中國(guó)東部氣溶膠對(duì)暖云宏微觀特性影響的多維度解析_第1頁
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中國(guó)東部氣溶膠對(duì)暖云宏微觀特性影響的多維度解析一、引言1.1研究背景與意義隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速,中國(guó)東部地區(qū)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域,面臨著嚴(yán)峻的氣溶膠污染問題。大量的工業(yè)排放、交通運(yùn)輸尾氣、能源消耗以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)等人為源,使得該地區(qū)氣溶膠濃度顯著增加,成為全球氣溶膠污染最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。例如,京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角等城市群,頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣已對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳?、健康以及生態(tài)環(huán)境造成了極大的負(fù)面影響。氣溶膠作為大氣中懸浮的固態(tài)或液態(tài)顆粒物,其粒徑范圍從幾納米到數(shù)十微米不等,化學(xué)組成十分復(fù)雜,涵蓋了硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、黑碳、有機(jī)碳、沙塵以及海鹽等多種成分。這些氣溶膠不僅直接參與大氣的物理和化學(xué)過程,還在氣候變化、云與降水形成以及空氣質(zhì)量等多個(gè)方面扮演著至關(guān)重要的角色。云是地球大氣系統(tǒng)中不可或缺的組成部分,它對(duì)地球的能量平衡、水循環(huán)以及氣候調(diào)節(jié)起著關(guān)鍵作用。而暖云作為云的一種重要類型,其形成和發(fā)展過程與氣溶膠密切相關(guān)。氣溶膠可以作為云凝結(jié)核(CCN),參與暖云的初始形成。當(dāng)大氣中的水汽達(dá)到過飽和狀態(tài)時(shí),水汽分子會(huì)在氣溶膠粒子表面凝結(jié),從而形成云滴。氣溶膠的濃度、粒徑分布和化學(xué)組成等特性,會(huì)直接影響云凝結(jié)核的數(shù)量和活性,進(jìn)而對(duì)暖云的微物理特性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,如云滴數(shù)濃度、云滴大小分布、云水含量等。氣溶膠對(duì)暖云宏微觀特性的影響,進(jìn)一步會(huì)對(duì)區(qū)域氣候和水循環(huán)產(chǎn)生重要的連鎖反應(yīng)。從區(qū)域氣候角度來看,氣溶膠通過改變暖云的光學(xué)特性,如反照率和吸收率,影響太陽輻射在大氣中的傳輸和分配,進(jìn)而改變地表和大氣的能量平衡,對(duì)區(qū)域氣溫、降水模式和大氣環(huán)流等氣候要素產(chǎn)生影響。例如,氣溶膠濃度的增加可能導(dǎo)致云滴數(shù)濃度增多,云滴粒徑減小,使得云的反照率增大,反射更多的太陽輻射回太空,從而產(chǎn)生冷卻效應(yīng),降低地表溫度;反之,若氣溶膠的吸收性較強(qiáng),可能會(huì)吸收更多的太陽輻射,導(dǎo)致大氣升溫,產(chǎn)生加熱效應(yīng)。在水循環(huán)方面,暖云是降水的重要來源之一,氣溶膠對(duì)暖云微物理過程的影響,會(huì)改變暖云內(nèi)的云滴增長(zhǎng)、碰并和沉降等過程,進(jìn)而影響降水的形成、強(qiáng)度和分布。在氣溶膠濃度較高的污染條件下,云滴數(shù)濃度增加,云滴間的碰并效率可能降低,導(dǎo)致降水延遲或降水強(qiáng)度減弱;而在一些情況下,氣溶膠的某些成分可能會(huì)促進(jìn)云滴的冰相轉(zhuǎn)化,增加降水的可能性。研究中國(guó)東部氣溶膠對(duì)暖云宏微觀特性的影響,對(duì)于深入理解區(qū)域氣候和水循環(huán)的變化機(jī)制具有重要的科學(xué)意義。通過揭示氣溶膠與暖云之間的相互作用過程和內(nèi)在聯(lián)系,可以為改進(jìn)氣候模式提供更準(zhǔn)確的物理參數(shù)化方案,提高氣候預(yù)測(cè)的精度和可靠性,為應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。氣溶膠對(duì)暖云的影響還與空氣質(zhì)量密切相關(guān)。了解氣溶膠在暖云形成和發(fā)展過程中的作用,有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大氣污染的形成和演變規(guī)律,為制定有效的空氣污染防控策略提供理論支持,從而改善中國(guó)東部地區(qū)的空氣質(zhì)量,保障居民的身體健康和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀氣溶膠與暖云相互作用的研究一直是大氣科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重點(diǎn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞這一主題開展了大量的研究工作,涵蓋了從理論分析、實(shí)驗(yàn)室模擬到野外觀測(cè)和數(shù)值模擬等多個(gè)方面,取得了一系列重要的研究成果。在理論研究方面,學(xué)者們深入探討了氣溶膠作為云凝結(jié)核的活化機(jī)制。經(jīng)典的K?hler理論為理解云凝結(jié)核的活化過程提供了重要的理論基礎(chǔ),該理論闡述了氣溶膠粒子的大小、化學(xué)成分以及環(huán)境過飽和度對(duì)其活化成云滴的影響。隨著研究的不斷深入,后續(xù)學(xué)者對(duì)K?hler理論進(jìn)行了拓展和完善,考慮了更多的實(shí)際因素,如氣溶膠的混合狀態(tài)、表面活性物質(zhì)的影響等,使理論模型更加貼近實(shí)際大氣情況。實(shí)驗(yàn)室模擬研究為揭示氣溶膠與暖云相互作用的微觀過程提供了重要手段。通過在實(shí)驗(yàn)室中精確控制氣溶膠的濃度、粒徑分布、化學(xué)組成以及環(huán)境條件,如溫度、濕度和過飽和度等,模擬暖云的形成和發(fā)展過程,從而深入研究氣溶膠對(duì)云滴的形成、生長(zhǎng)和碰并等微物理過程的影響。有研究利用云霧室實(shí)驗(yàn),詳細(xì)研究了不同化學(xué)成分的氣溶膠粒子對(duì)云滴數(shù)濃度和云滴大小分布的影響,發(fā)現(xiàn)親水性氣溶膠粒子能夠促進(jìn)云滴的形成,增加云滴數(shù)濃度,而疏水性氣溶膠粒子則對(duì)云滴形成有抑制作用。此外,實(shí)驗(yàn)室模擬還可以研究氣溶膠與云滴之間的化學(xué)相互作用,以及這些相互作用對(duì)云的光學(xué)和輻射特性的影響。野外觀測(cè)研究則為了解實(shí)際大氣中氣溶膠與暖云相互作用提供了直接的數(shù)據(jù)支持。國(guó)內(nèi)外眾多研究團(tuán)隊(duì)在不同地區(qū)開展了大量的野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn),利用飛機(jī)、衛(wèi)星、地基雷達(dá)、激光雷達(dá)以及各種地面觀測(cè)設(shè)備,對(duì)氣溶膠和暖云的宏觀和微觀特性進(jìn)行同步觀測(cè)。在一些地區(qū)的觀測(cè)研究中,通過分析飛機(jī)在暖云中采集的氣溶膠和云滴樣本,發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度與云滴數(shù)濃度之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,氣溶膠濃度的增加會(huì)導(dǎo)致云滴數(shù)濃度增多,云滴粒徑減小。衛(wèi)星遙感觀測(cè)則為研究全球尺度和氣溶膠與暖云相互作用提供了有力工具,通過衛(wèi)星搭載的傳感器,可以獲取氣溶膠光學(xué)厚度、云光學(xué)厚度、云滴有效半徑等參數(shù),進(jìn)而分析氣溶膠與暖云特性之間的關(guān)聯(lián)。數(shù)值模擬研究在氣溶膠與暖云相互作用的研究中也發(fā)揮著重要作用。通過建立各種數(shù)值模型,如大渦模擬(LES)模型、云分辨模式(CRM)和全球氣候模式(GCM)等,可以對(duì)氣溶膠與暖云相互作用的復(fù)雜過程進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。大渦模擬模型能夠詳細(xì)模擬云內(nèi)的湍流結(jié)構(gòu)和微物理過程,研究氣溶膠在云內(nèi)的傳輸和活化過程,以及它們對(duì)云滴生長(zhǎng)和降水形成的影響。云分辨模式可以模擬中尺度天氣系統(tǒng)中云的發(fā)展演變,考慮氣溶膠對(duì)云微物理過程的影響,研究不同天氣條件下氣溶膠與暖云相互作用的特征。全球氣候模式則將氣溶膠與云的相互作用納入全球氣候系統(tǒng)中,研究其對(duì)全球氣候和水循環(huán)的長(zhǎng)期影響。在數(shù)值模擬研究中,學(xué)者們通過敏感性試驗(yàn),分析了不同氣溶膠排放情景下暖云特性的變化,以及這些變化對(duì)區(qū)域氣候和降水的影響。盡管國(guó)內(nèi)外在氣溶膠與暖云相互作用的研究方面已經(jīng)取得了豐碩的成果,但仍然存在一些不足之處。不同地區(qū)的氣溶膠特性和大氣環(huán)境條件差異較大,導(dǎo)致氣溶膠與暖云相互作用的機(jī)制和影響存在顯著的區(qū)域差異。目前的研究在不同區(qū)域的覆蓋程度和研究深度上還存在不均衡的情況,對(duì)于一些特殊區(qū)域,如中國(guó)東部這種氣溶膠污染嚴(yán)重且氣候條件復(fù)雜的地區(qū),相關(guān)研究還不夠系統(tǒng)和深入,對(duì)其獨(dú)特的氣溶膠與暖云相互作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)還不夠全面。氣溶膠的化學(xué)成分復(fù)雜多樣,不同化學(xué)成分的氣溶膠粒子對(duì)云凝結(jié)核活化和云微物理過程的影響機(jī)制還不完全清楚。在實(shí)際大氣中,氣溶膠通常是多種化學(xué)成分的混合物,它們之間的相互作用以及對(duì)云的綜合影響更為復(fù)雜,目前的研究在這方面還存在較大的不確定性。現(xiàn)有研究中,不同觀測(cè)手段和數(shù)值模型之間的結(jié)果存在一定的差異和不確定性。觀測(cè)數(shù)據(jù)受到觀測(cè)儀器精度、觀測(cè)范圍和時(shí)間分辨率等因素的限制,數(shù)值模型則受到物理參數(shù)化方案、模型分辨率和輸入數(shù)據(jù)不確定性等因素的影響,如何提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性,以及改進(jìn)數(shù)值模型的模擬能力,減少不同研究結(jié)果之間的差異,仍然是亟待解決的問題。本研究將聚焦于中國(guó)東部地區(qū),充分利用該地區(qū)豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)和獨(dú)特的地理氣候條件,深入研究氣溶膠對(duì)暖云宏微觀特性的影響。通過綜合分析多源觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)值模擬研究,進(jìn)一步揭示氣溶膠與暖云相互作用的區(qū)域特征和內(nèi)在機(jī)制,旨在彌補(bǔ)現(xiàn)有研究在該區(qū)域的不足,為深入理解區(qū)域氣候和水循環(huán)變化提供更堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。二、中國(guó)東部氣溶膠與暖云概述2.1中國(guó)東部氣溶膠的特征2.1.1來源與分布中國(guó)東部氣溶膠的來源廣泛,涵蓋自然和人為兩大主要類別。