大量观测研究表明,降水云与非降水云的雷达反射率存在阈值(Threshold radar
reflectivity),当云的雷达反射率大于该阈值时,就可以形成降水;相反云的雷达反射率小于该阈值,则不能形成降水;但是该雷达反射率阈值存在许多不同的值,比如
-15dBZ, -17dBZ,-20dBZ等,其变化机理是一个非常复杂的问题。

一项由中外科学家完成的突破性研究于2019年1月17日在线发表在国际顶级期刊《Science》上
(
droplet concentrations dominate coverage and water of oceanic low level
clouds”),该研究阐明了空气污染对全球变暖的影响。该研究表明气溶胶驱动的液滴浓度是主导海洋低层云的覆盖和水的重要因素。对海洋上的云凝结核气溶胶缺乏可靠估计严重限制了人们通过反射太阳辐射来量化它们对云特性和冷却程度的影响的能力,这是人为气候强迫的一个关键不确定因素。研究人员在该文章中介绍了一种将云属性归因于CCN并将气溶胶效应与气象效应隔离开来的方法。
它的应用表明,对于给定的气象学,CCN解释了云辐射冷却效应的3/4变化,主要是通过影响浅云覆盖和水路径。
这表明云辐射对CCN的敏感性比先前报道的要高得多,这意味着如果将CCN纳入目前的气候模型中,则会导致冷却过度。这暗示了未知的补偿气溶胶变暖效应可能通过深层云层。

大气气溶胶颗粒可以吸收环境中的水汽形成云滴,改变云层对太阳辐射的反射率以及云层在大气中的停留时间,继而影响大气能量辐射平衡和气候变化。由于气溶胶颗粒组分多样性,时空分布多变性,以及气溶胶颗粒-云-辐射存在复杂的非线性关系,气溶胶与云之间的相互作用一直是评估气候系统辐射强迫作用的最不确定因子。如何减少这种不确定性以及评估气溶胶颗粒对云滴形成的影响依然是预测气候变化的难点和挑战。

最近,地球环境研究所解小宁等发表在Chinese Physics B上(Xie and Liu, 2010,
Spectral dispersion of cloud droplet size distributions and radar
threshold reflectivity for drizzle. Chinese Physics B, 19,
109201)的研究成果从第一性原理出发,发现该雷达反射率阈值不仅与云滴的粒子数浓度有关,而且与云滴尺度分布的相对离散度有着一定的关系(随着云滴的粒子数浓度的增大,雷达反射率阈值增加;同样云滴尺度分布的相对离散度增加,也会带来雷达反射率阈值增加)。因此,随着气溶胶的增多,云滴的粒子数浓度和云滴尺度分布的相对离散度都相应的增加,进而会使得降水云与非降水云的雷达反射率阈值提高;换句话说,污染越严重,则该雷达反射率阈值则越高。这一结果有助于提高我们对云和降水相互作用以及气溶胶间接效应的认识。

全球变暖可能导致的气候变化,直接影响的人类生活方式。由人为排放的温室气体引起全球变暖是目前的共识,因此需要向可再生能源过渡以减轻这些排放带来的影响。然而,时至今日,全球变暖的量化评估仍存在很大的不确定性,变暖的幅度在1.5到4.5度之间,而每增加一度就会带来更大的风险。

中国科学院广州地球化学研究所王新明学科组研究员毕新慧和博士林钦浩在国际上率先使用地用逆流虚拟撞击器—单颗粒气溶胶质谱仪(GCVI-SPAMS)联用技术实现了在地面对单个活性雾滴的在线观测,首次发现黑碳可以作为活性雾滴的重要凝结核,成果在J.
Geophys. Res

