人为气溶胶对地形云降水的影响:以黄山地区为例

江琪,银燕,单云鹏,李爱华,陈魁

(1.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044;2.安徽省气象局,安徽 合肥 230061)

人为气溶胶对地形云降水的影响:以黄山地区为例

江琪1,银燕1,单云鹏1,李爱华2,陈魁1

(1.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044;2.安徽省气象局,安徽 合肥 230061)

选取黄山站为高山站,周围黄山区、绩溪、黄山市三个低海拔高度站为对比站,比较高山站与对比站1960—2009年降水量差值,即地形影响因子R0的变化趋势,以及同期能见度的变化,分析了人为气溶胶对黄山地形云降水的可能影响。结果表明,1960—1979年能见度下降,气溶胶含量增大,R0升高;1980—1989年,能见度升高,气溶胶含量有下降趋势,不同对比站R0变化趋势不同;1990—2009年,能见度下降,气溶胶含量升高,R0显著下降。气溶胶对降水的影响作用与背景气溶胶浓度有关,背景气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度可促进降水;背景气溶胶浓度较高时,增加气溶胶含量对降水抑制作用显著,对应的能见度阈值为10 km。当气溶胶对降水起抑制作用时,抑制作用与风速成反比,与风频和各风向平均降水量呈显著正相关。

地形云降水;气溶胶;地形影响因子;能见度

0 引言

大气气溶胶是指悬浮在大气中的固态或液态颗粒物,粒径范围一般在10-3～102μm。气溶胶不仅能吸收、散射太阳辐射(直接效应),还能充当云凝结核(cloud condensation nuclei,CCN)或冰核(ice nuclei,IN),影响云的形成及微物理特征和辐射特性(间接效应);此外,气溶胶还可以在云内部吸收辐射,改变云的温度廓线及稳定性(半直接效应)。

近年来国内外学者在气溶胶与云相互作用方面做了大量的观测和模式研究,认为气溶胶在不同类型和背景浓度条件下,对云和降水的影响表现出明显的差异(Fan et al.,2007,2009;Khain et al.,2009;Lee et al.,2010;Storer et al.,2010;陈倩等,2013),气溶胶浓度增加既可抑制降水,也可促进降水(Ntelekos et al.,2009;Fan et al.,2010),并可以改变云的动力过程(Leroy et al.,2009;Koren et al.,2010)。Li et al.(2008)认为,当背景气溶胶浓度由清洁海洋性条件向大陆性条件转变时,降水增加;但背景气溶胶浓度达到高污染条件时,降水明显减少,甚至被完全抑制。一些模式的模拟结果(Xue et al.,2008)也表明,当初始气溶胶浓度较小时,云量与气溶胶浓度成正比,但当气溶胶浓度由25 mg-1增加到100 mg-1时,地表降水开始减少,继续增加气溶胶浓度会导致云量减少。Jin and Shepherd(2008)、Suzuki et al.(2008) 等研究发现,高浓度的气溶胶粒子作为CCN活化形成大量小液滴,导致云滴有效半径迅速减小,无法达到形成降水的阈值,从而抑制降水的产生(Jiang et al.,2006;Khain et al.,2008;Rosenfeld et al.,2008)。

地形云是气流流经山脉时受地形强迫抬升形成的。由于在其形成过程中,底层气溶胶粒子易随气流被抬升入云,气溶胶粒子可作为CCN和IN形成云滴和冰晶,影响云的动力和微物理过程,进而影响降水(Xue and Feingold,2006)。而平原地区的低层气溶胶粒子只能通过湍流扩散或热力抬升进入云中,因此,地形云降水更易受到近地层人为直接排放气溶胶的影响。

近年来,人类活动使气溶胶的排放显著增加,尤其在发展中国家更为明显(Crutzen and Ramanathan,2001;Li et al.,2007,2010)。我国近年来经济发展迅速,人为排放的气溶胶处在比较高的水平,因此,研究气溶胶对云和降水的影响意义重大。Rosenfeld et al.(2008) 定义地形影响因子为高山站及其附近平原站的降水量之比,并研究了秦岭地区气溶胶对于地形云降水的抑制作用,发现降水的减幅达14%～20%。但秦岭属中国北方地区,相对湿度较小,而水汽条件是影响气溶胶效应的一个重要因素。Khain et al.(2008)认为,当云在较干燥的大气条件下发展时,累积降水随气溶胶浓度的增加而减小;而在海洋性深对流云中增加气溶胶浓度会增加降水。Fan et al.(2007)、荣艳敏和银燕 (2010) 等模拟试验结果也表明,气溶胶对云特性的影响较强地依赖于相对湿度。因此,有必要对相对湿度较大区域的地形云降水进行研究,而黄山属于湿润性季风气候,温和多雨,相对湿度较大,以黄山地形云为例,研究我国湿润地区气溶胶对降水的影响将进一步完善气溶胶与降水相互作用的认识。

