華北地區(qū)秋冬季氣溶膠污染與不同類(lèi)型降水的關(guān)系*

肖之盛 繆育聰 朱少斌 于 揚(yáng) 杜曉惠 車(chē)慧正

1. 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京，210044

2. 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京，100081

3. 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都，610225

4. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院大氣環(huán)境研究所，北京，100012

1 引 言

人類(lèi)活動(dòng)排放的氣溶膠是大氣中云凝結(jié)核（CloudCondensation Nuclei，CCN）和 冰 核（Ice Nuclei，IN）的重要來(lái)源，它們可以通過(guò)微物理效應(yīng)促進(jìn)水汽凝結(jié)或凍結(jié)來(lái)影響云的微物理過(guò)程（楊慧玲等，2011；Li，et al，2019；Rosenfeld，et al，2014a）。此外，氣溶膠自身也可以通過(guò)吸收或者散射太陽(yáng)輻射產(chǎn)生輻射效應(yīng)，改變大氣熱力學(xué)條件進(jìn)而對(duì)云的發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生影響（李占清，2020；Sun，et al，2020；Yang，et al，2016）。研究（王東東等，2017；譚楚巖等，2020；Rosenfeld，et al，2014b；Zhao，et al，2020）表明，氣溶膠對(duì)輻射平衡、水文循環(huán)、季風(fēng)強(qiáng)度以及全球氣候變化均有顯著影響。

氣溶膠與降水的相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，不確定性極大，定量評(píng)估也存在嚴(yán)重不足（Fan，et al，2016；Tao，et al，2012）。一般認(rèn)為，隨著氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）的增加，氣溶膠的輻射效應(yīng)可以使到達(dá)地面太陽(yáng)輻射通量減少，導(dǎo)致熱通量和對(duì)流有效位能減少，抑制對(duì)流和降水系統(tǒng)的發(fā)展（Huo，et al，2021）。但是也有研究（Zhou，et al，2018，2020）表明，當(dāng)黑碳等吸收性氣溶膠分布在大氣層底部時(shí)，可以通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射進(jìn)而促進(jìn)對(duì)流和降水過(guò)程的發(fā)展。氣溶膠的微物理效應(yīng)對(duì)降水系統(tǒng)的影響也是多樣的。氣溶膠增多會(huì)導(dǎo)致云滴數(shù)濃度增加，云滴的有效半徑減小，更多更小的云滴會(huì)抑制碰并作用，進(jìn)而抑制暖云發(fā)展和暖雨過(guò)程（Guo X L，et al，2014；Xu，et al，2017）。但更多小云滴可以更容易隨大氣運(yùn)動(dòng)向上輸送，如果達(dá)到凍結(jié)高度則有更多的潛熱釋放，從而進(jìn)一步增強(qiáng)大氣的向上運(yùn)動(dòng)和深對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展，該效應(yīng)被稱(chēng)之為“氣溶膠激發(fā)效應(yīng)”（Rosenfeld，et al，2008）。研究（Dagan，et al，2015；Jiang，et al，2016）發(fā)現(xiàn)，氣溶膠的輻射效應(yīng)和微物理效應(yīng)存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，隨氣溶膠濃度升高氣溶膠的輻射效應(yīng)會(huì)超過(guò)氣溶膠的微物理效應(yīng)，導(dǎo)致氣溶膠對(duì)降水系統(tǒng)由促進(jìn)轉(zhuǎn)為抑制作用。

由于不同類(lèi)型降水的觸發(fā)機(jī)制不同，氣溶膠對(duì)于對(duì)流云降水和層狀云降水的影響也不一樣，一般認(rèn)為氣溶膠會(huì)促進(jìn)對(duì)流云降水的發(fā)展而抑制層狀云 降 水 的 發(fā) 展（Clavner，et al，2018；Fan，et al，2012；Iguchi，et al，2020）。Fan等（2012）利用天氣研究與預(yù)報(bào)（Weather Research and Forecasting，WRF）模式研究了層狀云降水和對(duì)流云降水對(duì)云凝結(jié)核濃度敏感性的差異，發(fā)現(xiàn)云凝結(jié)核增多顯著提高了對(duì)流云降水的強(qiáng)度、云頂高度和區(qū)域累積降水量，但會(huì)抑制層狀云降水的降水強(qiáng)度，且降水發(fā)生延時(shí)。Clavner等（2018）利用云解析模型對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)研究時(shí)也有類(lèi)似的發(fā)現(xiàn)，氣溶膠增強(qiáng)了中尺度對(duì)流系統(tǒng)的對(duì)流云降水，同時(shí)抑制了該系統(tǒng)的層狀云降水。