自然來源中,地表風(fēng)化是重要的貢獻(xiàn)途徑,巖石和土壤在長(zhǎng)期的風(fēng)化作用下,會(huì)產(chǎn)生大量的塵埃顆粒,這些顆粒被風(fēng)吹起進(jìn)入大氣,成為氣溶膠的一部分。海浪濺射也是自然源之一,海浪在拍打海岸或在開闊洋面涌動(dòng)時(shí),會(huì)將海水中的鹽分和一些有機(jī)物質(zhì)帶出水面,形成微小的液滴,待液滴蒸發(fā)后,剩余的鹽核等物質(zhì)便懸浮于大氣中,構(gòu)成氣溶膠粒子?;鹕交顒?dòng)雖然相對(duì)較少,但一旦發(fā)生,火山噴發(fā)會(huì)釋放出大量的火山灰,這些火山灰富含多種礦物質(zhì)和微量元素,能夠在大氣中長(zhǎng)時(shí)間懸浮,隨大氣環(huán)流進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,對(duì)周邊地區(qū)乃至全球的氣溶膠分布產(chǎn)生影響。森林火災(zāi)同樣會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵顆粒,這些顆粒包含了燃燒過程中產(chǎn)生的各種有機(jī)和無機(jī)物質(zhì),隨著熱氣流上升進(jìn)入大氣,成為氣溶膠的重要組成部分。人為來源方面,工業(yè)排放是中國(guó)東部氣溶膠的主要貢獻(xiàn)源之一。在東部地區(qū),眾多的工業(yè)城市中分布著大量的工廠,這些工廠在生產(chǎn)過程中,如火力發(fā)電、鋼鐵冶煉、化工制造等,會(huì)燃燒大量的化石燃料,如煤炭、石油和天然氣等,從而產(chǎn)生大量的顆粒物排放。這些顆粒物的成分復(fù)雜,包含了硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、黑碳、有機(jī)碳以及重金屬等多種物質(zhì)。交通尾氣也是氣溶膠的重要人為來源。隨著中國(guó)東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增長(zhǎng),汽車、摩托車、卡車等交通工具在運(yùn)行過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒燃油會(huì)排放出含有氮氧化物、碳?xì)浠衔?、顆粒物等污染物的尾氣。這些尾氣中的顆粒物粒徑較小,多為細(xì)顆粒物(PM2.5),能夠在大氣中長(zhǎng)時(shí)間懸浮,對(duì)空氣質(zhì)量和人體健康造成嚴(yán)重危害。生活燃煤在一些地區(qū)仍然是重要的能源來源之一,家庭和餐飲業(yè)在燃煤取暖、做飯等過程中,會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒物和氣溶膠。這些氣溶膠中往往含有較高濃度的有機(jī)碳、黑碳以及一些有害氣體,如二氧化硫、一氧化碳等,不僅會(huì)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響,排放到大氣中后也會(huì)加重區(qū)域氣溶膠污染。建筑施工活動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵,建筑工地的土壤濕度小,在風(fēng)力作用下,塵土容易飛揚(yáng)形成氣溶膠。建筑材料中的硅酸鹽顆粒等也是氣溶膠的重要來源,建筑垃圾的處理過程中,如堆放、運(yùn)輸和風(fēng)化等,也會(huì)釋放出大量的顆粒物進(jìn)入大氣。中國(guó)東部氣溶膠的空間分布呈現(xiàn)出明顯的地域差異。在人口密集、工業(yè)發(fā)達(dá)的城市群地區(qū),如京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角等地,由于工業(yè)排放、交通尾氣、建筑施工等人為活動(dòng)頻繁,氣溶膠濃度顯著高于其他地區(qū)。在京津冀地區(qū),眾多的重工業(yè)企業(yè)和密集的交通網(wǎng)絡(luò),使得該地區(qū)的氣溶膠污染問題尤為突出,特別是在冬季供暖期,燃煤排放的增加進(jìn)一步加劇了氣溶膠濃度的升高。長(zhǎng)三角地區(qū)作為中國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)中心之一,制造業(yè)發(fā)達(dá),城市間交通繁忙,氣溶膠濃度也處于較高水平。珠三角地區(qū)以輕工業(yè)和電子產(chǎn)業(yè)為主,同時(shí)擁有龐大的機(jī)動(dòng)車保有量,其氣溶膠分布也呈現(xiàn)出較高的濃度特征。相比之下,中國(guó)東部的內(nèi)陸和農(nóng)村地區(qū),尤其是森林覆蓋率較高的區(qū)域,氣溶膠濃度相對(duì)較低。這些地區(qū)工業(yè)活動(dòng)較少,人為污染源相對(duì)較少,自然環(huán)境對(duì)氣溶膠有一定的凈化和稀釋作用。森林植被可以通過吸附、過濾等作用,減少大氣中的氣溶膠含量,使得這些地區(qū)的空氣質(zhì)量相對(duì)較好。氣溶膠的分布還具有明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)。在冬季,中國(guó)東部地區(qū)普遍受到大陸冷氣團(tuán)的控制,大氣層結(jié)穩(wěn)定,風(fēng)力較小,不利于氣溶膠的擴(kuò)散和稀釋。冬季燃煤供暖的增加,使得人為排放的氣溶膠大量增加,導(dǎo)致氣溶膠濃度在冬季達(dá)到一年中的最高值。逆溫現(xiàn)象在冬季也較為頻繁發(fā)生,逆溫層的存在阻礙了空氣的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng),使得氣溶膠在近地面層不斷積聚,進(jìn)一步加重了污染程度。夏季,中國(guó)東部地區(qū)盛行東南季風(fēng),帶來較為充沛的降水和較強(qiáng)的風(fēng)力。降水對(duì)氣溶膠具有明顯的清洗作用,雨滴在降落過程中能夠捕獲大氣中的氣溶膠粒子,將其帶到地面,從而有效降低氣溶膠濃度。較強(qiáng)的風(fēng)力則有利于氣溶膠的擴(kuò)散和傳輸,使得氣溶膠能夠在更大的范圍內(nèi)分布,減少局部地區(qū)的污染程度。夏季的光化學(xué)反應(yīng)也較為強(qiáng)烈,一些氣態(tài)污染物在陽光的照射下,通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成二次氣溶膠,但總體而言,由于降水和風(fēng)力的綜合作用,夏季氣溶膠濃度相對(duì)較低。春季和秋季是季節(jié)轉(zhuǎn)換的時(shí)期,氣溶膠濃度介于冬季和夏季之間。春季,隨著氣溫回升,地表活動(dòng)增強(qiáng),自然源排放的氣溶膠有所增加,如沙塵氣溶膠在北方地區(qū)較為常見。同時(shí),工業(yè)生產(chǎn)和交通活動(dòng)等人為排放也維持在一定水平,使得春季氣溶膠濃度呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。秋季,氣溫逐漸降低,大氣擴(kuò)散條件相對(duì)較好,但隨著供暖期的臨近,人為排放開始逐漸增加,氣溶膠濃度也會(huì)有所上升。2.1.2化學(xué)成分與物理特性中國(guó)東部氣溶膠的化學(xué)成分復(fù)雜多樣,常見的化學(xué)成分包括硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、黑碳、有機(jī)碳、沙塵以及海鹽等。這些化學(xué)成分的相對(duì)含量和分布受到多種因素的影響,包括污染源的類型、地理位置、氣象條件以及大氣化學(xué)過程等。硫酸鹽是中國(guó)東部氣溶膠的重要組成成分之一,主要來源于工業(yè)排放的二氧化硫(SO?)在大氣中的氧化轉(zhuǎn)化。SO?在大氣中通過光化學(xué)反應(yīng)、液相氧化等過程,與氧氣、水蒸氣等發(fā)生反應(yīng),最終生成硫酸鹽氣溶膠,如硫酸銨[(NH?)?SO?]和硫酸氫銨(NH?HSO?)。硫酸鹽氣溶膠具有較強(qiáng)的吸濕性,能夠吸收大氣中的水汽,導(dǎo)致氣溶膠粒子的粒徑增大,從而影響氣溶膠的光學(xué)特性和云凝結(jié)核活性。硝酸鹽也是氣溶膠的重要成分,主要由氮氧化物(NOx)在大氣中的化學(xué)反應(yīng)生成。機(jī)動(dòng)車尾氣、工業(yè)廢氣以及燃煤排放等是NOx的主要來源。NOx在大氣中經(jīng)過一系列復(fù)雜的氧化反應(yīng),與水蒸氣和氨氣等反應(yīng)生成硝酸鹽氣溶膠,如硝酸銨(NH?NO?)。硝酸鹽氣溶膠的生成與大氣中的酸堿度、溫度、濕度等條件密切相關(guān),其含量在不同地區(qū)和季節(jié)會(huì)有所變化。銨鹽在氣溶膠中主要以硫酸銨和硝酸銨的形式存在,是由大氣中的氨氣(NH?)與硫酸鹽和硝酸鹽反應(yīng)生成的。農(nóng)業(yè)活動(dòng),如化肥的使用和畜禽養(yǎng)殖等,是氨氣的主要排放源。銨鹽的存在對(duì)氣溶膠的化學(xué)性質(zhì)和物理特性有重要影響,它可以調(diào)節(jié)氣溶膠的酸堿度,影響氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)和化學(xué)反應(yīng)活性。黑碳是由化石燃料和生物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的,具有較強(qiáng)的吸光性。在工業(yè)生產(chǎn)、交通尾氣以及生活燃煤等過程中,都會(huì)排放出一定量的黑碳。黑碳?xì)馊苣z能夠吸收太陽輻射,加熱大氣,對(duì)區(qū)域氣候和能量平衡產(chǎn)生重要影響。黑碳還可以作為云凝結(jié)核,參與云的形成過程,但其對(duì)云微物理特性的影響較為復(fù)雜,既可能促進(jìn)云滴的形成,也可能影響云滴的生長(zhǎng)和碰并過程。有機(jī)碳是氣溶膠中有機(jī)物質(zhì)的總和,其來源廣泛,包括機(jī)動(dòng)車尾氣、工業(yè)排放、生物質(zhì)燃燒以及揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的二次轉(zhuǎn)化等。有機(jī)碳?xì)馊苣z的化學(xué)組成復(fù)雜,包含了多種有機(jī)化合物,如烷烴、烯烴、芳烴、有機(jī)酸、多環(huán)芳烴等。這些有機(jī)化合物具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì),對(duì)氣溶膠的光學(xué)特性、表面活性以及毒性等方面都有重要影響。一些有機(jī)碳化合物具有表面活性,能夠降低氣溶膠粒子的表面張力,影響氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)和云凝結(jié)核活性。沙塵氣溶膠主要來源于中國(guó)北方的沙漠和干旱地區(qū),在春季,受大風(fēng)天氣的影響,沙塵粒子被揚(yáng)起進(jìn)入大氣,并隨大氣環(huán)流傳輸?shù)街袊?guó)東部地區(qū)。沙塵氣溶膠的主要成分是礦物質(zhì),如石英、長(zhǎng)石、云母等,還含有一些金屬元素和微量元素。沙塵氣溶膠的粒徑相對(duì)較大,對(duì)大氣能見度和空氣質(zhì)量有明顯的影響。它可以作為云凝結(jié)核,參與云的形成過程,同時(shí),沙塵粒子表面的化學(xué)成分還可以催化大氣中的一些化學(xué)反應(yīng),影響氣溶膠的化學(xué)組成和性質(zhì)。海鹽氣溶膠主要來源于海洋,海浪濺射將海水中的鹽分帶入大氣,形成海鹽氣溶膠粒子。海鹽氣溶膠的主要成分是氯化鈉(NaCl),還含有少量的其他鹽類,如氯化鉀(KCl)、硫酸鎂(MgSO?)等。在沿海地區(qū),海鹽氣溶膠對(duì)氣溶膠的化學(xué)成分和物理特性有一定的貢獻(xiàn),它可以與其他氣溶膠成分發(fā)生相互作用,影響氣溶膠的化學(xué)組成和光學(xué)特性。氣溶膠的化學(xué)成分對(duì)其物理特性有著顯著的影響。粒徑分布是氣溶膠的重要物理特性之一,不同化學(xué)成分的氣溶膠粒子具有不同的粒徑分布特征。硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等二次氣溶膠粒子的粒徑通常較小,多集中在亞微米尺度范圍內(nèi);而沙塵氣溶膠和海鹽氣溶膠的粒徑相對(duì)較大,部分粒子可以達(dá)到幾微米甚至更大。