1 研究区域及方法

1.1 研究区域

黄山地处安徽省南部山区(118°09′E,30°10′N)。山势呈东北—西南向,南北长约40 km,东西宽约30 km。由于受海拔高度、地理位置和相应大气环流的共同影响,黄山的气候特征既有华东北亚热带季风特点,又有山地气候垂直变化的特色。黄山站的观测点设在黄山光明顶(58437)气象观测站(海拔1 840 m)。黄山阴雨天多,接近于海洋性气候,夏无酷暑,冬少严寒,四季平均温度差20 ℃左右。夏季最高气温27 ℃,冬季最低气温-22 ℃,年均气温7.8 ℃,夏季平均温度为25 ℃,冬季平均气温0 ℃以上。年平均降雨日数183 d,多集中于4—6月,山上全年平均降水量为2 395 mm。本文研究选取黄山光明顶(58437)作为高山站,选取黄山区(58426)、绩溪(58438)、黄山市(58531)三站作为低海拔高度对比站(平原站)。高山站及对比站的地理位置分布和地理信息见图1和表1。

图1 研究区域的地形特征和地理位置(阴影区域代表不同海拔高度;单位:m)Fig.1 Topography and meteorological stations in the study area (the shaded areas represent different altitudes;units:m)

表1高山站和对比站的地理信息

Table 1 Geographic information and topography of the station over the Yellow Mountain and stations on the plain

代码测站经度/°E纬度/°N海拔高度/m58426黄山区118.1330.30193.458437黄山118.1530.131840.458438绩溪118.5830.08191.158531黄山市118.2829.72142.7

1.2 研究方法

图2 1960—2009比值法求得的R0的变化趋势(a;以黄山市作为对比站)及黄山、黄山市站的降水量(b;单位:mm)Fig.2 The trends of (a)R0 based on the method of ratio(comparing with that in Huangshan city) and (b)the precipitation(mm) at the station over the Yellow Mountain and the station in Huangshan city

由于高山站地形云比平原地区的云更容易受气溶胶影响(Rosenfeld et al.,2011),当高山站与对比站的天气和环流形势十分相近时,平原站与高山站的降水相关性比较好,通过比较高山站相对平原站降水的变化情况,可以发现高山站降水受气溶胶的影响状况。Rosenfeld et al.(2011)等将地形影响因子(R0)定义为海拔较高的观测站与其附近平原站的降水量之比,而本文通过计算认为,以图2为例,当平原站和高山站降水的谷值(或峰值)不对应时,通过比值方法求得的R0值可能会呈现出一个极大(或极小)值(图中虚线圈),由于R0中个别值的影响,使拟合结果不能准确地反映地形云降水受气溶胶的影响作用,因而将地形影响因子更改为海拔较高的观测站与其附近平原站的降水量之差,即R0等于黄山站降水量减去对比站降水量。

气溶胶对降水的影响机制较为复杂,可以利用的气溶胶资料相当有限(杨琨等,2008)。表征入云气溶胶特性最理想的资料为云底气溶胶的浓度与分布状况,但缺乏相关观测资料。由于能见度主要受气溶胶、相对湿度、降水和其他气象条件影响(侯灵等,2014),黄山站位于云底附近,因此修正后的水平能见度(包括水平能见度的相对湿度修正和降水、雾天的剔除)数据可以表征入云的气溶胶含量。本文对1960—2009年50 a的能见度数据进行修正,并分析其与R0的相关关系,定性研究黄山地形云降水受气溶胶的影响作用。

2 结果分析

2.1 降水相关性分析

为了确保黄山及对比站除了受气溶胶的影响程度不同外,其他影响因素接近,本文根据地理位置、海拔高度等因素,对黄山周围18个气象站的降水与黄山站降水进行比对。通过检验影响站(黄山)与各站降水的相关性,选取了黄山区、绩溪、及黄山市作为本文的对比站(图3)。对比站与黄山站降水的相关系数均在0.8以上,均通过相关显著性检验。

图3 黄山站与对比站黄山区(a)、绩溪(b)、黄山市(c)年降水量的相关关系Fig.3 Correlation of annual precipitation between the station over the Yellow Mountain and the stations in (a)Huangshan district,(b)Jixi and (c)Huangshan city

