典型站点气溶胶对云特性的影响

彭杰,张华

(1.中国气象科学研究院,北京 100081;2.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;

3.国家气候中心,中国气象局气候研究开放实验室,北京 100081;4.上海市气象局 上海气象科学研究所,上海 200030)

彭杰,张华.2015.典型站点气溶胶对云特性的影响[J].大气科学学报,38(4):465-472.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130408001.

Peng Jie,Zhang Hua.2015.Impact of aerosol on cloud properties at typical sites[J].Trans Atmos Sci,38(4):465-472.(in Chinese).

典型站点气溶胶对云特性的影响

彭杰1,2,3,4,张华3

(1.中国气象科学研究院,北京 100081;2.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;

3.国家气候中心,中国气象局气候研究开放实验室,北京 100081;4.上海市气象局 上海气象科学研究所,上海 200030)

摘要：结合CloudSat对云的主动观测和MODIS(MODerate-Resolution Imaging Spectroradiometer)对气溶胶的被动反演,研究了典型站点气溶胶对云的宏观、微观和辐射特性的影响。结果表明,气溶胶对大陆性和海洋性站点的云均有显著影响。1)随气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)增加,水汽含量较弱站点的低层(高层)云量呈减小(增加)趋势,而水汽条件较强站点的各层云量均增大,且具有较高(较低)云顶的云层发生概率在各个站点都呈增加(减小)趋势。2)AOD的增大导致各站点云滴和冰晶粒子的有效半径均减小、大气层顶的短波和长波云辐射强迫均增强、短波云辐射强迫绝对值的加强更显著、长波云辐射强迫增加的幅度相对更大。3)气象要素在AOD大(小)值情况下的变化表明,大尺度动力条件并不能解释云的上述特性随AOD的显著改变。

关键词：气溶胶激活效应;云物理特性;云辐射强迫

0引言

气溶胶作为云凝结核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)会影响云反照率、对流能量、生命周期和降水效率,称之为“气溶胶间接效应”。对此的研究表明,气溶胶能够抑制暖云降水,增加云中降水发生高度距云底的距离(Albrecht,1989;Radke et al.,1989;Rosenfeld,2000;Ranmanathan et al.,2001;Andreae et al.,2004;Freud et al.,2011;Freud and Rosenfeld,2012)。这被解释为在云中水含量变化不大的情况下,气溶胶的增多会产生更多更小的云滴粒子,从而抑制云滴之间的碰并和融合增长,减缓在上升过程中云滴粒子的增长速度,使得大云滴粒子的数目减小。由于云滴粒子需要增长至足够大才能克服重力形成降水,所以气溶胶的增多能够抑制暖云的降水。对亚马逊热带地区(Andreae et al.,2004)、阿根廷冰雹地区(Rosenfeld et al.,2007)、加利福尼亚冬季暴风雨区、冬季以色列地区和印度夏季季风区的(Freud and Rosenfeld,2012)飞机观测都证实了这一现象。

近年来的研究(Andreae et al.,2004;Khain et al.,2005;Koren et al.,2005)表明气溶胶的增多对暖云降水的抑制反而会增强冰云降水。地面观测表明,在不同污染程度条件下,云滴粒子尺度从云底至云顶的增长变化非常不同(Andreae et al.,2004)。污染情况下,高于云底1 000 m处的云滴粒子仅能增长至10 μm大,而干净情况下能够增长至25 μm。气溶胶浓度较小的情况下,云中的降水在高于云底1 000～1 500 m处就出现了,而在高度污染的情况下,降水出现的位置距云底达6 000 m。但是如果云顶高过了冻结层,污染情况下的云会发展的非常剧烈,并伴有雷暴、飚线和极强降水的出现。Koren et al.(2005,2008)用中分辨率光谱成像仪(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)的反演资料发现大西洋地区和亚马逊流域的云顶高度(云滴粒子有效半径)随着气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)的增大(减小)有系统性的增加(减小)。Lin et al.(2006)利用多平台的卫星数据同样在亚马逊流域发现了气溶胶的光学厚度与云顶高度、云量和降水都存在正相关。云分辨模式的模拟研究(Khain et al.,2005;Wang,2005;Fan et al.,2007;Van den Heever and Cotton,2007)也表明气溶胶的增多会导致降水加强。