氣溶膠的化學(xué)成分還會(huì)影響其吸濕特性,吸濕性較強(qiáng)的化學(xué)成分,如硫酸鹽和硝酸鹽,能夠使氣溶膠粒子在相對(duì)濕度較高的環(huán)境中吸收水汽,發(fā)生吸濕增長(zhǎng),導(dǎo)致粒徑增大。這種吸濕增長(zhǎng)過程不僅會(huì)改變氣溶膠的粒徑分布,還會(huì)影響氣溶膠的光學(xué)特性和云凝結(jié)核活性。氣溶膠的密度和形狀也與其化學(xué)成分密切相關(guān)。不同化學(xué)成分的氣溶膠粒子具有不同的密度,例如,黑碳?xì)馊苣z的密度相對(duì)較小,而沙塵氣溶膠的密度較大。氣溶膠粒子的形狀也多種多樣,有的近似球形,有的則具有不規(guī)則的形狀。粒子的形狀會(huì)影響其在大氣中的運(yùn)動(dòng)特性和光學(xué)散射特性。不規(guī)則形狀的粒子在散射太陽輻射時(shí),會(huì)產(chǎn)生不同的散射模式,從而影響氣溶膠的光學(xué)厚度和反照率。化學(xué)成分還會(huì)影響氣溶膠在大氣中的行為和與暖云的相互作用。黑碳?xì)馊苣z由于其較強(qiáng)的吸光性,能夠吸收太陽輻射,加熱大氣,改變大氣的溫度層結(jié)和垂直運(yùn)動(dòng),進(jìn)而影響暖云的形成和發(fā)展。一些氣溶膠成分,如硫酸鹽和有機(jī)碳,具有表面活性,能夠降低氣溶膠粒子的表面張力,促進(jìn)云滴的形成,增加云滴數(shù)濃度。氣溶膠的化學(xué)成分還會(huì)影響云滴的化學(xué)組成和物理性質(zhì),進(jìn)而影響云內(nèi)的微物理過程,如碰并、蒸發(fā)和凝結(jié)等。在氣溶膠污染嚴(yán)重的地區(qū),云滴中可能含有較高濃度的硫酸鹽、硝酸鹽等成分,這些成分會(huì)改變?cè)频蔚乃釅A度和表面性質(zhì),影響云滴的碰并效率和降水形成過程。2.2暖云的宏微觀特性2.2.1宏觀特性暖云是指云體溫度始終在0℃以上,完全由水滴組成的云系,又被稱為水成云。在低緯度地區(qū),由于氣溫較高,云中出現(xiàn)冰水共存的機(jī)會(huì)較少,暖云較為常見。在我國(guó)南方夏季,濃積云、層積云等大多屬于暖云。暖云的外觀形態(tài)豐富多樣,這與云的形成機(jī)制和環(huán)境條件密切相關(guān)。濃積云通常呈孤立的塊狀,底部平坦,頂部凸起,外形如同巨大的棉花團(tuán),常出現(xiàn)在晴天午后,是由于地面受熱不均,空氣強(qiáng)烈對(duì)流上升而形成。層積云則是呈大片的、較為扁平的云塊,底部起伏不平,有時(shí)會(huì)布滿整個(gè)天空,它的形成多與空氣的波動(dòng)、地形的影響以及鋒面活動(dòng)有關(guān)。暖云的水平尺度差異較大,小的暖云水平范圍可能僅有幾百米,如一些局地性的對(duì)流云;而大的暖云系統(tǒng)水平尺度可達(dá)數(shù)十千米甚至上百千米,例如在一些大型天氣系統(tǒng)影響下形成的層積云系。垂直尺度方面,暖云的厚度一般在幾百米到數(shù)千米之間。濃積云的垂直發(fā)展較為旺盛,厚度可達(dá)1-3千米,其內(nèi)部的對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,云體不斷向上伸展;而層積云相對(duì)較為淺薄,厚度通常在幾百米到1千米左右。云頂高度和云底高度也是暖云的重要宏觀特征。云頂高度取決于暖云的發(fā)展程度和大氣環(huán)境條件。在對(duì)流旺盛的情況下,暖云的云頂高度可以達(dá)到較高的高度,一般在1-5千米之間。當(dāng)暖云在穩(wěn)定的大氣環(huán)境中形成時(shí),云頂高度相對(duì)較低,可能只有幾百米。云底高度則與近地面的水汽條件和抬升機(jī)制有關(guān)。在水汽充足且抬升作用較強(qiáng)的地區(qū),云底高度較低,通常在幾百米左右;而在水汽相對(duì)較少或抬升作用較弱的地區(qū),云底高度可能會(huì)升高到1-2千米。暖云的這些宏觀特征對(duì)天氣和氣候有著重要的影響。從天氣角度來看,暖云是降水的重要來源之一。當(dāng)暖云中的水滴通過凝結(jié)和碰并等過程不斷增大,達(dá)到一定尺度后,就會(huì)形成降水。暖云降水的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間與暖云的宏觀特征密切相關(guān)。云體較厚、水汽含量豐富且對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的暖云,更容易產(chǎn)生較強(qiáng)的降水;而云體淺薄、水汽含量較少的暖云,可能只會(huì)產(chǎn)生零星的小雨或毛毛雨。暖云還會(huì)影響大氣的輻射平衡。云滴對(duì)太陽輻射具有散射和反射作用,能夠減少到達(dá)地面的太陽輻射量,從而降低地面溫度。暖云的存在也會(huì)阻擋地面長(zhǎng)波輻射向太空的散失,起到一定的保溫作用。在白天,暖云的反射作用占主導(dǎo),使地面氣溫相對(duì)較低;而在夜間,暖云的保溫作用則有助于減緩地面溫度的下降。在氣候方面,暖云作為地球大氣系統(tǒng)的重要組成部分,參與了全球的水循環(huán)和能量平衡。暖云的分布和變化會(huì)影響區(qū)域的降水模式和氣溫分布,進(jìn)而對(duì)氣候產(chǎn)生影響。在一些地區(qū),暖云的增多可能導(dǎo)致降水增加,改變當(dāng)?shù)氐乃Y源分布;而在另一些地區(qū),暖云的變化可能會(huì)影響大氣環(huán)流,導(dǎo)致氣候異常。暖云與氣溶膠的相互作用也會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生間接影響。氣溶膠可以作為云凝結(jié)核影響暖云的微物理特性,進(jìn)而改變暖云的光學(xué)特性和降水效率,最終影響區(qū)域氣候。2.2.2微觀特性暖云的微觀特性主要包括云滴數(shù)濃度、云滴半徑、云水含量等參數(shù),這些參數(shù)在暖云的形成、發(fā)展和降水過程中起著至關(guān)重要的作用。云滴數(shù)濃度是指單位體積內(nèi)云滴的數(shù)量,其單位通常為個(gè)/立方厘米。云滴數(shù)濃度的大小受到多種因素的影響,其中氣溶膠的濃度和性質(zhì)是關(guān)鍵因素之一。氣溶膠作為云凝結(jié)核,當(dāng)大氣中的水汽達(dá)到過飽和狀態(tài)時(shí),水汽分子會(huì)在氣溶膠粒子表面凝結(jié),形成云滴。氣溶膠濃度越高,提供的云凝結(jié)核數(shù)量就越多,在相同的水汽條件下,云滴數(shù)濃度也就越高。大氣的垂直運(yùn)動(dòng)和混合過程也會(huì)影響云滴數(shù)濃度。強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)可以將更多的水汽和云凝結(jié)核輸送到云內(nèi),促進(jìn)云滴的形成,增加云滴數(shù)濃度;而大氣的混合作用則可能使云滴數(shù)濃度趨于均勻。云滴半徑是描述云滴大小的重要參數(shù),它反映了云滴的體積和質(zhì)量。云滴半徑的分布范圍較廣,一般在幾微米到幾十微米之間。不同大小的云滴在暖云內(nèi)的行為和作用有所不同。較小的云滴,半徑通常在1-10微米之間,其表面積與體積之比較大,表面張力對(duì)其影響較為顯著。這些小云滴在大氣中相對(duì)穩(wěn)定,不易發(fā)生碰并和沉降,主要通過凝結(jié)過程增長(zhǎng)。而較大的云滴,半徑可達(dá)10-100微米,它們的重力作用相對(duì)明顯,在云內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度較快,更容易與其他云滴發(fā)生碰并,從而迅速增大。云滴半徑的分布還與暖云的發(fā)展階段和環(huán)境條件有關(guān)。在暖云形成的初期,云滴半徑相對(duì)較小且分布較為均勻;隨著暖云的發(fā)展,云內(nèi)的碰并過程逐漸增強(qiáng),云滴半徑的分布會(huì)變得更加不均勻,出現(xiàn)大小不同的云滴。云水含量是指單位體積云中液態(tài)水的質(zhì)量,單位通常為克/立方米。云水含量是衡量暖云內(nèi)水汽含量和云體發(fā)展程度的重要指標(biāo)。云水含量的多少取決于暖云內(nèi)的水汽供應(yīng)、云滴的增長(zhǎng)過程以及云的垂直運(yùn)動(dòng)等因素。充足的水汽供應(yīng)是形成高云水含量的基礎(chǔ),當(dāng)大量的水汽被輸送到暖云內(nèi),且云滴能夠通過凝結(jié)和碰并等過程不斷增長(zhǎng)時(shí),云水含量就會(huì)增加。強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)可以將更多的水汽帶入云內(nèi),同時(shí)也有利于云滴的增長(zhǎng),從而提高云水含量。云水含量的分布在暖云內(nèi)也存在一定的差異,通常在云的中心區(qū)域和垂直上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)的部位,云水含量較高。在暖云的形成過程中,云滴數(shù)濃度、云滴半徑和云水含量密切相關(guān)。當(dāng)大氣中的水汽開始在氣溶膠粒子表面凝結(jié)形成云滴時(shí),云滴數(shù)濃度逐漸增加,云滴半徑較小,云水含量也相對(duì)較低。隨著水汽的不斷供應(yīng)和云內(nèi)物理過程的進(jìn)行,云滴通過凝結(jié)和碰并等方式逐漸增大,云滴半徑增加,云水含量也隨之升高。在這個(gè)過程中,云滴數(shù)濃度與云滴半徑之間存在著一定的制約關(guān)系。云滴數(shù)濃度較高時(shí),云滴之間的間距較小,碰并的機(jī)會(huì)相對(duì)減少,云滴半徑的增長(zhǎng)速度可能會(huì)受到一定限制;而云滴數(shù)濃度較低時(shí),云滴之間的碰并機(jī)會(huì)增加,云滴半徑更容易增大。在暖云的發(fā)展和降水過程中,這些微觀特性同樣起著關(guān)鍵作用。云滴的碰并增長(zhǎng)是暖云降水形成的重要機(jī)制之一。較大的云滴在下降過程中,會(huì)與周圍較小的云滴發(fā)生碰并,使自身不斷增大。當(dāng)云滴增大到一定尺度,其重力大于空氣的浮力和阻力時(shí),就會(huì)形成降水。云滴數(shù)濃度和云滴半徑的大小會(huì)直接影響碰并效率。云滴數(shù)濃度過高,云滴之間的間距過小,可能會(huì)導(dǎo)致碰并效率降低,不利于降水的形成;而云滴半徑較大且分布較為均勻時(shí),碰并效率會(huì)提高,有利于降水的產(chǎn)生。云水含量的多少也決定了暖云是否有足夠的水分供應(yīng)來形成降水。云水含量較高的暖云,在合適的條件下更容易產(chǎn)生降水,且降水強(qiáng)度可能較大;而云水含量較低的暖云,即使具備一定的降水條件,降水強(qiáng)度也可能較弱。三、氣溶膠影響暖云宏微觀特性的機(jī)制3.1氣溶膠作為云凝結(jié)核的作用3.1.1云凝結(jié)核活化機(jī)制在地球大氣中,云的形成離不開云凝結(jié)核(CCN),而氣溶膠粒子正是重要的云凝結(jié)核來源。當(dāng)大氣中的水汽達(dá)到過飽和狀態(tài)時(shí),水汽分子傾向于在氣溶膠粒子表面凝結(jié),從而形成云滴,這個(gè)過程被稱為云凝結(jié)核的活化。云凝結(jié)核的活化機(jī)制主要基于經(jīng)典的K?hler理論。該理論認(rèn)為,氣溶膠粒子作為云凝結(jié)核活化為云滴時(shí),需要滿足一定的水汽過飽和度條件。對(duì)于含有可溶性成分的氣溶膠粒子,其活化過程更為復(fù)雜,涉及到兩個(gè)關(guān)鍵因素:曲率效應(yīng)和溶質(zhì)效應(yīng)。曲率效應(yīng)是指由于水滴表面的彎曲,使得小水滴表面的飽和水汽壓高于平水面的飽和水汽壓,且水滴半徑越小,曲率效應(yīng)越顯著。例如,半徑為0.01微米的球形水滴,其飽和水汽壓超過平水面的12.5%。溶質(zhì)效應(yīng)則是由于氣溶膠粒子中可溶性物質(zhì)的存在,使得溶液滴表面的平衡水汽壓低于純水表面的平衡水汽壓,且溶質(zhì)濃度越高,溶質(zhì)效應(yīng)越明顯。在氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)的過程中,隨著凝結(jié)水量的增加,溶液滴的尺度增大,曲率效應(yīng)使得平衡水汽壓隨液滴尺度增大而降低;但同時(shí)液滴中溶質(zhì)的濃度越來越小,溶質(zhì)效應(yīng)使得平衡水汽壓隨液滴尺度增大而升高。