除此之外，氣溶膠-降水相互作用還受地形（Chen，et al，2021；Guo J P，et al，2014）以及相對(duì)濕度（Jiang，et al，2016）、可降水量（Chakraborty，et al，2018）、對(duì)流有效位能（Storer，et al，2010）、風(fēng)垂直切變（Fan，et al，2009；Lee，et al，2008）、對(duì)流層下部穩(wěn)定度（Yang，et al，2021）、垂直速度（Koren，et al，2010）等氣象要素的影響。陳衛(wèi)東等（2018）發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度升高，當(dāng)水汽供應(yīng)充足（不足）時(shí)，會(huì)促進(jìn)（抑制）降水性粒子形成，降水效率提高（降低）。Guo等（2018）發(fā)現(xiàn)珠江三角洲地區(qū)氣溶膠對(duì)層狀云降水的影響隨氣象條件向有利于降水的方向（高水汽、弱風(fēng)切變和高對(duì)流有效位能）變化可以由負(fù)向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。Iguchi等（2020）發(fā)現(xiàn)在低對(duì)流有效位能情況下氣溶膠對(duì)降水的促進(jìn)作用會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐种谱饔谩?/p>

目前關(guān)于氣溶膠對(duì)中國(guó)華北地區(qū)（36°—42°N，112°—120°E，圖1）降水影響的研究主要集中在夏季深對(duì)流系統(tǒng)。陳衛(wèi)東等（2015）對(duì)北京地區(qū)一次夏季對(duì)流降水模擬研究發(fā)現(xiàn)，適度的氣溶膠濃度可以促進(jìn)北京地區(qū)區(qū)域?qū)α髟平邓?，但氣溶膠濃度過(guò)高則會(huì)抑制降水。然而對(duì)于秋（9、10、11月）、冬（12、1、2月）季的研究以及氣溶膠對(duì)層狀云降水等其他類(lèi)型降水的影響研究極少，且尚沒(méi)有一致的研究結(jié)論，王繼志等（2011）發(fā)現(xiàn)1980—2005年中國(guó)北方地區(qū)雨雪年際變化與氣溶膠光學(xué)厚度的年際變化存在正相關(guān)，但沒(méi)有對(duì)降水類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)且研究時(shí)間較為久遠(yuǎn)。與此同時(shí)，華北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集，秋、冬季空氣污染經(jīng)歷了由重轉(zhuǎn)輕的過(guò)程，為研究氣溶膠對(duì)華北地區(qū)秋、冬季不同類(lèi)型降水的影響提供了良好的契機(jī)。正確理解和認(rèn)識(shí)華北地區(qū)氣溶膠對(duì)不同類(lèi)型降水的影響對(duì)提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和水文循環(huán)具有重要意義。因此，文中利用全球降水觀測(cè)衛(wèi)星（Global Precipitation Measurement，GPM）的雙頻降水（Dual-frequency Precipitation，DPR）雷達(dá)數(shù)據(jù)和MERRA-2再分析資料研究氣溶膠污染與華北地區(qū)秋、冬季對(duì)流云降水和層狀云降水的關(guān)系。

圖1 研究區(qū)域地形 （黑色虛線框；色階：地形高度，單位：m）Fig. 1 Topography in the study area （black dashed line box；shaded：terrain height，unit：m）

