-2的气溶胶光学厚度资料在中国的适用性已被证实（Che，et al，2019；Sun，et al，2019）。Che等（2019）将MERRA-2再分析资料与AERONET地基观测资料进行对比验证，其相关系数达0.8，与中国气溶胶遥感网络数据的相关系数为0.7，虽然与地基观测存在差异，但可以基本反映中国的气溶胶光学厚度分布和变化特征。本研究使用MERRA-2提供的华北地区秋、冬季550 nm波长的气溶胶光学厚度资料，水平分辨率为0.5°×0.625°，时间分辨率为1 h。 MERRA-2提供的华北地区秋、冬季的可降水量，985 hPa的垂直速度（W），800 hPa的纬向风（U）、经向风（V），相对湿度（RH），并利用700和985 hPa的温度数据计算了对流层下部稳定度。数据水平分辨率为5 km × 5 km，垂直分辨率为250 m，时间分辨率为3 h。

上述数据时段均取2014—2021年。

2.2 方 法

由于所用数据的水平分辨率和时间分辨率不同，本研究对同一时间内发生相同类型降水的格点降水强度数据进行了平均处理，同时将与降水发生时间最接近的气溶胶光学厚度数据（时间差小于0.5 h）和气象数据（时间差小于1.5 h）进行了区域平均，代表降水所对应的气溶胶条件和气象条件。为避免地形的影响，本研究删除了海拔高度大于200 m和海洋地区的数据。

本研究分析了对流云降水和层状云降水的降水强度和雷达反射率随气溶胶光学厚度的变化情况以及二者的相关关系。并将气溶胶光学厚度数据从小到大3等分，将较小的1/3定义为清洁状态（对流云降水AOD＜0.34，层状云降水AOD＜0.44），较大的1/3定义为污染状态（对流云降水AOD＞0.63，层状云降水AOD＞0.68）。分析对流云降水和层状云降水的强度、雨顶高度等宏观特征和粒子谱分布、潜热加热率等微观特征在污染和清洁状态下的差异，并尝试从气象因素的角度来解释出现这种差异的原因。

3 气溶胶对不同类型降水宏观特征的影响

3.1 不同类型降水强度和AOD的相关关系

对流云降水和层状云降水的强度随气溶胶光学厚度的变化如图2所示。可以看出当气溶胶光学厚度从0.1增加至1.3时，对流云降水的强度也逐渐增强，二者的相关系数（R）为0.31（通过了99%显著性t检验）。与之前的研究不同，本研究没有发现气溶胶对于层状云降水的抑制作用，层状云降水的强度随气溶胶光学厚度增加呈波动变化，相关系数（R）为-0.01，没有通过显著性t检验，说明层状云降水的强度与气溶胶光学厚度不存在相关关系，表明气溶胶对于华北地区秋、冬季对流云降水的影响比其对层状云降水的影响要强。除此之外，当气溶胶光学厚度大于1.3时，对流云降水和层状云降水的强度都有明显下降，可能是气溶胶辐射效应对降水抑制的结果（Wang，2013）。

图2 层状云降水和对流云降水平均降水强度随气溶胶光学厚度变化及其相关关系 （误差棒表示标准差，**表示通过99%显著性t检验）Fig. 2 Trends of the mean rain rates of stratiform and convective precipitation with AOD and the correlation coefficients （the error bars represent standard deviations，**means the value passing the 99% confidence level t-test）

与图2所发现结果类似，从不同类型降水的气溶胶光学厚度和降水强度分格点相关系数累积频率分布（图3）可以看出，研究区域内气溶胶光学厚度和层状云降水的强度相关系数集中在-0.25至0.25，分布较为均匀并且没有明显的正相关或负相关偏移，约65%格点的对流云降水的强度与气溶胶光学厚度为正相关，进一步表明气溶胶可能对华北地区对流云降水有一定的促进作用。

图3 层状云降水 （a） 和对流云降水 （b） 降水强度与气溶胶光学厚度分格点相关系数频率 （柱） 和累积频率 （曲线） （绿实线为0，红虚线为50%累积频率值，左侧坐标轴为频率，右侧坐标轴为累积频率）Fig. 3 Cumulative distribution function （curve） and frequency （bar） of grid-to-grid correlation coefficient of rain rate with AOD for （a） stratiform precipitation and （b） convective precipitation （green solid line is 0，red dotted line is 50% of cumulative frequency，the left axis is the frequency and the right axis is the cumulative frequency）

3.2 气溶胶污染对不同类型降水雷达反射率、降水强度和雨顶高度的影响

不同类型降水雷达反射率分布范围、最大值和均值随气溶胶光学厚度变化（图4）表明，虽然气溶胶光学厚度增加对对流云降水和层状云降水的雷达反射率均值影响不大，但对最大值影响明显，均呈现雷达反射率最大值随AOD增大先增后减的趋势，只是对流云降水拐点处的AOD值比层状云降水大。随AOD变化，对流云降水的雷达反射率变化幅度比层状云降水大，AOD在0.6上下两种降水雷达反射率频率最为集中，且对流云降水有更大的雷达反射率。