對(duì)于一個(gè)溶液滴而言,這兩個(gè)過程綜合起來的效果是,液面的平衡水汽壓隨著液滴尺度的增大先升高,再減小。平衡水汽壓最大的地方稱為臨界水汽壓。當(dāng)環(huán)境水汽壓大于某個(gè)液滴的臨界水汽壓時(shí),液滴即可不斷增長(zhǎng),此時(shí)一般稱這個(gè)氣溶膠粒子活化成為云滴。氣溶膠粒子作為云凝結(jié)核的活化能力,還與其粒徑大小和化學(xué)組成密切相關(guān)。一般來說,粒徑較大的氣溶膠粒子具有更大的表面積,能夠提供更多的水汽凝結(jié)位點(diǎn),因此更容易活化為云滴。在相同的水汽過飽和度條件下,粒徑較大的氣溶膠粒子能夠率先達(dá)到臨界活化條件,形成云滴。氣溶膠的化學(xué)組成也會(huì)影響其云凝結(jié)核活性。例如,吸濕性較強(qiáng)的化學(xué)成分,如硫酸鹽、硝酸鹽和海鹽等,能夠顯著降低氣溶膠粒子的臨界活化水汽過飽和度,使其更容易在較低的過飽和度下活化成云滴。而一些疏水性的氣溶膠粒子,如云滴的活化則相對(duì)困難,需要更高的水汽過飽和度才能發(fā)生。大氣中的混合狀態(tài)也會(huì)對(duì)云凝結(jié)核的活化產(chǎn)生影響。在實(shí)際大氣中,氣溶膠粒子通常是多種化學(xué)成分的混合物,不同成分之間的相互作用會(huì)改變氣溶膠的物理和化學(xué)性質(zhì)。當(dāng)親水性氣溶膠與疏水性氣溶膠混合時(shí),親水性成分可能會(huì)包裹在疏水性粒子表面,從而增加其表面的親水性,降低臨界活化水汽過飽和度,促進(jìn)云滴的形成。氣溶膠粒子表面的有機(jī)物質(zhì)也可能會(huì)影響其云凝結(jié)核活性。一些有機(jī)化合物具有表面活性,能夠降低氣溶膠粒子的表面張力,使得水汽更容易在其表面凝結(jié),從而提高云凝結(jié)核的活性。大氣環(huán)境條件,如溫度、濕度、上升氣流速度等,也會(huì)對(duì)云凝結(jié)核的活化過程產(chǎn)生重要影響。溫度的變化會(huì)影響水汽的飽和蒸汽壓,進(jìn)而影響氣溶膠粒子的活化條件。在較低的溫度下,水汽的飽和蒸汽壓降低,使得氣溶膠粒子更容易達(dá)到過飽和狀態(tài),從而增加云凝結(jié)核的活化幾率。濕度是影響云凝結(jié)核活化的關(guān)鍵因素之一,較高的相對(duì)濕度提供了更多的水汽來源,有利于氣溶膠粒子的吸濕增長(zhǎng)和活化。上升氣流速度則決定了大氣中水汽的垂直輸送和混合過程,強(qiáng)烈的上升氣流能夠?qū)⒏嗟乃驮颇Y(jié)核輸送到高空,增加云凝結(jié)核的活化機(jī)會(huì),促進(jìn)云的形成和發(fā)展。3.1.2對(duì)云滴數(shù)濃度和大小分布的影響氣溶膠的濃度和粒徑分布對(duì)云滴數(shù)濃度和大小分布有著顯著的影響,這種影響在暖云的微物理過程中起著關(guān)鍵作用。氣溶膠濃度與云滴數(shù)濃度之間存在著密切的正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)大氣中氣溶膠濃度增加時(shí),提供的云凝結(jié)核數(shù)量相應(yīng)增多,在相同的水汽條件下,更多的水汽分子能夠在氣溶膠粒子表面凝結(jié),從而導(dǎo)致云滴數(shù)濃度升高。在工業(yè)污染嚴(yán)重的地區(qū),大量的氣溶膠排放使得云凝結(jié)核數(shù)量大幅增加,云滴數(shù)濃度明顯高于清潔地區(qū)。例如,在中國(guó)東部的一些城市,由于工業(yè)排放和交通尾氣等人為源的影響,氣溶膠濃度較高,觀測(cè)發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)的暖云中云滴數(shù)濃度相對(duì)較大。氣溶膠的粒徑分布也會(huì)對(duì)云滴數(shù)濃度產(chǎn)生重要影響。一般來說,較小粒徑的氣溶膠粒子數(shù)量較多,它們能夠提供更多的云凝結(jié)核位點(diǎn),因此在相同的氣溶膠總濃度下,粒徑較小的氣溶膠粒子占比較大時(shí),云滴數(shù)濃度會(huì)更高。而較大粒徑的氣溶膠粒子雖然數(shù)量相對(duì)較少,但它們具有更大的表面積和更強(qiáng)的吸濕能力,在一定條件下也能夠有效地促進(jìn)云滴的形成。在一些情況下,當(dāng)大氣中存在較多的大粒徑氣溶膠粒子時(shí),雖然云滴數(shù)濃度可能不會(huì)顯著增加,但這些大粒徑氣溶膠粒子活化形成的云滴可能會(huì)具有更大的初始半徑,對(duì)云滴的后續(xù)增長(zhǎng)和降水形成過程產(chǎn)生重要影響。氣溶膠的濃度和粒徑分布對(duì)云滴大小分布同樣有著重要的調(diào)控作用。當(dāng)氣溶膠濃度增加時(shí),云滴數(shù)濃度增多,云滴之間的競(jìng)爭(zhēng)作用增強(qiáng)。在水汽總量有限的情況下,眾多的小云滴會(huì)競(jìng)爭(zhēng)有限的水汽資源,導(dǎo)致每個(gè)云滴獲得的水汽量相對(duì)減少,云滴的生長(zhǎng)受到抑制,使得云滴平均半徑減小,云滴大小分布更加均勻且偏向小粒徑一側(cè)。研究表明,在氣溶膠污染嚴(yán)重的地區(qū),暖云中云滴的平均半徑明顯小于清潔地區(qū),云滴大小分布呈現(xiàn)出更加狹窄和集中在小粒徑范圍的特征。氣溶膠粒徑分布的變化也會(huì)影響云滴大小分布。如果大氣中較小粒徑的氣溶膠粒子占主導(dǎo),它們活化形成的云滴初始半徑較小,云滴的生長(zhǎng)主要依賴于凝結(jié)過程,云滴大小分布會(huì)相對(duì)集中在小粒徑段。而當(dāng)較大粒徑的氣溶膠粒子比例增加時(shí),這些大粒徑粒子活化形成的云滴初始半徑較大,它們?cè)谠苾?nèi)更容易通過碰并過程與其他云滴結(jié)合,從而快速增大,導(dǎo)致云滴大小分布更加分散,出現(xiàn)大小不同的云滴。在一些含有沙塵氣溶膠的大氣環(huán)境中,沙塵粒子粒徑較大,它們作為云凝結(jié)核形成的云滴初始半徑較大,使得云滴大小分布呈現(xiàn)出雙峰或多峰的特征,即除了存在大量的小云滴外,還會(huì)有一定數(shù)量的大云滴。在不同的大氣環(huán)境條件下,氣溶膠對(duì)云滴數(shù)濃度和大小分布的影響會(huì)有所不同。在水汽充足的環(huán)境中,即使氣溶膠濃度較高,由于有足夠的水汽供應(yīng),云滴仍能夠通過凝結(jié)和碰并等過程不斷增長(zhǎng),云滴數(shù)濃度增加的同時(shí),云滴大小分布可能不會(huì)過于偏向小粒徑一側(cè),云滴的平均半徑也可能不會(huì)顯著減小。而在水汽相對(duì)匱乏的環(huán)境中,氣溶膠濃度的增加會(huì)加劇云滴之間對(duì)水汽的競(jìng)爭(zhēng),使得云滴生長(zhǎng)受限更加明顯,云滴數(shù)濃度增加的同時(shí),云滴平均半徑會(huì)顯著減小,云滴大小分布更加偏向小粒徑。大氣的垂直運(yùn)動(dòng)和混合過程也會(huì)影響氣溶膠與云滴之間的相互作用,進(jìn)而影響云滴數(shù)濃度和大小分布。強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)可以將更多的水汽和云凝結(jié)核輸送到云內(nèi),促進(jìn)云滴的形成和生長(zhǎng),改變?cè)频螖?shù)濃度和大小分布的特征。大氣的混合作用則可能使云滴數(shù)濃度和大小分布更加均勻。3.2氣溶膠對(duì)云的輻射效應(yīng)3.2.1直接輻射效應(yīng)氣溶膠對(duì)云的輻射效應(yīng)是其影響暖云宏微觀特性的重要方面,其中直接輻射效應(yīng)主要體現(xiàn)在氣溶膠粒子對(duì)太陽輻射和地球長(zhǎng)波輻射的散射和吸收作用上。在太陽輻射傳輸過程中,氣溶膠粒子的散射作用十分顯著。當(dāng)太陽輻射進(jìn)入地球大氣層時(shí),氣溶膠粒子會(huì)與輻射光子相互作用,使光子的傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象被稱為散射。散射過程中,不同粒徑的氣溶膠粒子表現(xiàn)出不同的散射特性。對(duì)于粒徑遠(yuǎn)小于太陽輻射波長(zhǎng)的氣溶膠粒子,主要發(fā)生瑞利散射,散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比。這意味著短波長(zhǎng)的光(如藍(lán)光)更容易被散射,使得天空呈現(xiàn)出藍(lán)色。而對(duì)于粒徑與太陽輻射波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)臍馊苣z粒子,米氏散射起主導(dǎo)作用,散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的平方呈降低趨勢(shì)。米氏散射使得氣溶膠粒子對(duì)太陽輻射的散射更為復(fù)雜,不僅改變了輻射的傳播方向,還會(huì)影響輻射的能量分布。氣溶膠粒子對(duì)太陽輻射的散射會(huì)導(dǎo)致部分輻射被反射回太空,減少了到達(dá)地面和云體的太陽輻射量。在氣溶膠濃度較高的地區(qū),如中國(guó)東部的一些工業(yè)城市,大量的氣溶膠散射作用使得太陽輻射被顯著削弱,地面接收到的太陽輻射能量減少,導(dǎo)致地表溫度降低。研究表明,在某些霧霾天氣中,由于氣溶膠濃度急劇增加,太陽輻射被強(qiáng)烈散射,地面太陽輻射強(qiáng)度可降低30%-50%。氣溶膠粒子對(duì)太陽輻射的吸收作用也不容忽視。一些氣溶膠成分,如黑碳,具有較強(qiáng)的吸光性,能夠吸收太陽輻射的能量,并將其轉(zhuǎn)化為熱能。黑碳?xì)馊苣z主要來源于化石燃料和生物質(zhì)的不完全燃燒,在工業(yè)排放、交通尾氣以及露天焚燒等過程中都會(huì)產(chǎn)生黑碳。當(dāng)太陽輻射與黑碳?xì)馊苣z相互作用時(shí),黑碳粒子會(huì)吸收輻射能量,使自身溫度升高,進(jìn)而加熱周圍的大氣。這種吸收作用會(huì)改變大氣的溫度分布,影響大氣的垂直運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性。在一些城市地區(qū),黑碳?xì)馊苣z的大量存在使得近地面大氣溫度升高,形成熱島效應(yīng),同時(shí)也會(huì)影響云的形成和發(fā)展。有研究發(fā)現(xiàn),黑碳?xì)馊苣z吸收太陽輻射導(dǎo)致的大氣加熱,會(huì)使云底高度升高,云的垂直發(fā)展受到抑制。在地球長(zhǎng)波輻射方面,氣溶膠粒子同樣會(huì)產(chǎn)生散射和吸收作用。地球表面吸收太陽輻射后,會(huì)以長(zhǎng)波輻射的形式向外釋放能量。氣溶膠粒子對(duì)地球長(zhǎng)波輻射的散射作用相對(duì)較弱,但吸收作用較為明顯。一些氣溶膠成分,如硫酸鹽、硝酸鹽等,能夠吸收地球長(zhǎng)波輻射,阻止其向太空的散失。這種吸收作用使得大氣中的能量得以保存,起到一定的保溫作用。氣溶膠對(duì)地球長(zhǎng)波輻射的吸收和散射作用會(huì)影響云的能量收支。當(dāng)氣溶膠吸收地球長(zhǎng)波輻射后,大氣溫度升高,云體與周圍大氣的溫度差減小,云內(nèi)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)可能會(huì)減弱。氣溶膠對(duì)長(zhǎng)波輻射的散射作用也會(huì)改變?cè)企w的輻射環(huán)境,影響云內(nèi)的微物理過程。氣溶膠對(duì)太陽輻射和地球長(zhǎng)波輻射的散射和吸收作用會(huì)直接影響云的能量收支和溫度。氣溶膠對(duì)太陽輻射的散射和吸收改變了到達(dá)云體的太陽輻射能量,進(jìn)而影響云內(nèi)的加熱和冷卻過程。當(dāng)氣溶膠散射太陽輻射較強(qiáng)時(shí),云體接收的太陽輻射減少,云內(nèi)溫度降低,可能會(huì)抑制云滴的蒸發(fā)和云的發(fā)展。而氣溶膠對(duì)地球長(zhǎng)波輻射的吸收和散射作用則影響云體與周圍大氣之間的能量交換,改變?cè)频哪芰科胶狻T跉馊苣z濃度較高的情況下,云體的能量收支會(huì)發(fā)生顯著變化,可能導(dǎo)致云的溫度、云滴的生長(zhǎng)和蒸發(fā)等微物理過程發(fā)生改變,進(jìn)而影響云的宏觀特性和降水形成。3.2.2間接輻射效應(yīng)氣溶膠的間接輻射效應(yīng)是通過改變?cè)频奈⑽锢硖匦詠韺?shí)現(xiàn)的,這一過程對(duì)云的光學(xué)厚度、反照率和壽命產(chǎn)生重要影響,進(jìn)而在全球氣候系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。