2.2 黄山顶大气能见度的演变

气溶胶光学厚度与气溶胶源区及其周边近地面层的气溶胶粒子有很大的关系,而能见度正是反映了这些低层气溶胶粒子的光学特性,所以气溶胶光学厚度与能见度之间有定量关系,研究表明,能见度与气溶胶存在较好的负相关性。我国部分站点的能见度与气溶胶相关关系的资料显示,气溶胶光学厚度与能见度的相关系数达0.70以上,个别站点甚至大于0.90(罗云峰等,2000)。

由于能见度与气溶胶呈现出负相关关系,本文采用1960—2009年能见度数据通过湿度修正和剔除降水日和云/雾日资料,使之可以反映这50 a中气溶胶的变化趋势,作为定性分析地形云降水与气溶胶相关关系的替代资料。1980 年前,地面气象站大气能见度资料根据距离分为10个等级,而1980 年后,能见度资料为实际能见度距离。为了分析1960—2009年50 a中能见度数据,需要进行标准化处理。由于各能见度等级所对应能见度距离的区间并不是等间隔划分的,不宜采用区间中值,因而本文采用秦世广等(2010)的统计结论,对1980年前的等级数据进行距离换算。

为了排除相对湿度(HR)和降水对能见度的影响,应对能见度进行修正。当相对湿度处于40%～99%时,需进行相对湿度订正(Rosenfeld et al.,2011)。

通过相对湿度订正,可将能见度资料转化为同等干燥(HR<40%)条件下的数值;然后对有降水和雾天能见度资料进行剔除。由于黄山地区很少受沙尘天气影响,修正后的能见度可表征气溶胶含量。

图4为黄山站1960—2009年修正后能见度的逐日变化趋势。对其分三个区间进行拟合后发现:1960—1979年黄山站能见度呈明显下降趋势,下降斜率为0.16,反映出黄山气溶胶含量在这20 a中有显著增加的趋势;1980—1989年中黄山站能见度有小幅度上升趋势,说明对应这一期间的气溶胶含量稍有下降;1990—2009年,黄山站能见度呈递减趋势,下降斜率为0.14,能见度的递减反映出这20 a中气溶胶浓度增大,空气污染加重。

2.3 气溶胶对黄山地形云降水的作用

图5为黄山站与三个对比站的年平均降水量及R0随时间的变化趋势。根据能见度变化,进行了三个区间的拟合:1960—1979年、1980—1989年及1990—2009年。1960—1979年黄山及三个对比站黄山区、绩溪、黄山市的年均降水量均呈上升趋势,各对比站的R0斜率均为正,黄山站降水较平原站的降水在这20 a中上升更迅速,由于黄山站及三个对比站的降水量高度相关(图3),因此R0的变化趋势能够反映出气溶胶对降水的影响。1960—1979年间能见度下降(图4),气溶胶含量增多,R0的上升趋势反映出气溶胶的增加在一定程度上对黄山降水的促进作用。1980—1989年黄山站和对比站的年均降水均呈下降趋势,三个对比站R0的变化趋势不一致。以绩溪(58438)站为对比站的R0平缓上升,以黄山区和黄山市为对比站的R0呈下降趋势,对应图4中1980—1989年间能见度有小幅回升,气溶胶含量略有降低。由于R0没有统一的变化趋势,气溶胶在这一时间段中对黄山降水的影响存在不确定性。1990—2009年间黄山站的气溶胶含量再次升高(图4),黄山及三个平原对比站的年均降水量均呈下降趋势,R0下降斜率较大,黄山降水的下降速率明显快于三个对比站,由于降水的系统性变化不能解释这一现象,而区域性降水的差异也不会造成明显的影响,因而造成这一结果的原因可能为气溶胶含量的变化。低海拔地区没有地形强迫抬升作用,低层气溶胶粒子的入云方式只能为湍流扩散或者热力抬升 (Rosenfeld et al.,2011),且由于云底大多在大气边界层顶以上,使得入云的气溶胶浓度较低,地形云受气溶胶影响程度总体上高于低海拔地区的云。因此随气溶胶含量的升高,1990—2009年间黄山站的地形云降水受到显著的抑制作用。

图4 1960—2009年修正后黄山日平均能见度随时间变化趋势Fig.4 The trends of mean corrected daily visibility over the Yellow Mountain from 1960 to 2009