利用气团模式,Rosenfeld et al.(2008)通过浮力和静力能的改变,从理论上对这一现象提出了假设性的解释,并将其定义为气溶胶对云的激活效应(Aerosol Invigoration Effect,AIE)。许多观测和模式模拟的研究结果证实了AIE的存在,并表明气溶胶激活效应对云,降水和大尺度环流都能够产生影响,这包括能够改变云的几何形态、降水、深对流云中的闪电,甚至改变大尺度环流,影响热带气旋的强度(Molinie and Pontikis,1995;Andreae et al.,2004;Khain and Pokrovsky,2004;Khain et al.,2004,2005,2008;Wang,2005;Seifert and Beheng,2006;Van den Heever et al.,2006;Fan et al.,2007,2009;Tao et al.,2007;Khain et al.,2008;Koren et al.2010a,2010b;Lee et al.,2010;Yuan et al.,2010;Langenberg,2011;Li et al.,2011;Niu and Li 2012;Rosenfeld et al.,2012)。但是由于气溶胶直接效应会导致到达地表的太阳短波辐射减小,减弱能够用于激发对流的能量,稳定低层大气,从而抑制云的发展,因此气溶胶激活效应的影响并非总是能够显现出来。

虽然众多研究表明了AIE的复杂性及其对天气系统多样化(云,降水,大尺度环流)的影响。然而仅有为数不多的工作直接研究AIE对云辐射强迫(Cloud Radiative Forcing,CRF)的影响(Koren et al.,2010b),也即AIE的辐射效应。理论上来说,受AIE影响的云会发展得更为强烈,因此具有更高的云顶高度、更大的水平云砧和更小的粒子尺度。因此混合云中垂直发展最旺盛的核心部分会反射更多的太阳短波辐射回太空和吸收更多的地表长波辐射,对地气系统的短波冷却和长波增暖作用都被加强;而延伸更远,更薄和持续时间更长的云砧将使得其对太阳短波辐射的透过率更高,对地表长波辐射的截获更多,从而增暖地气系统。由于上述三个因子共同作用决定了气溶胶激活效应对混合云的净辐射效应,使得AIE的间接辐射效应变的十分复杂,导致AIE对气候变化影响的科学理解度还十分低。

因此,本文选取分别代表中纬度内陆(1个站点)、近海陆地(1个站点)和热带海洋地区(3个站点)的典型站点,结合主动遥感对云的观测和被动遥感对气溶胶的反演,比较了污染(高AOD)和干净(低AOD)情况下云的宏观、微观物理特性和辐射特性的不同,以期加深对AIE间接辐射效应的科学认识。

1主、被动遥感数据的结合

1.1　典型站点的选取

Twomey效应(Twomey,1977)指出,当云中液态水含量固定的情况下,气溶胶的增多会导致在转化成云凝结核时彼此竞争水汽,使得云滴粒子尺度减小。然而大尺度动力条件的不同会导致不同地区大气中的水汽含量差别巨大,在水汽条件充足的情况下,增多的气溶胶粒子并不总是能够导致云滴粒子尺度的减小。Yuan et al.(2008)通过MODIS被动反演资料分析了不同地区AOD与云滴粒子有效半径的相关性,指出虽然大多数地区AOD与云滴有效半径之间呈负相关,然而在中国南海和墨西哥地区强对流带来的丰富水汽更适合云滴的增长,会使得AOD和云滴有效半径之间呈正相关。因此在选取典型站点时,大尺度水汽条件的不同是需要考虑的因素之一。前文中提到气溶胶的增加会散射太阳短波辐射,减少到达低层大气的短波辐射,削弱产生对流的能量,在稳定低层大气的同时减弱云的发展。然而由于不同纬度带接收的太阳短波辐射具有显著的差异,这种削弱对不同纬度带气溶胶和云相互作用的影响程度必然不同。因此在选取典型站点时,纬度的不同也是需要考虑的因素之一。综合以上两点,本文选取5个典型站点(表1)。其中中国寿县站(Shouxian)代表中纬度近海大陆地区,美国南部大平原站(South Great Plaint,SGP)代表中纬度内陆地区,而TWP1,TWP2和TWP3站代表的是热带海洋地区。通过不同站点之间的比较,以AIE为关注点,分析不同纬度带和不同水汽条件下气溶胶对云的影响。