2 資料和方法

2.1 資 料

GPM是繼 TRMM 之后的新一代全球降水觀測(cè)衛(wèi)星，其上搭載的雙頻降水雷達(dá)采用 Ku、Ka 雙波段聯(lián)合探測(cè)（Hou，et al，2014）。GPM-DPR資料已被證實(shí)與地基C波段雙偏振雷達(dá)探測(cè)的反射率因子整體一致性較好（蔣銀豐等，2020）。陳愛(ài)軍等（2018）也證實(shí)GPM多星集成降水產(chǎn)品IMERG 能夠較好地反映中國(guó)降水量的空間分布特點(diǎn)。GPMDPR數(shù)據(jù)已廣泛用于研究降水分布特征（Zhang，et al，2018b）、垂直結(jié)構(gòu)（Zhang，et al，2018a）以及氣溶膠對(duì)降水的影響（Zhou，et al，2022）。然而，GPM-DPR衛(wèi)星資料由于其自身反演算法的不完善可能會(huì)導(dǎo)致其在反演降水強(qiáng)度、類(lèi)型及垂直廓線等時(shí)存在一定誤差（Chase，et al，2020）。本研究使用GPM-DPR Ka波段（35.5 GHz）雷達(dá)提供的華北地區(qū)秋、冬季降水強(qiáng)度、雷達(dá)反射率（單位：dBz）、雨頂高度及包括降水粒子粒徑和數(shù)濃度在內(nèi)的粒子譜分布以及潛熱加熱率數(shù)據(jù)。GPM數(shù)據(jù)根據(jù)降水雷達(dá)回波亮帶特征將降水分為對(duì)流云降水、層狀云降水和其他降水。數(shù)據(jù)水平分辨率為5 km × 5 km，垂直分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為1.5 h。

MERRA-2是 NASA 全球建模與同化辦公室（GMAO）在 2016 年發(fā)布的新一代大氣再分析數(shù)據(jù)，時(shí)間為 1980年至今，其包含有大氣氣溶膠、輻射、溫度、水汽等共 21 類(lèi)產(chǎn)品（Gelaro，et al，2017）。MERRA-2的氣溶膠光學(xué)厚度資料在中國(guó)的適用性已被證實(shí)（Che，et al，2019；Sun，et al，2019）。Che等（2019）將MERRA-2再分析資料與AERONET地基觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8，與中國(guó)氣溶膠遙感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.7，雖然與地基觀測(cè)存在差異，但可以基本反映中國(guó)的氣溶膠光學(xué)厚度分布和變化特征。本研究使用MERRA-2提供的華北地區(qū)秋、冬季550 nm波長(zhǎng)的氣溶膠光學(xué)厚度資料，水平分辨率為0.5°×0.625°，時(shí)間分辨率為1 h。 MERRA-2提供的華北地區(qū)秋、冬季的可降水量，985 hPa的垂直速度（W），800 hPa的緯向風(fēng)（U）、經(jīng)向風(fēng)（V），相對(duì)濕度（RH），并利用700和985 hPa的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算了對(duì)流層下部穩(wěn)定度。數(shù)據(jù)水平分辨率為5 km × 5 km，垂直分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為3 h。

上述數(shù)據(jù)時(shí)段均取2014—2021年。

2.2 方 法

由于所用數(shù)據(jù)的水平分辨率和時(shí)間分辨率不同，本研究對(duì)同一時(shí)間內(nèi)發(fā)生相同類(lèi)型降水的格點(diǎn)降水強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均處理，同時(shí)將與降水發(fā)生時(shí)間最接近的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)（時(shí)間差小于0.5 h）和氣象數(shù)據(jù)（時(shí)間差小于1.5 h）進(jìn)行了區(qū)域平均，代表降水所對(duì)應(yīng)的氣溶膠條件和氣象條件。為避免地形的影響，本研究刪除了海拔高度大于200 m和海洋地區(qū)的數(shù)據(jù)。