图5 黄山和三个对比站黄山区(a,b)、绩溪(c,d)、黄山市(e,f)的年均降水量(a,c,e;单位:mm)及R0变化趋势(b,d,f)Fig.5 (a,c,e)The trends of annual precipitations(mm) and (b,d,f)R0 between the station over the Yellow Mountain and the stations in (a,b)Huangshan district,(c,d)Jixi and (e,f)Huangshan city

图6 1960—2009年黄山与黄山市日降水量与黄山能见度的关系(a)及R0与黄山能见度的关系(b)Fig.6 The relation between (a)daily rainfall as well as (b)R0 at the Yellow Mountain and Huangshan city and the visibility at the Yellow Mountain from 1960 to 2009

2.4 降水与能见度的关系

图6为黄山与黄山区1960—2009年能见度与降水量的关系,两者降水差值(R0)与0的相对位置。鉴于能见度可以表征气溶胶含量,R0大于0时,此时的能见度所对应的气溶胶含量对黄山的降水起到促进作用,R0小于0时,能见度对应的气溶胶含量对黄山降水起到抑制作用。由图6可见,在能见度小于9 km时,R0均处于0线以下,此时能见度对应的气溶胶对黄山降水起明显抑制作用,随能见度减小,抑制作用逐渐加大,在能见度为7 km时,抑制作用达到最大;在能见度为10～29 km时,R0在0线附近波动,此时能见度所对应的气溶胶含量对降水的作用不明显,即可能为抑制作用,亦可能表现为促进作用;在能见度处于30～41 km时,所有的R0基本为正,此时能见度对应的气溶胶对于降水的作用为正,促进了黄山的降水,但其促进作用明显弱于抑制作用,使R0在0～6.8内波动,在能见度为33 km时促进作用达到最大值;在能见度大于41 km后,对R0的促进作用引起的波动振幅明显减弱,此时能见度所对应的气溶胶含量已经非常小。

当山顶和山底站降水在气溶胶对降水作用不明显的范围10～29 km变化时,二者曲线波动状况较为一致,在能见度小于10 km时二者为明显的反相关,这一结果与戴进等(2008)的研究结果一致。当能见度大于29 km后,山底降水减小到较低值,与山顶降水存在一定反比趋势,随能见度降低,山顶与山底站降水的差距加大,即在这一区间增加气溶胶含量可促进黄山站降水。

由于黄山是高山站,受到人类活动的直接影响较小,黄山站较其他周边地区洁净,1960年代初期黄山顶为较清洁地区,气溶胶的背景浓度对应的能见度应大于29 km;1960—1979年间能见度下降(图4),气溶胶含量增多,R0的上升趋势反映出气溶胶的增加在一定程度上对黄山降水的促进作用。1980—1989,此时的能见度有小幅度升高的趋势,气溶胶含量略微下降。由于三个对比站的R0无统一的变化趋势,可以认为,此时能见度对应的气溶胶含量对降水的作用存在较大的不确定性,但山顶山底降水差值减小,R0的整体分布较1960—1979有整体下移趋势(图5),点的集中分布更接近x轴,因此1980—1989年的气溶胶含量应对应于10～29 km的能见度,对降水的作用不明显,可能促进,也可能抑制。1990—2009年20 a中,能见度呈降低趋势,气溶胶含量持续增加,当其对应的能见度小于10 km后,气溶胶对黄山降水起到明显抑制作用,造成的R0呈显著下降趋势。

图7 黄山站(a)和黄山市(b)风频、风速(m/s)、平均降水量(mm)分布Fig.7 Wind frequency,wind speed(m/s) and the average precipitation(mm) at stations (a)over the Yellow Mountain and (b)in Huangshan city

2.5 风频风速与R0的关系

图7a、b分别为黄山及对比站黄山市的风频、风速分布和各风向的平均降水量分布。由于1990年前数据缺测时段较多,本节选取1990—2009年相关数据进行分析。根据黄山走向(图1)及黄山风频(图7a),可将黄山站风向大致分为:WNW-NNE(顺风)、ESE-SSW(背风)、SW-W(左侧风)和NE-E(右侧风)进行讨论。图7a中,黄山站的风频与降水有较好的正相关性,其中SW-W风向的降水频率与风频为各风向中的最大值,对比图7b,山底对比站的风频与降水没有明显相关关系。可以认为,黄山地形对降水分布影响显著。图7a、b中风速在各方向分布较均匀,与降水分布和风频无相关性。