表1各站点的基本信息

Table 1Basic information of each site

站点经度纬度站点海拔高度/m代表站类型中国寿县站(Shouxian)116°27'33″E32°20'18″N22.7中纬度近海陆地美国南部大平原站(SGP)97°17'04″W36°22'11″N320中纬度内陆热带西太平洋站1(TWP1)147°15'18″E02°02'13″S0热带海洋对流热带西太平洋站2(TWP2)166°32'35″E00°19'10″S0热带海洋对流热带西太平洋站3(TWP3)130°32'18″E12°15'17″S0热带海洋对流

1.2　CloudSat主动云观测和MODIS被动气溶胶反演的结合方法

由于具有较高的空间覆盖率,卫星遥感资料是科学研究中重要的组成部分,得到了广泛的应用。A-train卫星集群中的CloudSat上搭载的云廓线雷达(Cloud Profiling Radar,CPR)和Aqua上搭载的MODIS能够分别实现对云高垂直分辨率的观测和对气溶胶光学性质的大范围的反演。并且由于它们具有相同的运行轨道和仅约1 min左右的运行时差,因此结合两者的观测数据能够在大范围或多地区研究气溶胶和云的相互作用。对卫星数据的结合方法借鉴Niu and Li(2012),分以下几个步骤:

1)以典型站点所在1°×1°格点为中心,以周围9(3×3)个格点组的区域为研究对象(简称:样本)。

2)从MODIS反演资料获取样本内AOD的平均值,由于云的3D效应会使临近无云区MODIS反演的AOD偏大,因此本文仅选取AOD位于0~0.6范围内的格点进行平均,进一步减小由于云的存在导致的AOD反演的不确定性。

3)从CloudSat观测资料获取样本内的平均云物理特性。

4)分析AOD与云特性的相关性研究气溶胶对云特性的影响。

通过上述方法,将CloudSat观测的云特性和MODIS反演的云周围的气溶胶特性相联系,据此研究气溶胶对云的影响。表2给出各站点的样本数和样本的AOD信息。

表2各站点的样本数和样本AOD

Table 2Sample number and AOD at each site

ShouxianSGPTWP1TWP2TWP3样本个数237235220217198平均AOD0.700.100.110.090.12最大AOD2.500.280.350.400.70最小AOD0.200.010.030.020.05

2气溶胶对云物理特性的改变

由于云的物理特性主要是由大尺度动力条件所决定,因此研究气溶胶对云特性影响的难点之一是如何将气溶胶的影响从大尺度动力条件影响中剔除,常用的方法之一是将具有各种气象条件的大量样本进行平均。因此本文将各个站点的样本按照AOD从小到大排列,分别对前35%和后35%样本内云特性的平均值表征干净和污染的情况,通过对两者的比较来分析气溶胶对云特性的影响。

图1　干净、污染情况下各站点的平均云量廓线　　a.Shouxian;b.SGP;c.TWP1;d.TWP2;e.TWP3Fig.1　Average cloud fraction profiles at each site under clean and polluted conditions　　a.Shouxian;b.SGP;c.TWP1;d.TWP2;e.TWP3

