氣溶膠對層積云微物理特性和液態水路徑的影響

近年來，人類活動對氣候的影響越來越受到關注。研究表明,人類活動排放的氣溶膠粒子可以通過散射和吸收太陽輻射直接影響氣候;也可以作為云凝結核,改變云的微物理屬性和降水,間接影響氣候。后者被稱為氣溶膠的間接氣候效應。過去幾十年里,有很多科學家致力于氣溶膠間接氣候效應的研究。Twomey提出,如果云的液態水含量保持不變,當氣溶膠數目增加時,云滴數濃度會增加,產生大量小云滴,從而對太陽光的反射更強。這被稱為第一間接效應,或Twomey效應。人們曾試圖用不同的方法監測第一間接效應,發現在輪船經過的區域,云對太陽光的反射更強,其原因是輪船排放的氣溶膠粒子作為云凝結核,使得云滴數目增多,云滴尺度減小。這是Twomey效應的有力證據。Kaufman等研究亞馬遜地區煙塵氣溶膠對云微物理屬性的影響,發現濃密的煙塵可以使遙感測得的云滴尺度由15μm減小到9μm。Ramanathan等綜合幾個區域的飛機觀測數據,也得到氣溶膠數濃度增加導致云滴數濃度增加的結論。Bréon等利用衛星數據證實氣溶膠對云的微物理屬性的影響顯著,并且是全球性的。同樣,Feingold等利用地基遙感數據,證明邊界層云中存在第一間接效應。Twohy等對東北太平洋上9個層積云的觀測數據進行分析,發現云滴數濃度與云下的氣溶膠(直徑大于0.10μm)數濃度高度正相關。氣溶膠增加使云滴數目增多,云滴尺度減小。在這一理論基礎上,Albrecht提出氣溶膠濃度增加會使云滴之間的碰并效率很低,從而抑制了降水,云的液態水路徑LWP(liquidwaterpath,即云中液態水含量在垂直方向的積分)將增加,云量也增加,從而對太陽光的反射增強。這被稱為氣溶膠的第二間接氣候效應。然而,在過去二十多年的研究中,人們就氣溶膠對LWP的影響仍然沒有達成共識。Jiang等研究顯示,與干凈的云的個例相比,污染物的存在可以減小云的LWP。其原因是污染物使得云底的降水減少,相應的云下雨滴蒸發對氣層的冷卻效應減弱,地面到云底的氣層變得更加穩定,使得來自地表的水汽向上的通量減少,云的發展受到抑制。Twohy等得出結論:與干凈的云相比,污染的云內部云滴數濃度較高,云滴有效半徑相對較小,但是并沒有觀測到云的可見光波段的反照率有變化,所以可能是由于LWP的差異造成的。Coakley等對一個固定區域的衛星數據進行調查,發現在輪船經過的區域LWP比環境云內的LWP低。Han等利用衛星數據得到結論:LWP與氣溶膠數濃度可以是正相關關系,也可以是負相關關系,但是在暖季或者是溫暖的地區主要是負相關關系。Twohy等得到結論:盡管大尺度環境的變化能夠造成云的宏觀屬性有較大變化,但是仍可以觀測粒子數濃度與云的LWP之間存在較弱的反相關關系,而且毛毛雨滴的大小與云下的氣溶膠數濃度也成反相關。Lee等對平均液態水路徑50g/m2的薄云進行研究,提出在氣溶膠濃度很高的情況下,云滴數濃度、凝結過程以及動力過程的強烈相互作用決定了氣溶膠對LWP的影響程度。氣溶膠濃度增加導致云滴數濃度增加,于是提供更多的水汽凝結所需要的表面,凝結的液態水更多,進而釋放更多的潛熱,加強上升氣流。在Lee等研究的有降水到達地面的兩個個例中,氣溶膠增加導致LWP增加。本文利用云探測衛星CloudSat和中等分辨率成像分光輻射計MODIS(moderate-resolutionimagingspectroradiometer)數據分析氣溶膠對海洋性層積云的影響,是對CloudSat數據的具體應用。1數據和方法的介紹1.1計算云后向散射強度的數據云探測衛星CloudSat裝載了94GHz(3mm波段)云雷達(cloudprofilingradar,簡稱CPR)。CPR使CloudSat具有同時探測云粒子和降水粒子、提供云垂直結構的獨一無二的能力。