本研究分析了對(duì)流云降水和層狀云降水的降水強(qiáng)度和雷達(dá)反射率隨氣溶膠光學(xué)厚度的變化情況以及二者的相關(guān)關(guān)系。并將氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)從小到大3等分，將較小的1/3定義為清潔狀態(tài)（對(duì)流云降水AOD＜0.34，層狀云降水AOD＜0.44），較大的1/3定義為污染狀態(tài)（對(duì)流云降水AOD＞0.63，層狀云降水AOD＞0.68）。分析對(duì)流云降水和層狀云降水的強(qiáng)度、雨頂高度等宏觀特征和粒子譜分布、潛熱加熱率等微觀特征在污染和清潔狀態(tài)下的差異，并嘗試從氣象因素的角度來(lái)解釋出現(xiàn)這種差異的原因。

3 氣溶膠對(duì)不同類(lèi)型降水宏觀特征的影響

3.1 不同類(lèi)型降水強(qiáng)度和AOD的相關(guān)關(guān)系

對(duì)流云降水和層狀云降水的強(qiáng)度隨氣溶膠光學(xué)厚度的變化如圖2所示。可以看出當(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度從0.1增加至1.3時(shí)，對(duì)流云降水的強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)，二者的相關(guān)系數(shù)（R）為0.31（通過(guò)了99%顯著性t檢驗(yàn)）。與之前的研究不同，本研究沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣溶膠對(duì)于層狀云降水的抑制作用，層狀云降水的強(qiáng)度隨氣溶膠光學(xué)厚度增加呈波動(dòng)變化，相關(guān)系數(shù)（R）為-0.01，沒(méi)有通過(guò)顯著性t檢驗(yàn)，說(shuō)明層狀云降水的強(qiáng)度與氣溶膠光學(xué)厚度不存在相關(guān)關(guān)系，表明氣溶膠對(duì)于華北地區(qū)秋、冬季對(duì)流云降水的影響比其對(duì)層狀云降水的影響要強(qiáng)。除此之外，當(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度大于1.3時(shí)，對(duì)流云降水和層狀云降水的強(qiáng)度都有明顯下降，可能是氣溶膠輻射效應(yīng)對(duì)降水抑制的結(jié)果（Wang，2013）。

圖2 層狀云降水和對(duì)流云降水平均降水強(qiáng)度隨氣溶膠光學(xué)厚度變化及其相關(guān)關(guān)系 （誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)差，**表示通過(guò)99%顯著性t檢驗(yàn)）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）

與圖2所發(fā)現(xiàn)結(jié)果類(lèi)似，從不同類(lèi)型降水的氣溶膠光學(xué)厚度和降水強(qiáng)度分格點(diǎn)相關(guān)系數(shù)累積頻率分布（圖3）可以看出，研究區(qū)域內(nèi)氣溶膠光學(xué)厚度和層狀云降水的強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)集中在-0.25至0.25，分布較為均勻并且沒(méi)有明顯的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)偏移，約65%格點(diǎn)的對(duì)流云降水的強(qiáng)度與氣溶膠光學(xué)厚度為正相關(guān)，進(jìn)一步表明氣溶膠可能對(duì)華北地區(qū)對(duì)流云降水有一定的促進(jìn)作用。

圖3 層狀云降水 （a） 和對(duì)流云降水 （b） 降水強(qiáng)度與氣溶膠光學(xué)厚度分格點(diǎn)相關(guān)系數(shù)頻率 （柱） 和累積頻率 （曲線） （綠實(shí)線為0，紅虛線為50%累積頻率值，左側(cè)坐標(biāo)軸為頻率，右側(cè)坐標(biāo)軸為累積頻率）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 氣溶膠污染對(duì)不同類(lèi)型降水雷達(dá)反射率、降水強(qiáng)度和雨頂高度的影響

不同類(lèi)型降水雷達(dá)反射率分布范圍、最大值和均值隨氣溶膠光學(xué)厚度變化（圖4）表明，雖然氣溶膠光學(xué)厚度增加對(duì)對(duì)流云降水和層狀云降水的雷達(dá)反射率均值影響不大，但對(duì)最大值影響明顯，均呈現(xiàn)雷達(dá)反射率最大值隨AOD增大先增后減的趨勢(shì)，只是對(duì)流云降水拐點(diǎn)處的AOD值比層狀云降水大。隨AOD變化，對(duì)流云降水的雷達(dá)反射率變化幅度比層狀云降水大，AOD在0.6上下兩種降水雷達(dá)反射率頻率最為集中，且對(duì)流云降水有更大的雷達(dá)反射率。