2.1　云量廓线和云层出现概率

图1给出的是5个站点干净、污染情况下的平均云量廓线。结果表明,气溶胶对中纬度大陆或热带海洋条件下的云量改变有显著不同:与干净情况相比,代表近海陆地和内陆条件的Shouxian和SGP站点在污染情况下低层云量减少而高层云量增加,而代表热带海洋地区的TWP1和TWP3站点随着气溶胶的增加各高度上的云量都有所增加,并且高层云量的增加更显著。说明大陆条件的水汽不充足,增多的气溶胶会竞争水汽,使得低层云量减小。然而当动力条件使得云能够旺盛发展时,气溶胶能够通过AIE激发高层冰云发展的更强烈,使得高层云量增加。在热带海洋条件下,充足的水汽条件和增多的气溶胶相互配合会产生更多的云,使得各高度层上的云量都增加。同时热带地区旺盛的对流使得气溶胶更易通过AIE激活高层云的发展,因此高层云量的加强更为显著,而TWP2站点的中层(5～9 km)云量在污染情况下略微减弱,而低层和高层云量显著增加。

Li et al.(2011)发现在SGP站,地面气溶胶浓度的增加会导致高云出现的频率增加而低云出现的频率减少,因此本文按照云顶高度将5个站点观测到的云分至不同的组,分析干净、污染情况下的各组出现概率的不同。图2给出5个站点在干净、污染情况下,不同高度云顶组的出现概率。结果与以往研究相一致:与干净情况相比,污染情况下的低云的出现概率减少,而高云的出现概率增加。

2.2　云滴和冰晶有效半径

图3给出5个站点干净、污染情况下云滴和冰晶的有效半径。结果表明,气溶胶的增多在各个站点都会导致云滴、冰晶粒子尺度的减少,同时海洋条件下的尺度减少与陆地条件相比较小。说明在大陆、海洋条件下,气溶胶的增多都会竞争水汽,形成尺度更小的云滴、冰晶粒子,然而海洋条件下较为充足的水汽会减弱粒子尺度减小的程度。此外热带海洋站点水汽充足,其云滴和冰晶的有效半径均大于陆地站点。

图2　干净、污染情况下各站点不同云顶高度云层的出现概率　　a.Shouxian;b.SGP;c.TWP1;d.TWP2;e.TWP3Fig.2　Occurrence probabilities of cloud layers with different cloud top height at each site under clean and polluted conditions　　a.Shouxian;b.SGP;c.TWP1;d.TWP2;e.TWP3

2.3　云的辐射强迫

云的辐射强迫(CRF)常用于衡量云对大气辐射场的影响,适用于各个波段。一般而言,高度较低的水云对短波辐射的反射作用强于对地表长波辐射的截获作用,易于冷却地气系统,因此在大气层顶(Top Of Atmosphere,TOA)具有负的辐射强迫;而高度较高的冰云对短波辐射的反射作用弱于对地表长波辐射的截获作用,趋于增暖地气系统,因此在TOA处具有正的辐射强迫。

图3　干净、污染情况下各站点云滴(a)和冰晶(b)的平均有效半径(单位:μm)Fig.3　Average effective radii of (a)cloud droplet and (b)ice crystal at each site under clean and polluted conditions(units:μm)

图4　干净、污染情况下各站点的短波(a)和长波(b)云辐射强迫(单位:W·m-2)Fig.4　(a)Shortwave and (b)longwave cloud radiative forcings at each site under clean and polluted conditions(units:W·m-2)

由于气溶胶能够显著改变对云的宏观(云量廓线、云顶高)和微观(云滴、冰晶)物理特性,理论上也应该会对CRF有影响。因此,分析干净、污染情况下TOA处CRF的改变(图4)。结果表明,与干净情况相比,各个站点污染情况下的平均长短波CRF均得到了加强,短波CRF绝对值的增强更显著,但长波CRF增强的百分比更大。CRF的改变与云宏观、微观物理特性的改变相一致:所有站点增多的高层云会使得云对地表长波辐射的截获作用增加,导致长波CRF的增强;海洋站点低层云量的增多(云滴尺度的减小),会加强对短波辐射的散射(反射),使得短波CRF加强。而在大陆站点,虽然低层云量(云滴尺度的减小)对短波辐射的散射(反射)呈相反的影响,但是短波CRF的加强表明后者起主导作用。