图4 层状云降水 （a） 和对流云降水 （b） 平均雷达反射率频率 （色阶，单位：%） 及 （c） 反射率最大值 （虚线，单位：dBz） 和平均值 （实线，单位：dBz） 随气溶胶光学厚度的变化 （c中蓝色代表层状云降水，红色代表对流云降水，误差棒表示标准差）Fig. 4 Mean radar reflectivity frequencies （shaded，unit：%） of stratiform precipitation （a） and convective precipitation （b）and their （c） maximum （dashed line，unit：dBz） and mean values （solid line，unit：dBz） versus AOD （blue lines in c represent stratiform precipitation，red lines represent convective precipitation，and the error bars indicate standard deviations）

由对流云和层状云降水的降水强度和雨顶高度在污染和清洁状态下的差异（污染减清洁）累积频率分布（图5）可以看出，相比层状云降水，污染状态下的对流云降水强度更大，雨顶高度更高。污染和清洁状态下二者最大差值分别为10 mm/h和7 km，而层状云降水的强度在污染和清洁状态下的差异集中在-1—1 mm/h，雨顶高度差异集中在-2—2 km，并且没有明显正负偏移趋势。表明气溶胶污染对对流云降水宏观特性的影响可能比层状云降水更显著。

图5 层状云降水和对流云降水在污染和清洁状态下 （a） 雨顶高度 （H） 和 （b） 降水强度 （R） 差异的频率 （柱） 和累积频率 （曲线）（左侧坐标轴为频率，右侧坐标轴为累积频率）Fig. 5 Cumulative distribution function （curve） and frequency （bar） of the differences in （a） rain top height （H） and （b）rain rate （R） of stratiform and convective precipitation between polluted and clean states （polluted minus clean）（the left axis is the frequency and the right axis is the cumulative frequency）

4 气溶胶污染对不同类型降水微观特征的影响

气溶胶可以影响云-降水系统粒子谱分布，进而影响其发展过程。图6给出了对流云降水和层状云降水在污染和清洁状态下降水粒子粒径和数浓度的平均纬向和经向垂直剖面差异（污染减清洁）。可以看出，无论是降水粒子粒径或是粒子数浓度，对流云降水在污染和清洁状态下的变化幅度比层状云降水系统更大，层状云降水粒子粒径大小和数浓度在污染和清洁状态下的差异很小，看不到明显的增强或抑制信号，粒子粒径为-0.1—0.1 mm，粒子数浓度为-2—2 m-3mm-1（图6a、b）。而气溶胶光学厚度对对流云降水粒子谱分布的影响较为明显，对流云降水在污染状态下的粒子数浓度更高但是粒径更小（图6c、d）。

潜热加热率的大小是水汽凝结或冻结过程强弱的表征。图7展示了对流云降水和层状云降水在污染和清洁状态下潜热加热率的差异（污染减清洁）平均纬向和经向垂直剖面。相比于层状云降水，对流云降水在污染状态下具有更高的潜热加热率，表明污染状态下对流云降水的潜热释放更强。图6和7表明气溶胶光学厚度与华北地区秋、冬季对流云降水的关系与“气溶胶激发效应”一致（Fan，et al，2016；Zhao，et al，2018），即污染状态下产生更多更小的降水粒子随大气运动到0℃层以上，更多的粒子凝结和冻结形成更强的潜热释放，促进深对流系统发展，表现为更强的降水强度和更高的雨顶高度，但污染状态下的层状云降水没有看到类似特征。

图6 层状云降水 （a、b） 和对流云降水 （c、d） 在污染和清洁状态下降水粒子粒径 （等值线，单位：mm） 和数浓度 （色阶，单位：m-3mm-1） 参数差异的垂直剖面 （污染减清洁，a、c为纬向平均，b、d为经向平均）Fig. 6 Vertical profiles of differences in particle size （contour，unit：mm） and number concentration （shaded，unit：m-3mm-1） of stratiform precipitation （a，b） and convective precipitation （c，d） in polluted and clean states （polluted minus clean，a and c show latitudinal averages，b and d are for longitudinal averages）

图7 同图6，但为潜热加热率 （单位：K/h）Fig. 7 Same as Fig. 6 but for latent heating rate （unit：K/h）

5 气象条件对气溶胶污染与降水关系的影响

气象条件对气溶胶-降水相互作用有重要影响，甚至可以改变降水对气溶胶变化的响应趋势（Guo，et al，2018；Iguchi，et al，2020）。本研究分别从大气水汽条件、热力条件和动力条件考察气象因素和两种类型降水的关系。

图8给出了对流云降水、层状云降水的降水强度与可降水量和800 hPa相对湿度的相关关系。可以看出层状云降水的强度与可降水量呈正相关，相关系数为0.25，而对流云降水基本与其不存在相关。对于相对湿度，虽然对流云降水的强度与800 hPa相对湿度也存在正相关，但相比层状云降水其相关系数要小，说明相比于对流云降水，层状云降水更容易受到大气可降水量和800 hPa相对湿度的影响，更高的水汽含量对层状云降水的促进作用要大于对流云降水。