圖4 層狀云降水 （a） 和對(duì)流云降水 （b） 平均雷達(dá)反射率頻率 （色階，單位：%） 及 （c） 反射率最大值 （虛線，單位：dBz） 和平均值 （實(shí)線，單位：dBz） 隨氣溶膠光學(xué)厚度的變化 （c中藍(lán)色代表層狀云降水，紅色代表對(duì)流云降水，誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)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）

由對(duì)流云和層狀云降水的降水強(qiáng)度和雨頂高度在污染和清潔狀態(tài)下的差異（污染減清潔）累積頻率分布（圖5）可以看出，相比層狀云降水，污染狀態(tài)下的對(duì)流云降水強(qiáng)度更大，雨頂高度更高。污染和清潔狀態(tài)下二者最大差值分別為10 mm/h和7 km，而層狀云降水的強(qiáng)度在污染和清潔狀態(tài)下的差異集中在-1—1 mm/h，雨頂高度差異集中在-2—2 km，并且沒(méi)有明顯正負(fù)偏移趨勢(shì)。表明氣溶膠污染對(duì)對(duì)流云降水宏觀特性的影響可能比層狀云降水更顯著。

圖5 層狀云降水和對(duì)流云降水在污染和清潔狀態(tài)下 （a） 雨頂高度 （H） 和 （b） 降水強(qiáng)度 （R） 差異的頻率 （柱） 和累積頻率 （曲線）（左側(cè)坐標(biāo)軸為頻率，右側(cè)坐標(biāo)軸為累積頻率）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 氣溶膠污染對(duì)不同類(lèi)型降水微觀特征的影響

氣溶膠可以影響云-降水系統(tǒng)粒子譜分布，進(jìn)而影響其發(fā)展過(guò)程。圖6給出了對(duì)流云降水和層狀云降水在污染和清潔狀態(tài)下降水粒子粒徑和數(shù)濃度的平均緯向和經(jīng)向垂直剖面差異（污染減清潔）?？梢钥闯?，無(wú)論是降水粒子粒徑或是粒子數(shù)濃度，對(duì)流云降水在污染和清潔狀態(tài)下的變化幅度比層狀云降水系統(tǒng)更大，層狀云降水粒子粒徑大小和數(shù)濃度在污染和清潔狀態(tài)下的差異很小，看不到明顯的增強(qiáng)或抑制信號(hào)，粒子粒徑為-0.1—0.1 mm，粒子數(shù)濃度為-2—2 m-3mm-1（圖6a、b）。而氣溶膠光學(xué)厚度對(duì)對(duì)流云降水粒子譜分布的影響較為明顯，對(duì)流云降水在污染狀態(tài)下的粒子數(shù)濃度更高但是粒徑更?。▓D6c、d）。

潛熱加熱率的大小是水汽凝結(jié)或凍結(jié)過(guò)程強(qiáng)弱的表征。圖7展示了對(duì)流云降水和層狀云降水在污染和清潔狀態(tài)下潛熱加熱率的差異（污染減清潔）平均緯向和經(jīng)向垂直剖面。相比于層狀云降水，對(duì)流云降水在污染狀態(tài)下具有更高的潛熱加熱率，表明污染狀態(tài)下對(duì)流云降水的潛熱釋放更強(qiáng)。圖6和7表明氣溶膠光學(xué)厚度與華北地區(qū)秋、冬季對(duì)流云降水的關(guān)系與“氣溶膠激發(fā)效應(yīng)”一致（Fan，et al，2016；Zhao，et al，2018），即污染狀態(tài)下產(chǎn)生更多更小的降水粒子隨大氣運(yùn)動(dòng)到0℃層以上，更多的粒子凝結(jié)和凍結(jié)形成更強(qiáng)的潛熱釋放，促進(jìn)深對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展，表現(xiàn)為更強(qiáng)的降水強(qiáng)度和更高的雨頂高度，但污染狀態(tài)下的層狀云降水沒(méi)有看到類(lèi)似特征。