3气象要素随AOD的改变

在气溶胶间接效应的观测研究中,难点之一是如何将气溶胶的作用和大尺度动力条件的作用区分开。借助CloudSat产品资料中提供的温度、气压和湿度等变量,通过计算能够反映大尺度动力条件的气象要素在干净、污染情况下的改变,间接探究前文所述现象是否由动力条件的改变所引起。气象要素包含有:1)地表相对湿度(RHs);2)500 hPa处相对湿度(RH500);3)气柱水汽含量(Column Water Vapor,CWV);4)低层对流层静力稳定度(Lower Troposphere Static Stability,LTSS),定义为位温在地表和700 hPa之间的差值(Redelsperger et al.,2002);5)水汽差(VaporD),定义为当前比湿和饱和比湿之差在500和700 hPa高度层之间的积分(Klein and Hartmann,1993)。

图5给出这些要素在干净、污染情况下的改变。结果表明:相比于干净情况,污染情况下的LTSS略有增加,而其他几个变量几乎没有改变,说明气溶胶的增多会削弱到达地表的太阳短波辐射,使得低层大气可用的对流能减小,变的更为稳定,但对其他几个由大尺度动力条件决定的变量并无相关,说明云的物理和辐射特性在干净、污染情况下的明显区别是由气溶胶而非气象条件影响所致。

图5　干净、污染情况下气象要素的变化　　a.LTSS;b.VaporD;c.RHs;d.RH500;e.CWVFig.5　Variations of meteorological elements under clean and polluted conditions　　a.LTSS;b.VaporD;c.RHs;d.RH500;e.CWV

4结论与讨论

对5个典型站点AOD与云特性的相关分析表明:气溶胶浓度的改变会显著改变云的宏观和微观物理特征和辐射特性。与干净情况相比,污染情况下:

1)各站点的高层云量都有增加,而水汽较为充足(不足)的热带海洋(中纬度大陆)站点的低层云量呈现出增加(减少)的变化;

2)各站点具有较高(较低)云顶的云层出现的概率增加(减小);

3)各站点云滴/冰晶的有效半径都减小;

4)各站点的长短波CRF均增强;

5)LTSS的增大说明气溶胶使得低层大气变得更为稳定,而其他气象要素不随气溶胶浓度的改变而改变,说明气象条件并不是导致干净、污染情况下云的物理和辐射特性显著改变的原因。

然而由于太阳极轨卫星观测的固有缺陷,本文的结果仍存在一定的不确定性:1)太阳极轨卫星对固定地点观测的时间分辨率过低,导致研究气溶胶和云相互作用时,仅能给出瞬时观测得到的相关性,而无法解释两者之间的因果关系。2)本文采用MODIS反演的气柱AOD作为云底处被激活为云凝结核(CCN)的气溶胶的替代,虽然AOD与CCN之间存在正相关,但并非简单的线性关系,因此这一替代同样会带来不确定性。因此,在未来的工作中,需要通过具有高时间分辨率和对CCN更直接的观测手段(飞机,地基遥感等)来减小上述两点带来的不确定性。

参考文献(References)：

Albrecht B A.1989.Aerosols,cloud microphysics and fractional cloudiness[J].Science,245(4923):1227-1230.

Andreae M O,Rosenfeld D,Artaxo P,et al.2004.Smoking rain clous over the amazon[J].Science,303(5662):1337-1342.

Fan J,Zhang R,Li G,et al.2007.Effects of aerosols and relative humidity on cumulus clouds[J].J Geophys Res,112:D14204.doi:10.1029/2006JD008136.

Fan J,Yuan T,Comstock J M,et al.2009.Dominant role by vertical wind shear in regulating aerosol effects on deep convective clouds[J].J Geophys Res,114:D22206.doi:10.1029/2009JD012352.

Freud E,Rosenfeld D.2012.Linear relation between convective cloud drop number concentration and depth for rain initiation[J].J Geophys Res,117:D02207.doi:10.1029/2011JD016457.

Freud E,Rosenfeld D,Klkarni J R.2011.Resolving both entrainment-mixing and number of activated CCN in deep convective clouds[J].Atmos Chem Phys,11(24):12887-12900.doi: 10.5194/acp-11-12887-2011.