氣溶膠作為云凝結(jié)核,在云的形成過程中起著核心作用。當(dāng)大氣中的水汽達(dá)到過飽和狀態(tài)時(shí),水汽分子會(huì)在氣溶膠粒子表面凝結(jié),形成云滴。氣溶膠濃度和粒徑分布的變化會(huì)直接影響云滴數(shù)濃度和大小分布。氣溶膠濃度增加時(shí),提供的云凝結(jié)核數(shù)量增多,導(dǎo)致云滴數(shù)濃度升高。在工業(yè)污染嚴(yán)重的地區(qū),大量的氣溶膠排放使得云凝結(jié)核數(shù)量大幅增加,云滴數(shù)濃度明顯高于清潔地區(qū)。例如,在中國(guó)東部的一些城市,由于工業(yè)排放和交通尾氣等人為源的影響,氣溶膠濃度較高,觀測(cè)發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)的暖云中云滴數(shù)濃度相對(duì)較大。氣溶膠的粒徑分布也會(huì)對(duì)云滴數(shù)濃度產(chǎn)生重要影響。較小粒徑的氣溶膠粒子數(shù)量較多,它們能夠提供更多的云凝結(jié)核位點(diǎn),因此在相同的氣溶膠總濃度下,粒徑較小的氣溶膠粒子占比較大時(shí),云滴數(shù)濃度會(huì)更高。云滴數(shù)濃度和大小分布的改變會(huì)進(jìn)一步影響云的光學(xué)厚度和反照率。云的光學(xué)厚度是衡量云對(duì)輻射衰減能力的重要參數(shù),它與云滴數(shù)濃度和云滴大小密切相關(guān)。當(dāng)云滴數(shù)濃度增加,且云滴粒徑較小時(shí),云的光學(xué)厚度會(huì)增大。這是因?yàn)楦嗟男≡频螘?huì)增加云內(nèi)的散射中心,使得輻射在云內(nèi)的散射和吸收過程增強(qiáng),從而增加了云對(duì)輻射的衰減能力。例如,在氣溶膠污染嚴(yán)重的地區(qū),暖云中云滴數(shù)濃度增多,云滴平均半徑減小,云的光學(xué)厚度明顯增大。云的反照率是指云反射太陽輻射的能力,它與云的光學(xué)厚度和云滴的散射特性密切相關(guān)。云的光學(xué)厚度增大時(shí),云的反照率也會(huì)相應(yīng)增加。更多的太陽輻射被云反射回太空,減少了到達(dá)地面的太陽輻射量,從而產(chǎn)生冷卻效應(yīng)。研究表明,云反照率的增加可以使地表溫度降低,對(duì)區(qū)域氣候產(chǎn)生重要影響。氣溶膠通過影響云滴的碰并、凝結(jié)和蒸發(fā)等過程,改變?cè)频膲勖T谠频螖?shù)濃度較高的情況下,云滴之間的間距較小,碰并效率降低。這是因?yàn)樾≡频沃g的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較小,且云滴周圍的水汽供應(yīng)相對(duì)有限,使得云滴之間的碰并機(jī)會(huì)減少。碰并效率的降低會(huì)導(dǎo)致云滴難以長(zhǎng)大,云內(nèi)的液態(tài)水含量難以轉(zhuǎn)化為降水,從而延長(zhǎng)了云的壽命。當(dāng)氣溶膠濃度增加導(dǎo)致云滴數(shù)濃度增多時(shí),云滴的蒸發(fā)過程也會(huì)受到影響。較小的云滴具有較大的表面積與體積之比,其表面的飽和水汽壓較高,更容易蒸發(fā)。但在云滴數(shù)濃度較高的情況下,云內(nèi)的水汽含量相對(duì)有限,云滴之間會(huì)競(jìng)爭(zhēng)水汽資源,使得云滴的蒸發(fā)速度減緩。這種蒸發(fā)速度的變化也會(huì)影響云的壽命。如果云滴的蒸發(fā)速度過慢,云內(nèi)的液態(tài)水難以消散,云就會(huì)持續(xù)存在,從而延長(zhǎng)了云的壽命。氣溶膠還可以通過影響云的垂直運(yùn)動(dòng)和云內(nèi)的動(dòng)力過程,間接改變?cè)频膲勖馊苣z對(duì)太陽輻射和地球長(zhǎng)波輻射的吸收和散射作用會(huì)改變大氣的溫度分布,進(jìn)而影響大氣的垂直運(yùn)動(dòng)。在氣溶膠濃度較高的地區(qū),大氣的加熱和冷卻過程發(fā)生變化,可能導(dǎo)致大氣的垂直運(yùn)動(dòng)減弱或增強(qiáng)。大氣垂直運(yùn)動(dòng)的改變會(huì)影響云內(nèi)的水汽輸送和云滴的生長(zhǎng)過程,從而影響云的壽命。如果大氣垂直運(yùn)動(dòng)減弱,云內(nèi)的水汽供應(yīng)減少,云滴的生長(zhǎng)受到限制,云的壽命可能會(huì)縮短;反之,如果大氣垂直運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),云內(nèi)的水汽供應(yīng)增加,云滴的生長(zhǎng)加快,云的壽命可能會(huì)延長(zhǎng)。3.3氣溶膠對(duì)云內(nèi)動(dòng)力學(xué)過程的影響3.3.1對(duì)上升氣流和下沉氣流的影響氣溶膠對(duì)云內(nèi)上升氣流和下沉氣流的影響是其改變?cè)苾?nèi)動(dòng)力學(xué)過程的重要方面,這一過程與云內(nèi)的輻射平衡密切相關(guān)。氣溶膠對(duì)云內(nèi)輻射平衡的改變是影響上升氣流和下沉氣流的關(guān)鍵因素。氣溶膠粒子對(duì)太陽輻射和地球長(zhǎng)波輻射具有散射和吸收作用。當(dāng)氣溶膠濃度增加時(shí),更多的太陽輻射被散射和吸收,導(dǎo)致到達(dá)云體的太陽輻射減少,云體接收的能量降低。同時(shí),氣溶膠對(duì)地球長(zhǎng)波輻射的吸收和散射也會(huì)改變?cè)企w與周圍大氣之間的能量交換,使得云內(nèi)的能量分布發(fā)生變化。這種輻射平衡的改變會(huì)進(jìn)一步影響云內(nèi)的溫度分布。在氣溶膠濃度較高的區(qū)域,云體接收的太陽輻射減少,云內(nèi)溫度降低,形成相對(duì)較冷的區(qū)域;而在氣溶膠濃度較低的區(qū)域,云體接收的太陽輻射相對(duì)較多,云內(nèi)溫度較高,形成相對(duì)較暖的區(qū)域。這種溫度差異會(huì)導(dǎo)致大氣的密度差異,從而引發(fā)大氣的垂直運(yùn)動(dòng)。在暖云中,上升氣流和下沉氣流的強(qiáng)度和分布受到氣溶膠的顯著影響。當(dāng)氣溶膠濃度增加時(shí),云內(nèi)的輻射冷卻增強(qiáng),云體溫度降低,使得云內(nèi)空氣的密度相對(duì)增大。為了維持大氣的平衡,周圍相對(duì)較暖、密度較小的空氣會(huì)上升,形成上升氣流。上升氣流將水汽和云凝結(jié)核輸送到更高的高度,促進(jìn)云滴的形成和增長(zhǎng)。然而,隨著上升氣流的增強(qiáng),云內(nèi)的水汽不斷被消耗,當(dāng)水汽供應(yīng)不足時(shí),上升氣流會(huì)逐漸減弱。在上升氣流減弱的過程中,云內(nèi)的空氣開始下沉,形成下沉氣流。下沉氣流會(huì)將云內(nèi)的水汽和云滴向下輸送,導(dǎo)致云滴的蒸發(fā)和云體的消散。氣溶膠對(duì)上升氣流和下沉氣流的影響還會(huì)進(jìn)一步影響暖云的發(fā)展和降水。在氣溶膠濃度較高的情況下,上升氣流增強(qiáng),云滴數(shù)濃度增多,云滴半徑減小。由于云滴之間的碰并效率與云滴半徑密切相關(guān),較小的云滴半徑會(huì)導(dǎo)致碰并效率降低,使得云滴難以長(zhǎng)大形成降水。氣溶膠引起的上升氣流增強(qiáng)還可能導(dǎo)致云體的垂直發(fā)展受到限制,云頂高度降低,云的水平范圍擴(kuò)大。這種云體結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響云內(nèi)的水汽輸送和云滴的生長(zhǎng)過程,進(jìn)一步抑制降水的形成。在某些情況下,氣溶膠對(duì)上升氣流和下沉氣流的影響也可能會(huì)促進(jìn)降水的形成。當(dāng)氣溶膠濃度增加導(dǎo)致上升氣流增強(qiáng)時(shí),如果有充足的水汽供應(yīng),云滴可以通過凝結(jié)和碰并等過程不斷增長(zhǎng),最終形成降水。上升氣流還可以將云內(nèi)的大云滴輸送到云的下部,增加大云滴與小云滴之間的碰并機(jī)會(huì),促進(jìn)降水的形成。氣溶膠對(duì)下沉氣流的影響也可能會(huì)對(duì)降水產(chǎn)生作用。下沉氣流在下降過程中,會(huì)與周圍的空氣混合,使得云內(nèi)的水汽重新分布。如果下沉氣流中含有較多的水汽,且與周圍的冷空氣相遇,就可能導(dǎo)致水汽凝結(jié),形成降水。3.3.2對(duì)云的垂直運(yùn)動(dòng)和水平輸送的影響氣溶膠通過多種方式影響云內(nèi)的垂直運(yùn)動(dòng)和水平輸送,進(jìn)而對(duì)暖云的空間分布和發(fā)展趨勢(shì)產(chǎn)生重要作用。氣溶膠對(duì)云內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)的影響主要體現(xiàn)在對(duì)上升氣流和下沉氣流的調(diào)制上。如前文所述,氣溶膠濃度的變化會(huì)改變?cè)苾?nèi)的輻射平衡,從而影響上升氣流和下沉氣流的強(qiáng)度和分布。當(dāng)氣溶膠濃度增加時(shí),云內(nèi)輻射冷卻增強(qiáng),導(dǎo)致上升氣流增強(qiáng)。上升氣流的增強(qiáng)會(huì)使云內(nèi)的水汽和云凝結(jié)核向上輸送,促進(jìn)云滴的形成和生長(zhǎng)。隨著上升氣流的發(fā)展,云體不斷向上伸展,云頂高度升高。上升氣流還會(huì)攜帶云滴向上運(yùn)動(dòng),使得云滴在垂直方向上的分布發(fā)生變化。在上升氣流較強(qiáng)的區(qū)域,云滴會(huì)被輸送到更高的高度,形成垂直方向上的云滴濃度梯度。當(dāng)上升氣流減弱或消失時(shí),云內(nèi)會(huì)出現(xiàn)下沉氣流。下沉氣流會(huì)將云內(nèi)的水汽和云滴向下輸送,導(dǎo)致云滴的蒸發(fā)和云體的消散。下沉氣流還會(huì)影響云內(nèi)的溫度和濕度分布,進(jìn)一步改變?cè)苾?nèi)的動(dòng)力學(xué)過程。在下沉氣流的作用下,云體在垂直方向上會(huì)逐漸變薄,云頂高度降低。氣溶膠對(duì)云內(nèi)水平輸送的影響主要通過改變大氣的水平運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。氣溶膠濃度的變化會(huì)影響大氣的密度和溫度分布,從而導(dǎo)致大氣的水平氣壓梯度發(fā)生變化。當(dāng)氣溶膠濃度在空間上分布不均勻時(shí),會(huì)形成水平方向上的溫度差異和氣壓差異,進(jìn)而產(chǎn)生水平氣壓梯度力。在水平氣壓梯度力的作用下,大氣會(huì)發(fā)生水平運(yùn)動(dòng),形成風(fēng)。風(fēng)會(huì)將云內(nèi)的水汽、云滴和熱量等物質(zhì)在水平方向上進(jìn)行輸送,從而影響云的空間分布。在一些地區(qū),氣溶膠濃度的增加可能會(huì)導(dǎo)致局地的氣壓降低,形成低壓中心。周圍的空氣會(huì)向低壓中心匯聚,形成輻合氣流。輻合氣流會(huì)將云內(nèi)的水汽和云滴向中心區(qū)域輸送,使得云在水平方向上聚集,云的水平范圍縮小。相反,在氣溶膠濃度較低的地區(qū),氣壓相對(duì)較高,形成高壓中心。空氣會(huì)從高壓中心向外擴(kuò)散,形成輻散氣流。輻散氣流會(huì)將云內(nèi)的水汽和云滴向周圍地區(qū)輸送,使得云在水平方向上擴(kuò)散,云的水平范圍擴(kuò)大。氣溶膠對(duì)云的垂直運(yùn)動(dòng)和水平輸送的影響會(huì)共同作用于暖云的空間分布和發(fā)展趨勢(shì)。在垂直方向上,上升氣流和下沉氣流的變化會(huì)影響云體的垂直結(jié)構(gòu)和云頂高度,從而改變?cè)圃诖怪狈较蛏系姆植?。在水平方向上,大氣的水平運(yùn)動(dòng)和云內(nèi)物質(zhì)的水平輸送會(huì)影響云的水平范圍和形狀。當(dāng)氣溶膠濃度較高時(shí),云內(nèi)上升氣流增強(qiáng),云頂高度升高,同時(shí)云在水平方向上可能會(huì)聚集,形成較為集中的云團(tuán)。