圖6 層狀云降水 （a、b） 和對(duì)流云降水 （c、d） 在污染和清潔狀態(tài)下降水粒子粒徑 （等值線，單位：mm） 和數(shù)濃度 （色階，單位：m-3mm-1） 參數(shù)差異的垂直剖面 （污染減清潔，a、c為緯向平均，b、d為經(jīng)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）

圖7 同圖6，但為潛熱加熱率 （單位：K/h）Fig. 7 Same as Fig. 6 but for latent heating rate （unit：K/h）

5 氣象條件對(duì)氣溶膠污染與降水關(guān)系的影響

氣象條件對(duì)氣溶膠-降水相互作用有重要影響，甚至可以改變降水對(duì)氣溶膠變化的響應(yīng)趨勢(shì)（Guo，et al，2018；Iguchi，et al，2020）。本研究分別從大氣水汽條件、熱力條件和動(dòng)力條件考察氣象因素和兩種類(lèi)型降水的關(guān)系。

圖8給出了對(duì)流云降水、層狀云降水的降水強(qiáng)度與可降水量和800 hPa相對(duì)濕度的相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯鰧訝钤平邓膹?qiáng)度與可降水量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.25，而對(duì)流云降水基本與其不存在相關(guān)。對(duì)于相對(duì)濕度，雖然對(duì)流云降水的強(qiáng)度與800 hPa相對(duì)濕度也存在正相關(guān)，但相比層狀云降水其相關(guān)系數(shù)要小，說(shuō)明相比于對(duì)流云降水，層狀云降水更容易受到大氣可降水量和800 hPa相對(duì)濕度的影響，更高的水汽含量對(duì)層狀云降水的促進(jìn)作用要大于對(duì)流云降水。

圖8 層狀云降水 （a、b） 和對(duì)流云降水 （c、d） 的降水強(qiáng)度與800 hPa相對(duì)濕度 （a、c） 及可降水量 （b、d） 的相關(guān)關(guān)系（*表示通過(guò)95%顯著性t檢驗(yàn)，**表示通過(guò)99%顯著性t檢驗(yàn)）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）

圖9進(jìn)一步分析了與水汽輸送有關(guān)的800 hPa緯向風(fēng)（U）和經(jīng)向風(fēng)（V）與對(duì)流云降水和層狀云降水降水強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)層狀云降水和對(duì)流云降水受經(jīng)向風(fēng)影響不大，二者的降水強(qiáng)度與800 hPa的經(jīng)向風(fēng)基本不相關(guān)。但是相比于對(duì)流云降水，層狀云降水與緯向風(fēng)的負(fù)相關(guān)系數(shù)更大，說(shuō)明更強(qiáng)的東風(fēng)會(huì)使層狀云降水具有更大的強(qiáng)度。與圖8的結(jié)果一致，華北地區(qū)東部受海洋影響，更強(qiáng)的東風(fēng)可能會(huì)帶來(lái)更多的水汽，有利于降水系統(tǒng)發(fā)展。

圖9 同圖8，但為800 hPa緯向風(fēng) （a、c） 和經(jīng)向風(fēng) （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

中低層垂直速度是大氣垂直運(yùn)動(dòng)的表征，與降水系統(tǒng)發(fā)展關(guān)系密切（邱粲等，2017）。圖10a和c給出了層狀云降水和對(duì)流云降水的強(qiáng)度和985 hPa垂直速度（W）的相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯鰧訝钤平邓葘?duì)流云降水更容易受到區(qū)域平均垂直速度的影響，表現(xiàn)出更顯著的正相關(guān)關(guān)系。更大的垂直速度可能會(huì)增強(qiáng)層狀云降水的強(qiáng)度，而985 hPa處的垂直速度與對(duì)流云降水的強(qiáng)度相關(guān)很弱。對(duì)流層下部穩(wěn)定度是大氣穩(wěn)定度的表征，更高的對(duì)流層下部穩(wěn)定度代表了更穩(wěn)定的大氣，層狀云降水強(qiáng)度與其相關(guān)系數(shù)（R）為-0.3，對(duì)流云降水強(qiáng)度與其相關(guān)略弱于層狀云降水，相關(guān)系數(shù)（R）為-0.26。 說(shuō)明穩(wěn)定的大氣對(duì)于對(duì)流云降水和層狀云降水均具有一定抑制作用，高對(duì)流層下部穩(wěn)定度不利于降水系統(tǒng)的發(fā)展，且層狀云降水受到對(duì)流層下部穩(wěn)定度的影響可能更大。