CloudSat的另一個優勢在于,它可以聯合下午系列星群A-Train(afternoontrain)中其他衛星搭載的儀器獲得的數據資料,研究云和氣溶膠的相互作用。CloudSat搭載的CPR是垂直向下觀測的雷達(nadir-lookingradar),能夠測量云的后向散射強度(可探測到的最小信號強度是-30dBZe)。CloudSat衛星繞地球一周稱為一個掃描軌道,一個軌道的掃描時間大約99分鐘,每個軌道上約有36380個星下像素點,每個像素點的星下點波束覆蓋范圍(footprint)近似是橫軌(acrosstrack)測量范圍1.3km,沿軌(along-track)測量范圍1.7km,垂直分辨率為500m。每個剖面上有125個垂直層,每層厚度為240m。本文使用的是CloudSatlevel22B-CWC-RVOD數據產品,該產品是根據level1直接觀測到的數據產品結合level22B-TAU中云的可見光波段光學厚度反演得到,因此該產品描述一個垂直剖面的特征。該產品包括物理量云液態水含量(LWC)、冰水含量(IWC),液態云滴的有效半徑、冰晶有效半徑以及CPR探測到的相應的柱內的總含水量。如果整個柱內均為液態水,探測的物理量即LWP,若為整個柱內均為冰相,則探測的柱內的總含水量為冰水路徑IWP。Barker等認為CloudSat的CPR對低云具有較好的探測能力。他們將CloudSat反射率數據及其反演產品與飛機觀測數據進行對比,發現低云的雷達反射率觀測很一致,并得出結論:CloudSat對LWC和可見光消光系數的估計偏小,對粒子有效半徑的估計偏大。目前,人們對CloudSat云物理特性反演產品的質量沒有達成共識,比較流行的說法是W波段CPR反演云特性具有較大的不確定性。1.2氣溶膠光學厚度Aqua上搭載儀器MODIS,MODISlevel2MOD04/MYD04數據提供氣溶膠的光學厚度信息。在海洋上的無云區,MODIS反演氣溶膠屬性的水平分辨率為10km。Remer等對業務上使用的海洋上的氣溶膠反演算法進行了初步評估,結果表明MODIS氣溶膠反演算法反演氣溶膠光學厚度精確度高。MODIS的level2MOD06數據提供LWP信息。氣溶膠光學厚度τa代表太陽輻射經過氣溶膠柱后的衰減狀況,在一定程度上可以反應氣溶膠的柱濃度。Bréon等研究表明,和氣溶膠光學厚度相比,氣溶膠指數(aerosolindex)更適合代表氣溶膠柱濃度,與云滴尺度的相關性更好。但是由于資料的限制,本文仍然利用MODIS的氣溶膠光學厚度來反映氣溶膠的濃度。1.3氣溶膠光學厚度本文的研究地點選取太平洋東部副熱帶地區(15?—40?N,135?—120?W),原因是觀測資料顯示該區域經常覆蓋大面積層積云。使用數據有CloudSat云雷達2B-CWC-RVOD中云滴數濃度(Nd)、云滴有效半徑(re)、LWP和MODISlevel2的氣溶膠光學厚度。因為CloudSat落后于Aqua不足120s,因此近似視為同時經過同一區域。本文的研究時間限定2007年和2008年,其中衛星過境天數為2007年155天,2008年149天。去除無云和有冰云的數據后,有層積云出現的天數分別是2007年15天,2008年22天,共37天。本文對這37天的數據進行分析。當有云出現時,利用被動遙感定量監測云下氣溶膠濃度目前還沒有有效的手段和方法。到目前為止,利用遙感方式同時探測同一區域的氣溶膠和云滴的時空分布仍然是一個難題。過去對氣溶膠的間接氣候效應研究,有的采用準同步觀測,有的以觀測瞬間相鄰區域的氣溶膠濃度代表云區氣溶膠濃度。本文采用后一種方法,并以垂直方向云滴有效半徑的均值表示云區云滴有效半徑,以垂直方向云滴數濃度的均值表示云區的云滴數濃度(圖1)。2結果分析2.1云區云滴有效半徑的空間變化CloudSat能夠提供層積云的微物理屬性。