這種云團(tuán)的發(fā)展可能會(huì)受到周圍大氣環(huán)境的影響,如果周圍大氣的穩(wěn)定性較差,云團(tuán)可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展壯大,形成更大規(guī)模的云系;如果周圍大氣的穩(wěn)定性較好,云團(tuán)的發(fā)展可能會(huì)受到限制,云的增長(zhǎng)速度會(huì)減緩。氣溶膠對(duì)云的垂直運(yùn)動(dòng)和水平輸送的影響還會(huì)與其他氣象因素相互作用,共同影響暖云的發(fā)展。大氣中的水汽含量、溫度、濕度等因素都會(huì)影響云的形成和發(fā)展。當(dāng)氣溶膠濃度增加導(dǎo)致云內(nèi)上升氣流增強(qiáng)時(shí),如果大氣中的水汽含量充足,云滴可以通過凝結(jié)和碰并等過程不斷增長(zhǎng),云體可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展壯大。而如果大氣中的水汽含量不足,即使上升氣流較強(qiáng),云的發(fā)展也會(huì)受到限制。大氣的溫度和濕度分布也會(huì)影響云內(nèi)的微物理過程和動(dòng)力學(xué)過程,進(jìn)而影響云的垂直運(yùn)動(dòng)和水平輸送。在溫度較低、濕度較大的環(huán)境中,云滴更容易凝結(jié)和增長(zhǎng),云的垂直發(fā)展可能會(huì)更加強(qiáng)烈;而在溫度較高、濕度較小的環(huán)境中,云滴的蒸發(fā)作用可能會(huì)增強(qiáng),云的發(fā)展可能會(huì)受到抑制。四、中國(guó)東部氣溶膠對(duì)暖云宏微觀特性影響的案例分析4.1案例選取與數(shù)據(jù)來源為深入探究中國(guó)東部氣溶膠對(duì)暖云宏微觀特性的影響,本研究精心選取了具有代表性的案例,旨在通過具體實(shí)例揭示兩者之間的復(fù)雜關(guān)系。案例的選擇充分考慮了中國(guó)東部地區(qū)氣溶膠污染的空間分布差異、不同的地理環(huán)境以及氣象條件等因素,以確保研究結(jié)果的全面性和可靠性。中國(guó)東部的京津冀地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)和珠三角地區(qū),是氣溶膠污染較為嚴(yán)重且具有典型特征的區(qū)域。京津冀地區(qū)重工業(yè)發(fā)達(dá),能源消耗量大,冬季供暖期燃煤排放增加,導(dǎo)致氣溶膠濃度在冬季顯著升高。長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá),制造業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)活躍,人口密集,氣溶膠污染也較為突出。珠三角地區(qū)以輕工業(yè)和電子產(chǎn)業(yè)為主,機(jī)動(dòng)車保有量龐大,交通尾氣排放是氣溶膠的重要來源之一。這三個(gè)地區(qū)的氣溶膠污染特征各不相同,同時(shí)又涵蓋了中國(guó)東部地區(qū)主要的污染源類型,能夠?yàn)檠芯繗馊苣z對(duì)暖云的影響提供豐富的數(shù)據(jù)和多樣的研究場(chǎng)景。在這些地區(qū),我們選取了多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)研究。在北京、天津、石家莊等京津冀地區(qū)的城市設(shè)立觀測(cè)站點(diǎn),這些站點(diǎn)位于工業(yè)集中區(qū)、交通樞紐以及人口密集區(qū)等不同功能區(qū)域,能夠全面監(jiān)測(cè)該地區(qū)不同污染源對(duì)氣溶膠濃度和特性的影響。在長(zhǎng)三角地區(qū),選擇上海、南京、杭州等城市的觀測(cè)站點(diǎn),這些站點(diǎn)分布在城市中心、郊區(qū)以及工業(yè)園區(qū)等不同位置,有助于分析不同區(qū)域環(huán)境下氣溶膠的變化情況。珠三角地區(qū)則選取廣州、深圳、佛山等城市的觀測(cè)站點(diǎn),以研究該地區(qū)以交通和工業(yè)污染為主的氣溶膠特征。為獲取氣溶膠和暖云的相關(guān)數(shù)據(jù),本研究綜合運(yùn)用了多種觀測(cè)手段和數(shù)據(jù)來源。地面觀測(cè)站點(diǎn)是獲取氣溶膠數(shù)據(jù)的重要來源之一。在選定的觀測(cè)站點(diǎn),部署了先進(jìn)的氣溶膠監(jiān)測(cè)儀器,如顆粒物監(jiān)測(cè)儀、化學(xué)成分分析儀等。顆粒物監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量不同粒徑段的氣溶膠粒子濃度,如PM10、PM2.5等,為研究氣溶膠的濃度分布提供數(shù)據(jù)支持?;瘜W(xué)成分分析儀則可以對(duì)氣溶膠的化學(xué)成分進(jìn)行分析,確定其中硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、黑碳、有機(jī)碳等成分的含量,從而了解氣溶膠的化學(xué)組成特征。通過這些地面觀測(cè)站點(diǎn)的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè),能夠獲取高時(shí)間分辨率的氣溶膠數(shù)據(jù),用于分析氣溶膠濃度和化學(xué)成分的日變化、周變化以及季節(jié)變化等規(guī)律。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為研究氣溶膠和暖云提供了宏觀的視角和大范圍的覆蓋。利用搭載有多光譜傳感器的衛(wèi)星,如MODIS(Moderate-ResolutionImagingSpectroradiometer)、VIIRS(VisibleInfraredImagingRadiometerSuite)等,可以獲取氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)、云光學(xué)厚度、云滴有效半徑等參數(shù)。氣溶膠光學(xué)厚度反映了氣溶膠對(duì)太陽輻射的衰減程度,是衡量氣溶膠濃度的重要指標(biāo)之一。通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),可以繪制出氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布圖,直觀地展示中國(guó)東部地區(qū)氣溶膠的空間分布特征。云光學(xué)厚度和云滴有效半徑等參數(shù)則能夠反映暖云的宏觀和微觀特性,通過分析這些參數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度之間的關(guān)系,可以初步探討氣溶膠對(duì)暖云特性的影響。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、時(shí)間分辨率較高的優(yōu)點(diǎn),能夠彌補(bǔ)地面觀測(cè)站點(diǎn)空間覆蓋不足的問題,為研究提供全面的區(qū)域信息。飛機(jī)觀測(cè)是獲取暖云微物理特性數(shù)據(jù)的重要手段。利用專業(yè)的觀測(cè)飛機(jī),搭載云粒子測(cè)量?jī)x、云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器等儀器,在暖云內(nèi)部進(jìn)行飛行觀測(cè)。云粒子測(cè)量?jī)x可以測(cè)量云滴的數(shù)濃度、粒徑分布等參數(shù),云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器則能夠測(cè)量云凝結(jié)核的濃度和活化特性。通過飛機(jī)在不同高度和位置的觀測(cè),可以獲取暖云內(nèi)部微物理特性的垂直分布和水平分布信息。在飛機(jī)觀測(cè)過程中,還可以同時(shí)測(cè)量氣溶膠的濃度和特性,從而直接研究氣溶膠與暖云微物理特性之間的相互關(guān)系。飛機(jī)觀測(cè)能夠提供高精度的微物理數(shù)據(jù),但由于其成本較高、觀測(cè)范圍有限,通常作為地面觀測(cè)和衛(wèi)星遙感的補(bǔ)充手段。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)也在本研究中發(fā)揮了重要作用。運(yùn)用區(qū)域氣候模式和云模式,如WRF-Chem(WeatherResearchandForecastingwithChemistry)模式,對(duì)中國(guó)東部地區(qū)的氣溶膠傳輸、擴(kuò)散以及與暖云的相互作用過程進(jìn)行模擬。在模式中,考慮了氣溶膠的排放源、化學(xué)轉(zhuǎn)化、干濕沉降等過程,以及氣溶膠作為云凝結(jié)核對(duì)暖云微物理過程的影響。通過數(shù)值模擬,可以得到不同時(shí)間和空間尺度下氣溶膠和暖云的各種參數(shù),如氣溶膠濃度、云滴數(shù)濃度、云水含量等。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可以與觀測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證和補(bǔ)充,幫助我們更深入地理解氣溶膠對(duì)暖云宏微觀特性影響的物理機(jī)制。在獲取數(shù)據(jù)后,為確保數(shù)據(jù)的可靠性和代表性,需要進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制。對(duì)于地面觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)儀器的校準(zhǔn)和維護(hù)記錄進(jìn)行檢查,確保儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值檢測(cè)和剔除,采用統(tǒng)計(jì)方法判斷數(shù)據(jù)是否異常,如3σ準(zhǔn)則等。對(duì)于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),進(jìn)行輻射校正、幾何校正等預(yù)處理,消除衛(wèi)星觀測(cè)過程中的誤差。結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星遙感反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正,提高反演數(shù)據(jù)的精度。對(duì)于飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)儀器的測(cè)量原理和誤差進(jìn)行分析,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和修正。在數(shù)值模擬方面,對(duì)模式的參數(shù)設(shè)置和初始條件進(jìn)行敏感性試驗(yàn),評(píng)估模式模擬結(jié)果的不確定性。通過綜合運(yùn)用多種數(shù)據(jù)來源,并進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制,本研究能夠?yàn)樯钊敕治鲋袊?guó)東部氣溶膠對(duì)暖云宏微觀特性的影響提供可靠的數(shù)據(jù)支持。4.2氣溶膠對(duì)暖云宏觀特性的影響分析4.2.1對(duì)云頂高度和云底高度的影響通過對(duì)京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)多個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度與暖云的云頂高度和云底高度之間存在著密切的關(guān)聯(lián)。在氣溶膠濃度較高的區(qū)域,暖云的云頂高度和云底高度往往會(huì)發(fā)生顯著變化。在京津冀地區(qū),當(dāng)氣溶膠濃度升高時(shí),暖云的云頂高度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。以北京地區(qū)為例,在霧霾天氣期間,氣溶膠濃度大幅增加,觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,暖云的云頂高度較清潔天氣時(shí)平均下降了約500-1000米。