图8 层状云降水 （a、b） 和对流云降水 （c、d） 的降水强度与800 hPa相对湿度 （a、c） 及可降水量 （b、d） 的相关关系（*表示通过95%显著性t检验，**表示通过99%显著性t检验）Fig. 8 Correlation of rain rate with RH at 800 hPa （a，c） and precipitable water vapor （PWV） （b，d） for stratiform precipitation （a，b） and convective precipitation （c，d） （* means the value passing the 95% confidence level t-test，** means the value passing the 99% confidence level t-test）

图9进一步分析了与水汽输送有关的800 hPa纬向风（U）和经向风（V）与对流云降水和层状云降水降水强度的相关关系。可以发现层状云降水和对流云降水受经向风影响不大，二者的降水强度与800 hPa的经向风基本不相关。但是相比于对流云降水，层状云降水与纬向风的负相关系数更大，说明更强的东风会使层状云降水具有更大的强度。与图8的结果一致，华北地区东部受海洋影响，更强的东风可能会带来更多的水汽，有利于降水系统发展。

图9 同图8，但为800 hPa纬向风 （a、c） 和经向风 （b、d）Fig. 9 Same as Fig. 8 but for the zonal wind U （a，c） and meridional wind V （b，d） at 800 hPa

中低层垂直速度是大气垂直运动的表征，与降水系统发展关系密切（邱粲等，2017）。图10a和c给出了层状云降水和对流云降水的强度和985 hPa垂直速度（W）的相关关系。可以看出层状云降水比对流云降水更容易受到区域平均垂直速度的影响，表现出更显著的正相关关系。更大的垂直速度可能会增强层状云降水的强度，而985 hPa处的垂直速度与对流云降水的强度相关很弱。对流层下部稳定度是大气稳定度的表征，更高的对流层下部稳定度代表了更稳定的大气，层状云降水强度与其相关系数（R）为-0.3，对流云降水强度与其相关略弱于层状云降水，相关系数（R）为-0.26。 说明稳定的大气对于对流云降水和层状云降水均具有一定抑制作用，高对流层下部稳定度不利于降水系统的发展，且层状云降水受到对流层下部稳定度的影响可能更大。

图10 同图8，但为985 hPa垂直速度 （a、c） 和对流层下部稳定性 （b、d）Fig. 10 Same as Fig. 8 but for vertical velocity W at 985 hPa （a，c） and lower tropospheric stability （LTS） （b，d）

综上所述，层状云降水更容易受到大气水汽条件和垂直上升运动的影响。自然降水过程中，气溶胶污染对华北地区层状云降水的影响很难通过GPM-DPR数据和MERRA-2数据分析出。

6 结论与讨论

正确认识气溶胶对华北地区秋、冬季不同类型降水的影响对华北气象预报和水文循环研究具有重要意义，本研究利用GPM-DPR和MERRA-2数据分析了气溶胶污染与华北地区2014—2020年秋、冬季对流云降水和层状云降水的关系，得出如下主要结论：

（1）气溶胶污染与华北地区秋、冬季对流云降水存在正相关关系。与清洁状态相比，污染状态下对流云降水具有更高的雨顶高度和更强的降水强度。气溶胶污染与层状云降水不存在明显的相关关系。

（2）气溶胶污染与对流云降水的相关可能与“气溶胶激发效应”有关。在污染状态下，对流云中有更多更小的降水粒子，可以通过释放更多潜热促进对流云降水系统的发展。

（3）气象条件对华北地区气溶胶对降水系统的作用有重要影响。层状云降水比对流云降水更易受到大气水汽条件和垂直上升运动的影响。自然降水过程中气溶胶污染对华北地区层状云降水的影响很难通过GPM-DPR和MERRA-2数据分析出。

由于气溶胶-降水相互作用是一个高度复杂的非线性系统，气溶胶和各种气象因素的综合作用导致本研究中所展示的单一变量与降水强度的相关系数偏小。本研究所使用的GPM-DPR卫星观测资料和MERRA-2再分析资料也无法将气溶胶和气象因素对层状云以及对流云降水的影响完全分离并进行定量分析。此外，由于GPM-DPR卫星观测资料对降水的反演及降水类型的分类存在一定误差，且 MERRA-2再分析资料的AOD数据也不能完全真实地反映研究区域内气溶胶的分布情况，导

致本研究的结果存在一定不确定性。本研究所使用的相关分析方法只能证实气溶胶和气象因素、降水强度之间存在一定联系，但无法确定因果及具体物理机制。文中仅通过分析多源资料得到一些关于气溶胶污染与降水关系的假设，在后续研究中，将考虑结合数值模式评估气溶胶对不同类型降水的影响，进一步证实相关假设。