Khain A P,Pokrovsky A.2004.Simulation of effects of atmospheric aerosols on deep turbulent convective clouds using a spectral microphysics mixed-phase cumulus cloud model,Part II:Sensitivity study[J].J Atmos Sci,61(24):2983-3001.

Khain A P,Pokrovsky A,Pinsky M,et al.2004.Simulation of Effects of atmospheric aerosols on deep convective clouds as seen from simulations using a spectral microphysics mixed-phase cumulus cloud model Part 1:Model description[J].J Atmos Sci,61(24):2963-2982.

Khain A P,Rosenfeld D,Pokrovsky A.2005.Aerosol impact on the dynamics and microphysics of deep convective clouds[J].Quart J Roy Meteor Soc,131(611):2639-2663.doi:10.1256/qj.04.62.

Khain A P,BenMoshe N,Pokrovsky A.2008.Factors determining the impact of aerosol son surface precipitation from clouds:An attempt at classification[J].J Atmos Sci,65(6):1721-1748.doi:10.1175/2007JAS2515.1.

Klein S A,Hartmann D L.1993.The seasonal cycle of low stratiform clouds[J].J Climatol,6(8):1587-1606.

Koren I,Kaufman Y J,Rosenfeld D,et al.2005.Aerosol invigoration and restructuring of Atlantic convective clouds[J].Geophys Res Lett,32:L14828.doi:10.1029/2005GL023187.

Koren I,Martins J V,Remer L A,et al.2008.Smoke invigoration versus inhibition of clouds over the Amazon[J].Science,321(5891): 946-949.doi:10.1126/science.1159185.

Koren I,Feingold G,Remer L A.2010a.The invigoration of deep convective clouds over the Atlantic:Aerosol effect,meteorology or retrieval artifact?[J].Atmos Chem Phys,10(18):8855-8872.doi:10.5194/acp-10-8855-2010.

Koren I,Remer L A,Altaratz O,et al.2010b.Aerosol-induced changes of convective cloud anvils produce strong climate warming[J].Atmos Chem Phys,10(10):5001-5010.

Langenberg H.2011.Atmosperic science:Triggered lighting[J].Nature Geoscience,4(3):140-140.

Lee S S,Donner L J,Penner J E.2010.Thunderstorm and stratocumulus:How does their contrasting morphology affect their interactions with aerosols?[J].Atmos Chem Phys,10(2):6819-6837.doi:10.5194/acp-10-4305-2010.

Li Z,Niu F,Fan J,et al.2011.Long-term impacts of aerosols on the vertical development of clouds and precipitation[J].Nature Geoscience,4(12):888-894.

Lin J C,Matsui T,Pielke R A Sr,et al.2006.Effects of biomass-burning-derived aerosols on precipitation and clouds in the Amazon Basin: A satellite-based empirical study[J].J Geophy Res,111:D19204.doi:10.1029/2005JD006884.

Molinie J,Pontikis C.1995.A climatological study of tropical thunderstorm clouds and lighting frequencies on the French Guyana coast[J].Geophys Res Lett,22(9):1085-1088.

Niu F,Li Z.2012.Systematic variations of cloud top temperature and precipitation rate with aerosols over the global tropics[J].Atmos Chem Phys,12(18):8491-8498.doi:10.5194/acp-12-84910-2012.

Radke L F,Coakley J A Jr,King M D.1989.Direct and remote sensing observations of the effects of ship tracks on clouds[J].Science,246(4934):1146-1149.

Ramanathan V,Crutzen P,Kiehl J,et al.2001.Aerosols,climate,and the hydrological cycle[J].Science,294(5549):2119-2124.

Redelsperger J L,Parsons D B,Guichard F.2002.Recovery processes and factors limiting cloud-top height following the arrival of a dry intrusion observed during TOGA COARE[J].J Atmos Sci,59(16):2438-2457.

Rosenfeld D.2000.Suppression of rain and snow by urban and industrial air pollution[J].Science,287(5459):1793-1796.

Rosenfeld D,Fromm M,Trentmann J,et al.2007.The Chisholm firestorm:Observed microstructure,precipitation and lightning activity of a pyro-cumulonimbus[J].Atmos Chem Phys,7(3):645-659.