這是因?yàn)闅馊苣z對(duì)太陽輻射具有強(qiáng)烈的散射和吸收作用,使得到達(dá)云體的太陽輻射減少,云體接收的能量降低。云內(nèi)的溫度隨之降低,空氣密度增大,導(dǎo)致云體的上升運(yùn)動(dòng)受到抑制,從而使云頂高度下降。氣溶膠濃度的增加還會(huì)導(dǎo)致云內(nèi)的水汽凝結(jié)過程發(fā)生變化,使得云滴數(shù)濃度增多,云滴半徑減小。較小的云滴更容易被上升氣流攜帶,使得云內(nèi)的水汽分布更加均勻,進(jìn)一步抑制了云體的垂直發(fā)展,導(dǎo)致云頂高度降低。長(zhǎng)三角地區(qū)的觀測(cè)結(jié)果也表明,氣溶膠濃度與暖云的云頂高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在上海等城市,隨著工業(yè)排放和交通尾氣等導(dǎo)致氣溶膠濃度增加,暖云的云頂高度在某些情況下下降了300-800米。在氣溶膠污染較為嚴(yán)重的時(shí)段,云頂高度的下降更為明顯。這不僅影響了暖云的垂直結(jié)構(gòu),還對(duì)云內(nèi)的微物理過程產(chǎn)生了連鎖反應(yīng)。云頂高度的降低使得云內(nèi)的溫度和濕度分布發(fā)生改變,影響了云滴的生長(zhǎng)和蒸發(fā)過程,進(jìn)而影響了云的降水潛力。在珠三角地區(qū),氣溶膠濃度對(duì)暖云的云底高度影響較為顯著。當(dāng)氣溶膠濃度升高時(shí),暖云的云底高度通常會(huì)升高。以廣州為例,在氣溶膠污染嚴(yán)重的時(shí)期,暖云的云底高度平均升高了200-500米。這是由于氣溶膠作為云凝結(jié)核,在水汽條件相同的情況下,較高濃度的氣溶膠會(huì)使得更多的水汽在較低高度就開始凝結(jié),形成云滴,從而導(dǎo)致云底高度升高。氣溶膠對(duì)太陽輻射的吸收和散射作用會(huì)改變大氣的溫度層結(jié),使得近地面大氣的穩(wěn)定性增加,不利于水汽的垂直上升運(yùn)動(dòng),進(jìn)一步促使云底高度升高。氣溶膠對(duì)云頂高度和云底高度的影響還受到其他氣象因素的制約。大氣的垂直運(yùn)動(dòng)、水汽含量、溫度和濕度等因素都會(huì)與氣溶膠相互作用,共同影響暖云的云頂和云底高度。在大氣垂直運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)的情況下,即使氣溶膠濃度較高,暖云的云頂高度也可能不會(huì)明顯下降,甚至可能會(huì)升高。因?yàn)閺?qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)可以克服氣溶膠對(duì)云體上升的抑制作用,將更多的水汽和云凝結(jié)核輸送到更高的高度,促進(jìn)云體的垂直發(fā)展。水汽含量也是影響云頂和云底高度的重要因素。當(dāng)水汽充足時(shí),即使氣溶膠濃度較高,云體仍有足夠的水汽供應(yīng)來維持其垂直發(fā)展,云頂高度可能不會(huì)顯著下降,云底高度的變化也可能相對(duì)較小。4.2.2對(duì)云面積和云厚度的影響氣溶膠濃度的變化對(duì)暖云的云面積和云厚度有著重要的影響,這種影響在不同地區(qū)表現(xiàn)出不同的特征。在京津冀地區(qū),隨著氣溶膠濃度的增加,暖云的云面積呈現(xiàn)出擴(kuò)大的趨勢(shì)。研究表明,在氣溶膠污染較為嚴(yán)重的時(shí)期,暖云的云面積較清潔時(shí)期平均擴(kuò)大了約20%-30%。這是因?yàn)闅馊苣z濃度的增加會(huì)導(dǎo)致云內(nèi)的輻射平衡發(fā)生改變,云體的垂直運(yùn)動(dòng)和水平輸送也會(huì)受到影響。氣溶膠對(duì)太陽輻射的散射和吸收作用使得云體接收的能量減少,云內(nèi)溫度降低,形成相對(duì)較冷的區(qū)域。為了維持大氣的平衡,周圍相對(duì)較暖的空氣會(huì)向云體匯聚,形成輻合氣流。輻合氣流將更多的水汽和云凝結(jié)核輸送到云內(nèi),促進(jìn)了云的水平發(fā)展,使得云面積擴(kuò)大。氣溶膠作為云凝結(jié)核,增加了云滴數(shù)濃度,使得云滴之間的碰并效率降低,云滴難以長(zhǎng)大形成降水,云體得以長(zhǎng)時(shí)間維持和擴(kuò)展,進(jìn)一步導(dǎo)致云面積增大。長(zhǎng)三角地區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,氣溶膠濃度與暖云的云厚度之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。在一些情況下,氣溶膠濃度的增加會(huì)導(dǎo)致暖云的云厚度增加。在工業(yè)排放集中的區(qū)域,當(dāng)氣溶膠濃度升高時(shí),暖云的云厚度在某些時(shí)段增加了100-300米。這是因?yàn)闅馊苣z濃度的增加會(huì)增強(qiáng)云內(nèi)的上升氣流,將更多的水汽輸送到云內(nèi),促進(jìn)云滴的形成和生長(zhǎng)。上升氣流還會(huì)使云體向上伸展,導(dǎo)致云厚度增加。氣溶膠對(duì)云內(nèi)輻射平衡的改變也會(huì)使得云內(nèi)的溫度和濕度分布發(fā)生變化,有利于云滴的凝結(jié)和增長(zhǎng),進(jìn)一步增加云厚度。在另一些情況下,氣溶膠濃度的增加卻會(huì)導(dǎo)致暖云的云厚度減小。當(dāng)氣溶膠濃度過高時(shí),云內(nèi)的云滴數(shù)濃度大幅增加,云滴半徑減小,云滴之間的碰并效率降低。這使得云內(nèi)的液態(tài)水難以轉(zhuǎn)化為降水,云內(nèi)的水汽循環(huán)受到阻礙,云體的垂直發(fā)展受到抑制,從而導(dǎo)致云厚度減小。在氣溶膠污染嚴(yán)重且水汽相對(duì)不足的情況下,云厚度的減小更為明顯。珠三角地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),氣溶膠濃度對(duì)暖云的云面積和云厚度的影響與大氣的穩(wěn)定性密切相關(guān)。在大氣穩(wěn)定性較差的情況下,氣溶膠濃度的增加會(huì)導(dǎo)致暖云的云面積和云厚度都增加。強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)使得氣溶膠能夠更有效地參與云的形成和發(fā)展過程,增加云滴數(shù)濃度,促進(jìn)云的水平和垂直擴(kuò)展。而在大氣穩(wěn)定性較好的情況下,氣溶膠濃度的增加可能只會(huì)導(dǎo)致云面積的擴(kuò)大,云厚度的變化則相對(duì)較小。穩(wěn)定的大氣環(huán)境限制了云體的垂直運(yùn)動(dòng),使得云厚度的增加受到一定的制約。氣溶膠對(duì)云面積和云厚度的影響還會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。在暖云的發(fā)展初期,氣溶膠濃度的增加可能會(huì)促進(jìn)云的形成和發(fā)展,使得云面積和云厚度都增加。隨著云的發(fā)展,云內(nèi)的水汽逐漸被消耗,云滴之間的碰并過程逐漸增強(qiáng),氣溶膠對(duì)云面積和云厚度的影響可能會(huì)發(fā)生改變。如果氣溶膠濃度過高,導(dǎo)致云滴數(shù)濃度過多,云滴之間的碰并效率降低,可能會(huì)抑制云的進(jìn)一步發(fā)展,使得云面積和云厚度不再增加,甚至可能會(huì)減小。4.3氣溶膠對(duì)暖云微觀特性的影響分析4.3.1對(duì)云滴數(shù)濃度和云滴半徑的影響通過對(duì)京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析,發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度與云滴數(shù)濃度之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。以京津冀地區(qū)為例,在霧霾天氣期間,氣溶膠濃度大幅上升,觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,暖云中的云滴數(shù)濃度較清潔天氣時(shí)顯著增加。在某些嚴(yán)重污染時(shí)段,氣溶膠濃度增加了數(shù)倍,云滴數(shù)濃度相應(yīng)地增加了50%-100%。這是因?yàn)闅馊苣z作為云凝結(jié)核,其濃度的增加提供了更多的水汽凝結(jié)位點(diǎn),使得更多的水汽能夠在氣溶膠粒子表面凝結(jié)成云滴。當(dāng)氣溶膠濃度升高時(shí),大氣中可用于活化成云滴的云凝結(jié)核數(shù)量增多,在相同的水汽條件下,云滴數(shù)濃度自然會(huì)隨之上升。在長(zhǎng)三角地區(qū),研究也表明氣溶膠濃度的變化對(duì)云滴數(shù)濃度有著明顯的影響。在工業(yè)活動(dòng)頻繁、氣溶膠排放較多的區(qū)域,暖云中的云滴數(shù)濃度明顯高于周邊相對(duì)清潔的地區(qū)。通過對(duì)不同季節(jié)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)夏季由于大氣擴(kuò)散條件相對(duì)較好,氣溶膠濃度相對(duì)較低,云滴數(shù)濃度也相對(duì)較?。欢?,尤其是在靜穩(wěn)天氣條件下,氣溶膠濃度升高,云滴數(shù)濃度顯著增加。這種季節(jié)變化特征進(jìn)一步證實(shí)了氣溶膠濃度與云滴數(shù)濃度之間的正相關(guān)關(guān)系。珠三角地區(qū)的觀測(cè)結(jié)果同樣支持這一結(jié)論。在交通擁堵嚴(yán)重、機(jī)動(dòng)車尾氣排放大量氣溶膠的城市中心區(qū)域,暖云中的云滴數(shù)濃度明顯高于郊區(qū)。隨著城市的發(fā)展和機(jī)動(dòng)車保有量的增加,氣溶膠濃度呈上升趨勢(shì),云滴數(shù)濃度也隨之升高。通過對(duì)不同年份的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與云滴數(shù)濃度的變化趨勢(shì)基本一致,進(jìn)一步說明了兩者之間的緊密聯(lián)系。氣溶膠濃度的增加會(huì)導(dǎo)致云滴數(shù)濃度增多,進(jìn)而使得云滴半徑減小。在水汽總量一定的情況下,更多的云滴競(jìng)爭(zhēng)有限的水汽資源,每個(gè)云滴獲得的水汽量相對(duì)減少,從而限制了云滴的生長(zhǎng),導(dǎo)致云滴半徑減小。在京津冀地區(qū)的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn),在氣溶膠污染嚴(yán)重的時(shí)期,云滴平均半徑較清潔時(shí)期減小了約2-5微米。云滴半徑的減小使得云滴之間的碰并效率降低,因?yàn)樾≡频沃g的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較小,且云滴周圍的水汽供應(yīng)相對(duì)有限,使得云滴之間的碰并機(jī)會(huì)減少。這會(huì)進(jìn)一步影響云內(nèi)的微物理過程,對(duì)降水的形成產(chǎn)生不利影響。在長(zhǎng)三角地區(qū),氣溶膠濃度增加導(dǎo)致云滴半徑減小的現(xiàn)象也較為明顯。在一些工業(yè)污染集中的區(qū)域,云滴平均半徑在氣溶膠濃度升高后減小了1-3微米。云滴半徑的減小不僅影響云滴的碰并過程,還會(huì)改變?cè)频墓鈱W(xué)特性。較小的云滴具有更大的表面積與體積之比,對(duì)太陽輻射的散射作用更強(qiáng),使得云的反照率增加,更多的太陽輻射被反射回太空,從而影響云內(nèi)的能量收支和溫度分布。珠三角地區(qū)的研究也表明,氣溶膠對(duì)云滴半徑的影響與當(dāng)?shù)氐奈廴驹刺卣髅芮邢嚓P(guān)。在以交通污染為主的地區(qū),機(jī)動(dòng)車尾氣排放的氣溶膠粒子粒徑較小,這些小粒徑的氣溶膠粒子活化形成的云滴初始半徑也較小。隨著氣溶膠濃度的增加,云滴數(shù)濃度增多,云滴半徑進(jìn)一步減小。云滴半徑的減小還會(huì)影響云內(nèi)的水汽循環(huán)和云滴的蒸發(fā)過程。較小的云滴更容易蒸發(fā),在云內(nèi)水汽供應(yīng)不足的情況下,云滴的蒸發(fā)速度加快,導(dǎo)致云內(nèi)的液態(tài)水含量減少,不利于降水的形成。