上发表。之后,该团队将同样的技术应用于海拔1690米的高山上,对山帽云单个活性云滴颗粒进行了在线观测。研究分析了三个云事件23611个云滴残余物颗粒:发现老化的黑碳颗粒在云滴残余物中占比最大,约50%;其次是生物质燃烧颗粒,约34%;其它颗粒类型包括Dust,Amine,Fe,Pb,OC以及Na-rich等所占的比例较小,在0.5-4.1%之间。而且云滴残余物当中不同类型颗粒的占比受气团来源影响非常大。当气团来自中国北方时,老化黑碳颗粒的占比高达60%。当气团来自西南方向的东南亚地区时,老化黑碳颗粒的占比降低,生物质燃烧颗粒的贡献大幅增加,达到50%以上;有机胺颗粒的比例也显著上升。充分证实即使在没有任何人为活动的高山上,黑碳颗粒仍是活性云滴的重要凝结核。

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此研究指出人类活动排放产生的气溶胶颗粒污染对地球降温作用可以部分抵消温室气体引起的全球变暖。研究表明,气溶胶通过对云的影响从而产生的气候系统冷却作用比以前评估的要大得多。气溶胶是悬浮在空气中的微小颗粒,可以由自然形成,也可人为形成(如自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放产生的烟雾,
即灰霾)。气溶胶作为云凝结核,当空气抬升和冷却时,水蒸气凝结在气溶胶颗粒上并形成云滴。云是通过空气抬升和冷却的气象过程形成,但云的微物理结构很大程度上由气溶胶决定。当空气中存在大量气溶胶颗粒物,所形成的云是有大量的小云滴组成的,云滴越小通过碰并产生的云滴的时间越长。因此,被污染的云含有更多的云水、存在时间更长、覆盖范围更大,从而将更多来自太阳的能量反射回太空,导致地球降温效应。

研究还发现:云滴残余物中硫酸盐与K-rich , OC , Aged EC , Fe 和Amine
颗粒的混合程度较高,而硝酸盐与Pb , Fe , Na-rich 和Dust
的混合程度较高。云滴残余物中硝酸盐的强度明显高于晴天环境颗粒,但弱于间隙颗粒;而硫酸盐的强度明显弱于晴天环境颗粒。该研究的观测结果为深入研究气溶胶颗粒的云活性及模型预测其间接气候效应提供了重要信息。该研究受到国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金以及广东省领军人才项目的资助。相关论文发表在Atmospheric
Chemistry and Physics
杂志。

降水云与非降水云的雷达反射率阈值是云滴数浓度以及云滴谱的相对离散度的递增函数

在这项研究之前,由于无法将云的抬升的影响与决定云的属性的气溶胶的影响分离,因此无法准确评估气溶胶对云的影响所产生的气候效应。此研究团队通过开发同时计算云的抬升速度和云微物理参数的卫星反演算法,并将这些反演算法应用于海洋性低云研究。发现气溶胶导致云水含量和云区覆盖范围显着增加,远超出目前的认识,并且具有比先前认识更大的冷却效应。

论文信息:Lin, Qinhao; Zhang, Guohua; Peng, Long; Bi, Xinhui; Wang,
Xinming; Brechtel, Fred J.; Li, Mei; Chen, Duohong; Peng, Ping’an;
Sheng, Guoying; Zhou, Zhen. In situ chemical composition measurement of
individual cloud residue particles at a mountain site, southern China.
Atmospheric Chemistry and Physics
, 17, 8473–8488, 2017.

研究团队认为,在全球变暖的大背景不变的情况下,如果气溶胶确实导致比先前估计更大的冷却效应,为了抵消这部分冷却效应,那么当前温室气体的变暖效应也应该比先前的估计更大。因为温室气体会在大气中累积,而气溶胶浓度不会增加,甚至可能随着清洁能源的普及而降低。清洁能源产生的气溶胶较少,而温室气体的排放量不变的情况下,未来变暖的趋势更加明显,这意味着未来的变暖比以前的估计更大。此外,研究团队还提出了一种更有可能但尚未证实的可能性——深厚云和高云带来的加热效应也可能抵消了低云的冷却效应。

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无论哪种可能性,结论都是一样的。目前全球气候预测中没有全面考虑到气溶胶对云的巨大影响和由此产生的气候效应,这导致目前对全球变暖的量化评估存在很大不确定性,此研究的出现可以更准确的量化评估气溶胶影响云而带来的气候效应,提高未来气候预测的准确性。

图1. 云滴残余物中不同类型颗粒的占比

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