图8、图9分析了以黄山市作为对比站,1990—2009年风速风向与R0的相关关系。随风速增大,R0有明显上升趋势,上升斜率为1.005,由前文知,1990—2009年间,气溶胶含量明显增大,R0呈下降趋势,黄山站降水受抑制,随风速增大R0增大,较大风速可以减弱气溶胶对黄山降水的抑制作用,可能与风对气溶胶的扩散作用有关。在风向与R0关系图中,除右侧风外,其他三个风向的R0均随时间递减,递减快慢与降水分布、风频成正比,SW-W风向R0递减最快,平均降水、风频最大,其次为WNW-NNE风向,ESE-SSW风向R0下降趋势平缓,接近水平,平均降水、风频较小;NE-E风向风频极小,平均降水量少,R0基本不受风向影响,呈上升趋势。

图8 1990—2009年黄山站R0与风速关系(以黄山市作为对比站)Fig.8 The relation between R0and wind speed at the Yellow Mountain by comparing with that at the station in Huangshan city from 1990 to 2009

3 结论

通过地形影响因子R0与黄山站修正后能见度关系进行对比,分析了气溶胶对黄山地形云降水的影响作用,得到以下结论:

1)能见度大于29 km时对应的气溶胶含量对黄山地形云降水起促进作用,能见度为10～29 km时对应的气溶胶含量对黄山地形云降水的影响作用不明显,小于10 km时对应的气溶胶含量对黄山地形云降水起显著抑制作用,7 km时抑制作用达到最大。其中,气溶胶的抑制作用较促进作用更为显著。黄山站的气溶胶(1960年左右)含量较少,随气溶胶含量的增大,此时气溶胶含量对应能见度应大于29 km,对地形云降水起促进作用(1960—1979年);1980—1989年黄山站能见度小幅度上升,R0无统一变化趋势,此时的气溶胶含量(对应能见度10～29 km)对黄山降水无确定的抑制或促进作用;1990—2009年能见度下降显著,三个对比站的R0均显著下降,此时的黄山站气溶胶含量对应的能见度应小于10 km,对黄山地形云降水起明显抑制作用。

2)1990—2009年,气溶胶对降水的抑制作用与风速成反比,风速越大,抑制作用越不显著。气溶胶对降水的抑制作用与风频和各风向平均降水量有良好的相关性,风频越小,气溶胶对降水的抑制作用越不明显,R0甚至出现上升趋势。

图9 1990—2009年黄山站各风向R0变化趋势(以黄山市作为对比站) a.迎风向;b.背风向;c.左侧风向;d.右侧风向Fig.9 The trend of R0in each wind direction at the Yellow Mountain by comparing with the station in Huangshan city from 1990 to 2009 a.windward direction;b.leeward direction;c.left crosswind direction;d.right crosswind direction

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(责任编辑：刘菲)

TheeffectofartificialaerosolsonorographicprecipitationAcasestudyovertheYellowMountain

JIANG Qi1,YIN Yan1,SHAN Yun-peng1,LI Ai-hua2,CHEN Kui1

(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Anhui Meteorological Observatory,Hefei 230061,China)

Based on the difference in precipitation between the station over the Yellow Mountain and those in Huangshan District,Jixi and Huangshan city,which is defined as the orographic enhancement factor(R0),as well as the change of visibility during 1960 and 2009,the possible ways that air pollution aerosols influenced orographic precipitation were studied.During 1960 and 1979,the increasing trend ofR0matched well with the decreasing visibility and increasing aerosols.Different stations presented different change trends forR0while the visibility was increasing and aerosol was decreasing during 1980 and 1989.With decreasing visibility and increasing aerosols,R0decreased significantly during 1990 and 2009.The effect of aerosols on the orographic precipitation was relevant with background concentration of aerosols.When the background concentration of aerosols was low,increasing aerosols would promote orographic precipitation.When the background concentration of aerosols was high,air pollution aerosols would suppress orographic precipitation significantly and the corresponding visibility threshold was about 10 km.When the aerosols suppressed orographic precipitation,the inhibition effect was negatively correlated with the wind speed and positively correlated with wind frequency and average precipitation in each wind direction.

orographic precipitation;aerosols;the orographic enhancement factor;visibility

2012-11-05;改回日期2013-02-20

国家自然科学基金资助项目(41030962);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

银燕,教授,研究方向为云物理降水和气溶胶,yinyan@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121105001.

1674-7097(2014)04-0405-09

P427

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121105001

江琪,银燕,单云鹏，等.2014.人为气溶胶对地形云降水的影响:以黄山地区为例[J].大气科学学报,37(4):405-413.

Jiang Qi,Yin Yan,Shan Yun-peng,et al.2014.The effect of artificial aerosols on orographic precipitation:A case study over the Yellow Mountain[J].Trans Atmos Sci,37(4):405-413.(in Chinese)