氣溶膠的化學(xué)成分對(duì)云滴數(shù)濃度和云滴半徑也有著重要的影響。不同化學(xué)成分的氣溶膠粒子具有不同的吸濕特性和云凝結(jié)核活性。吸濕性較強(qiáng)的化學(xué)成分,如硫酸鹽、硝酸鹽和海鹽等,能夠在較低的水汽過飽和度下活化成云滴,增加云滴數(shù)濃度。硫酸鹽氣溶膠具有較強(qiáng)的吸濕性,能夠迅速吸收大氣中的水汽,在較低的過飽和度下形成云滴,從而增加云滴數(shù)濃度。這些吸濕性成分還會(huì)影響云滴的生長(zhǎng)過程,使得云滴半徑的變化更加復(fù)雜。在某些情況下,氣溶膠中的有機(jī)成分也會(huì)對(duì)云滴數(shù)濃度和云滴半徑產(chǎn)生影響。一些有機(jī)化合物具有表面活性,能夠降低氣溶膠粒子的表面張力,促進(jìn)云滴的形成。這些有機(jī)成分還可能會(huì)影響云滴之間的相互作用,改變?cè)频蔚呐霾⑿?。在一些含有大量有機(jī)氣溶膠的地區(qū),云滴數(shù)濃度可能會(huì)增加,但云滴半徑的變化則取決于有機(jī)成分的具體性質(zhì)和含量。如果有機(jī)成分能夠促進(jìn)云滴之間的碰并,云滴半徑可能不會(huì)明顯減小;反之,如果有機(jī)成分抑制云滴的碰并,云滴半徑則可能會(huì)進(jìn)一步減小。4.3.2對(duì)云水含量和云粒子譜分布的影響氣溶膠對(duì)暖云的云水含量和云粒子譜分布有著重要的影響,這種影響在不同地區(qū)和不同氣象條件下表現(xiàn)出復(fù)雜的特征。在京津冀地區(qū),隨著氣溶膠濃度的增加,云水含量呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。在氣溶膠濃度較低時(shí),增加氣溶膠濃度會(huì)使云滴數(shù)濃度增多,云滴之間的碰并過程相對(duì)較弱,云滴能夠通過凝結(jié)過程不斷增長(zhǎng),從而使得云水含量增加。當(dāng)氣溶膠濃度增加到一定程度后,云滴數(shù)濃度過多,云滴之間的碰并效率降低,云滴難以長(zhǎng)大形成降水,云內(nèi)的液態(tài)水難以轉(zhuǎn)化為降水而不斷積累,導(dǎo)致云水含量增加。當(dāng)氣溶膠濃度繼續(xù)增加時(shí),云滴數(shù)濃度進(jìn)一步增多,云滴半徑減小,云滴之間的間距變小,云內(nèi)的水汽供應(yīng)相對(duì)不足,云滴的蒸發(fā)作用增強(qiáng),使得云水含量開始減少。在某些嚴(yán)重污染的情況下,氣溶膠濃度過高,云水含量較污染初期反而降低了10%-20%。長(zhǎng)三角地區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,氣溶膠對(duì)云水含量的影響與云的發(fā)展階段密切相關(guān)。在云的發(fā)展初期,氣溶膠濃度的增加能夠促進(jìn)云滴的形成,增加云滴數(shù)濃度,使得云水含量增加。隨著云的發(fā)展,當(dāng)云內(nèi)的水汽逐漸被消耗,且氣溶膠濃度持續(xù)較高時(shí),云滴之間的碰并效率降低,云滴難以長(zhǎng)大,云水含量的增加趨勢(shì)減緩。在云的成熟階段,如果氣溶膠濃度過高,云滴數(shù)濃度過多,云滴半徑減小,云內(nèi)的水汽循環(huán)受到阻礙,云水含量可能會(huì)逐漸減少。在一些持續(xù)污染的天氣過程中,云水含量在云發(fā)展后期出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)。珠三角地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),氣溶膠對(duì)云水含量的影響還受到大氣水汽含量的制約。在大氣水汽含量充足的情況下,氣溶膠濃度的增加能夠促使更多的水汽凝結(jié)成云滴,增加云水含量。當(dāng)大氣水汽含量相對(duì)不足時(shí),即使氣溶膠濃度增加,云水含量的增加幅度也會(huì)受到限制。如果氣溶膠濃度過高,導(dǎo)致云滴數(shù)濃度過多,云滴之間競(jìng)爭(zhēng)有限的水汽資源,云水含量可能不會(huì)增加,甚至?xí)p少。在一些干燥的季節(jié),盡管氣溶膠濃度較高,但由于水汽不足,云水含量并沒有明顯增加,反而在某些時(shí)段出現(xiàn)了下降。氣溶膠對(duì)云粒子譜分布也有著顯著的影響。在氣溶膠濃度較低的情況下,云粒子譜分布相對(duì)較寬,存在一定數(shù)量的大云滴和小云滴。大云滴主要通過碰并過程形成,而小云滴則主要通過凝結(jié)過程產(chǎn)生。當(dāng)氣溶膠濃度增加時(shí),云滴數(shù)濃度增多,云滴半徑減小,云粒子譜分布向小粒徑方向移動(dòng),譜寬變窄。在京津冀地區(qū)的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn),在氣溶膠污染嚴(yán)重的時(shí)期,云粒子譜分布中粒徑小于10微米的云滴數(shù)量顯著增加,而粒徑大于20微米的大云滴數(shù)量明顯減少,云粒子譜分布變得更加集中在小粒徑范圍。長(zhǎng)三角地區(qū)的研究表明,氣溶膠對(duì)云粒子譜分布的影響還與云內(nèi)的垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在云內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域,氣溶膠濃度的增加雖然會(huì)使云滴數(shù)濃度增多,但由于強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)能夠?qū)⒃频屋斔偷讲煌叨龋龠M(jìn)云滴之間的碰并,使得云粒子譜分布相對(duì)較寬,大云滴的數(shù)量相對(duì)較多。在垂直運(yùn)動(dòng)較弱的區(qū)域,氣溶膠濃度的增加會(huì)導(dǎo)致云滴數(shù)濃度過多,云滴之間的碰并效率降低,云粒子譜分布更加集中在小粒徑范圍,大云滴數(shù)量減少。珠三角地區(qū)的觀測(cè)結(jié)果顯示,氣溶膠的化學(xué)成分對(duì)云粒子譜分布也有重要影響。含有較多吸濕性成分的氣溶膠,如硫酸鹽氣溶膠,會(huì)使云滴數(shù)濃度增加,云粒子譜分布向小粒徑方向移動(dòng)。而含有較多大粒徑粒子的氣溶膠,如沙塵氣溶膠,在一定程度上能夠增加大云滴的數(shù)量,使云粒子譜分布更加分散。在受到沙塵影響的時(shí)期,珠三角地區(qū)的暖云中出現(xiàn)了較多的大云滴,云粒子譜分布呈現(xiàn)出雙峰或多峰的特征,除了大量的小云滴外,還存在一定數(shù)量的大云滴。五、影響氣溶膠對(duì)暖云特性作用的因素分析5.1氣象條件的影響5.1.1溫度和濕度的作用溫度和濕度是影響氣溶膠對(duì)暖云特性作用的重要?dú)庀髼l件,它們?cè)诙鄠€(gè)方面調(diào)控著氣溶膠的活化以及與暖云的相互作用。從溫度的角度來看,其對(duì)氣溶膠的活化有著顯著影響。溫度的變化會(huì)改變水汽的飽和蒸汽壓,進(jìn)而影響氣溶膠粒子的活化條件。在較低的溫度下,水汽的飽和蒸汽壓降低,使得氣溶膠粒子更容易達(dá)到過飽和狀態(tài),從而增加云凝結(jié)核的活化幾率。在冬季,氣溫較低,大氣中的水汽更容易在氣溶膠粒子表面凝結(jié),使得氣溶膠作為云凝結(jié)核的活化效率提高,更多的氣溶膠粒子能夠活化為云滴,增加了云滴數(shù)濃度。而在夏季,氣溫較高,水汽的飽和蒸汽壓增大,氣溶膠粒子活化所需的水汽過飽和度相對(duì)較高,云凝結(jié)核的活化幾率可能會(huì)降低。溫度還會(huì)影響氣溶膠與暖云的相互作用過程。在暖云中,溫度的變化會(huì)影響云滴的蒸發(fā)和凝結(jié)過程。當(dāng)溫度升高時(shí),云滴的蒸發(fā)速率加快,如果此時(shí)水汽供應(yīng)不足,云滴可能會(huì)因蒸發(fā)而減小甚至消失,導(dǎo)致云水含量降低。相反,當(dāng)溫度降低時(shí),云滴的凝結(jié)過程增強(qiáng),云水含量可能會(huì)增加。溫度還會(huì)影響云內(nèi)的動(dòng)力學(xué)過程,如上升氣流和下沉氣流的強(qiáng)度和分布。在溫度差異較大的區(qū)域,會(huì)形成熱力對(duì)流,導(dǎo)致大氣的垂直運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),這會(huì)影響氣溶膠在云內(nèi)的傳輸和分布,進(jìn)而影響暖云的發(fā)展。濕度是影響氣溶膠對(duì)暖云特性作用的另一個(gè)關(guān)鍵因素。濕度直接決定了大氣中水汽的含量,而水汽是云形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。較高的相對(duì)濕度提供了更多的水汽來源,有利于氣溶膠粒子的吸濕增長(zhǎng)和活化。當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí),氣溶膠粒子能夠吸收更多的水汽,發(fā)生吸濕增長(zhǎng),粒徑增大,從而更容易活化為云滴。在沿海地區(qū),由于空氣濕度較大,氣溶膠粒子更容易吸濕長(zhǎng)大,形成云滴的可能性增加,云滴數(shù)濃度相對(duì)較高。濕度還會(huì)影響氣溶膠與暖云之間的相互作用過程。在高濕度環(huán)境下,云滴的凝結(jié)和碰并過程更加活躍。較多的水汽使得云滴能夠不斷凝結(jié)增長(zhǎng),同時(shí)云滴之間的碰并效率也會(huì)提高,有利于云滴的長(zhǎng)大和降水的形成。而在低濕度環(huán)境下,云滴的蒸發(fā)作用相對(duì)較強(qiáng),如果水汽供應(yīng)不足,云滴可能會(huì)逐漸減小,云水含量降低,不利于暖云的發(fā)展和降水的形成。濕度還會(huì)影響氣溶膠的化學(xué)組成和物理特性。在高濕度條件下,氣溶膠中的一些化學(xué)成分可能會(huì)發(fā)生溶解和化學(xué)反應(yīng),改變氣溶膠的性質(zhì),進(jìn)而影響其對(duì)暖云的作用。在不同的氣象條件下,溫度和濕度對(duì)氣溶膠與暖云相互作用的影響呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。在高溫高濕的氣象條件下,一方面,較高的溫度可能會(huì)使云滴的蒸發(fā)速率增加,但充足的水汽供應(yīng)又能滿足云滴的凝結(jié)需求,使得云滴能夠不斷增長(zhǎng)。高濕度有利于氣溶膠粒子的活化,增加云滴數(shù)濃度,同時(shí)也會(huì)促進(jìn)云滴之間的碰并過程,使得云滴能夠迅速長(zhǎng)大,可能會(huì)導(dǎo)致降水的形成。在低溫低濕的氣象條件下,較低的溫度雖然有利于氣溶膠粒子的活化,但由于水汽含量不足,云滴的形成和增長(zhǎng)受到限制,云滴數(shù)濃度較低,云水含量也較少,不利于暖云的發(fā)展和降水的產(chǎn)生。在一些特殊的氣象條件下,如鋒面過境、強(qiáng)對(duì)流天氣等,溫度和濕度的變化更加劇烈,對(duì)氣溶膠與暖云相互作用的影響也更為復(fù)雜。在鋒面過境時(shí),冷暖空氣交匯,會(huì)導(dǎo)致溫度和濕度的急劇變化,這會(huì)影響氣溶膠的傳輸和活化,以及暖云的形成和發(fā)展。在強(qiáng)對(duì)流天氣中,強(qiáng)烈的上升氣流會(huì)將大量的水汽和氣溶膠粒子輸送到高空,同時(shí)伴隨著溫度的迅速降低,這會(huì)促進(jìn)云滴的形成和增長(zhǎng),形成強(qiáng)烈的降水天氣。5.1.2風(fēng)場(chǎng)和大氣穩(wěn)定度的影響風(fēng)場(chǎng)和大氣穩(wěn)定度對(duì)氣溶膠的輸送和擴(kuò)散起著關(guān)鍵作用,進(jìn)而顯著影響氣溶膠在暖云中的分布和對(duì)暖云特性的影響效果。風(fēng)場(chǎng)直接決定了氣溶膠的水平輸送路徑和速度。風(fēng)速的大小對(duì)氣溶膠的擴(kuò)散范圍有著重要影響。在強(qiáng)風(fēng)條件下,氣溶膠能夠被快速地輸送到較遠(yuǎn)的地區(qū),其擴(kuò)散范圍顯著擴(kuò)大。在大風(fēng)天氣中,工業(yè)排放的氣溶膠可以被迅速帶出城市,擴(kuò)散到周邊的農(nóng)村地區(qū),使得這些地區(qū)的氣溶膠濃度升高。而在微風(fēng)或靜風(fēng)條

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