圖10 同圖8，但為985 hPa垂直速度 （a、c） 和對(duì)流層下部穩(wěn)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）

綜上所述，層狀云降水更容易受到大氣水汽條件和垂直上升運(yùn)動(dòng)的影響。自然降水過(guò)程中，氣溶膠污染對(duì)華北地區(qū)層狀云降水的影響很難通過(guò)GPM-DPR數(shù)據(jù)和MERRA-2數(shù)據(jù)分析出。

6 結(jié)論與討論

正確認(rèn)識(shí)氣溶膠對(duì)華北地區(qū)秋、冬季不同類(lèi)型降水的影響對(duì)華北氣象預(yù)報(bào)和水文循環(huán)研究具有重要意義，本研究利用GPM-DPR和MERRA-2數(shù)據(jù)分析了氣溶膠污染與華北地區(qū)2014—2020年秋、冬季對(duì)流云降水和層狀云降水的關(guān)系，得出如下主要結(jié)論：

（1）氣溶膠污染與華北地區(qū)秋、冬季對(duì)流云降水存在正相關(guān)關(guān)系。與清潔狀態(tài)相比，污染狀態(tài)下對(duì)流云降水具有更高的雨頂高度和更強(qiáng)的降水強(qiáng)度。氣溶膠污染與層狀云降水不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

（2）氣溶膠污染與對(duì)流云降水的相關(guān)可能與“氣溶膠激發(fā)效應(yīng)”有關(guān)。在污染狀態(tài)下，對(duì)流云中有更多更小的降水粒子，可以通過(guò)釋放更多潛熱促進(jìn)對(duì)流云降水系統(tǒng)的發(fā)展。

（3）氣象條件對(duì)華北地區(qū)氣溶膠對(duì)降水系統(tǒng)的作用有重要影響。層狀云降水比對(duì)流云降水更易受到大氣水汽條件和垂直上升運(yùn)動(dòng)的影響。自然降水過(guò)程中氣溶膠污染對(duì)華北地區(qū)層狀云降水的影響很難通過(guò)GPM-DPR和MERRA-2數(shù)據(jù)分析出。

由于氣溶膠-降水相互作用是一個(gè)高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，氣溶膠和各種氣象因素的綜合作用導(dǎo)致本研究中所展示的單一變量與降水強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)偏小。本研究所使用的GPM-DPR衛(wèi)星觀測(cè)資料和MERRA-2再分析資料也無(wú)法將氣溶膠和氣象因素對(duì)層狀云以及對(duì)流云降水的影響完全分離并進(jìn)行定量分析。此外，由于GPM-DPR衛(wèi)星觀測(cè)資料對(duì)降水的反演及降水類(lèi)型的分類(lèi)存在一定誤差，且 MERRA-2再分析資料的AOD數(shù)據(jù)也不能完全真實(shí)地反映研究區(qū)域內(nèi)氣溶膠的分布情況，導(dǎo)

致本研究的結(jié)果存在一定不確定性。本研究所使用的相關(guān)分析方法只能證實(shí)氣溶膠和氣象因素、降水強(qiáng)度之間存在一定聯(lián)系，但無(wú)法確定因果及具體物理機(jī)制。文中僅通過(guò)分析多源資料得到一些關(guān)于氣溶膠污染與降水關(guān)系的假設(shè)，在后續(xù)研究中，將考慮結(jié)合數(shù)值模式評(píng)估氣溶膠對(duì)不同類(lèi)型降水的影響，進(jìn)一步證實(shí)相關(guān)假設(shè)。