Rosenfeld D,Lohmann U,Rage G B,et al.2008.Flood or drought:How do aerosols affect precipitation?[J].Science,321(5894):1309-1313.

Rosenfeld D,Woodley W L,Khain A,et al.2012.Aerosol effects on microstructure and intensity of tropical cyclones[J].Bull Amer Meteor Soc,93(7):987-1001.

Seifert A,Beheng K D.2006.A two-moment cloud microphysics parameterization for mixed-phase clouds.Part 2:Maritime vs.continental deep convective storms[J].Meteorol Atmos Phys,92(1/2):67-82.

Tao W K,Li X,Khain A,et al.2007.Role of atmospheric aerosol concentration on deep convective precipitation:Cloud-resolving model simulations[J].J Geophys Res,112:D24S18.doi:10.1029/2007JD008728.

Twomey S.1977.The influence of pollution on the shortwave albedo of clouds[J].J Atmos Sci,34(7):1149-1152.

Van den Heever S C,Cotton W R.2007.Urban aerosol impacts on downwind convective storms[J].J Appl Meteorol Climatol,46(6):828-850.

Van den Heever S C,Carrió G G,Cotton W R,et al.2006.Impact of nucleating aerosol on Florida storms,part I:Mesoscale simulations[J].J Atmos Sci,63(7):1752-1775.

Wang C.2005.A modeling study of the response of tropical deep convection to the increase of cloud condensation nuclei concentration:1.Dynamics and microphysics[J].J Geophys Res,110:D21211.doi:10.1029/2004JD005720.

Yuan T,Li Z,Zhang R,et al.2008.Increase of cloud droplet size with aerosol optical depth:An observation and modeling study[J].J Geophy Res,113:D04201.doi:10.1029/2007JD008632.

Yuan T,Remer L A,Pickering K E,et al.2010.Observational evidence of aerosol enhancement of lightning activity and convective invigoration[J].Geophys Res Lett,38:L04701.doi: 10.1029/2010GL046052.

(责任编辑：孙宁)

Impact of aerosols on cloud properties at typical sites

PENG Jie1,2,3,4,ZHANG Hua3

(1.Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China;

2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Laboratory for Climate Studies of China Meteorological Administration,National Climate Center,Beijing 100081,China;

4.Shanghai Institute of Meteorological Sciences,Shanghai Meteorological Bureau,Shanghai 200030,China)

Abstract:The effects of aerosols on cloud macro-physical,microphysical and radiative properties at typical sites are analyzed using the objective cloud observations from CloudSat and the passive aerosol retrievals from MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer).Results show that aerosols have significant impact on cloud over both continental and marine sites.With the increase of aerosol optical depth(AOD),the low(high) level cloud fraction at sites with relative weak water vapor conditions shows decrease(increase) trend,while the cloud fraction of all altitudes increases at sites with relative strong water vapor conditions.With the increase of AOD,occurrence probabilities of cloud layers with high(low) cloud top height at each site show an increase(a decrease) trend.With the increase of AOD,the effective radius of cloud droplet and ice crystal decrease,both the shortwave and longwave cloud radiative forcings at atmosphere top are enhanced,the increase of absolute value of shortwave cloud radiative forcing is large,and the increase of longwave cloud radiative forcing is relatively larger at all sites.The variations of meteorological elements under large(small) AOD conditions indicate that the significant changes of cloud physical and radiative properties with AOD can not be explained by large scale dynamical influence.

Key words:aerosol invigoration effect;cloud physical property;cloud radiative forcing

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130408001

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)04-0465-08P401

文献标志码：A

通信作者：彭杰,博士,工程师,研究方向为卫星遥感资料分析、云垂直重叠和气溶胶间接效应,pjay163@163.com.

基金项目:国家重点基础研究计划(973计划)项目(2011CB403405);国家自然科学基金资助项目(41375080);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406023);江苏省2011年度普通高校研究生科研创新计划(n0782002084)

收稿日期：2013-04-08；改回日期：2013-07-06