圖1和2為層積云典型個例。圖1(a)顯示研究區域的層積云的云滴數濃度在垂直方向上變化不大,而在水平方向卻很大。圖2(a)同樣說明了這一點。所以下文以垂直柱內云滴數濃度的均值表示云區云滴數濃度比較合理。但是圖1(b)和圖2(b)則顯示云滴有效半徑在垂直方向上有很大的變化,在LWP很大時,有效半徑可以隨著高度遞減。而以前的研究顯示:當云內沒有毛毛雨滴出現時,有效半徑通常隨著高度的增加而增加;當云內有降水出現時,云滴有效半徑的垂直梯度相對較小,當降水率達到0.1mm/h時,有效半徑的垂直梯度甚至可以是負的。由于被動遙感云頂云滴有效半徑的觀測更為準確,因此以前的氣溶膠與云的相互作用的研究通常用云頂的云滴有效半徑。本文以垂直柱內云滴有效半徑的均值表示云區的云滴有效半徑。2.2云滴數目和云滴有效半徑本文選擇氣溶膠濃度有明顯差異的兩天觀測數據進行比較。2007年12月1日研究區域氣溶膠的濃度明顯低于2007年1月1日(圖3(a))。但是沒有發現這兩天的云滴數濃度和云滴有效半徑有明顯差別(圖3(a)和3(b))。對研究區域2007年和2008年所有有層積云出現的數據進行處理,選取LWP相近的數據進行分析,結果如圖4所示。在LWP相近時,增加氣溶膠會導致云滴數目增多,云滴有效半徑減小,總體上氣溶膠的效應并不顯著;但增加氣溶膠有時也會導致云滴數目減少,云滴尺度增大。這說明對所研究區域的層積云,在所研究的氣溶膠光學厚度范圍內,氣溶膠的增加對云的影響較小。2.3lwp數據處理第1種方法,和以前的研究工作一樣,以星下點LWP數據為中心,在給定區域內(這里以0.5°作為半徑)選擇離它最近的τa數據作為云區的τa。圖6(a)顯示在氣溶膠濃度低對應較大的LWP的變化,而氣溶膠濃度高對應較小的LWP的變化。這可能意味著氣溶膠濃度比較低時,有毛毛雨滴形成會引起LWP發生較大的改變。圖6(a)中,LWP大體上隨著τa的增加而遞減。然而這種方法存在一定的缺點,即由于沒有辦法準確測量云內氣溶膠的光學厚度,τa的分辨率又比LWP的小,因此可能掩蓋真相(LWP和τa的關系)。第2種方法,以τa數據為中心,選擇一定區域內(這里是半徑為0.5°的圓區)距離τa格點數據最近的LWP數據與τa數據進行匹配。結果如圖6(b)所示,和第1種處理方法所給出的結果非常相像。但這種方法也有一定的弊端。當圓區的半徑取值很小時(比如0.05°),因為只能獲得云區以外的τa數據,且LWP大值出現在云區中心,所以導致沒有大的LWP數據出現。也就是說,研究的區域只能限定于云區的邊緣。3氣溶膠對lwp的影響本文對CloudSat云雷達數據進行分析,發現云內LWP的不均一性很大。另外,CloudSat反演的LWP明顯高于MODIS反演的結果。和LWP一樣,暖性層積云內的云滴數濃度在水平方向的變化也很大,然而其垂直分布相對比較均一。本文還利用CloudSat的云雷達數據和MODIS氣溶膠數據考察了氣溶膠對層積云的影響,結果顯示,當固定LWP時,氣溶膠增加會使得云滴數目增多,云滴尺度減小,但影響并不顯著。由于云中液態水路徑本身變化極大,導致氣溶膠對液態水路徑的影響很難和云中液態水路徑本身的變化分離開。本文發現氣溶膠對云的微物理屬性的影響及對LWP的影響并不顯著,原因可能有幾點。一是用氣溶膠的光學厚度來表示氣溶膠的數濃度不太合適。二是CloudSat反演的LWP數據可能還存在許多不確定性。關于CloudSat的液態水含量,Austin等結合云雷達和光學厚度數據進行LWP反演,然后將反演所得結果與微波輻射計反演得到的LWP進行比較,結果顯示前者比后者偏高。三是與氣溶膠對LWP的影響相比,云中液態水路徑由于動力過程的影響本身變化極大,導致氣溶膠對液態水路徑的影響很難和云中液態水路徑本身的變化分離開?？傊?氣溶膠對云的影響目前還存在很多爭議,還需要