气溶胶与云相互作用的研究进展
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本文简要介绍了气溶胶与云的相互作用原理及
其 国 内外 主 要 研 究 进 展 ，并 对 我 国 未 来 气 溶 胶 与 云 相互作用的研究重点和难点进行了展望。
2 气溶胶与云的相互作用
2 .1 气溶胶与云相互作用过程 气溶胶的间接辐射强迫作用表现为气溶胶与云
的 相 互作 用 ，具 体 来 讲 就 是 气 溶 胶 可 以 通 过 参 与 云 中 的 微物 理 过 程 来 改 变 云 的 物 理 特 征 ，从 而 改 变 其 辐 射 特性 。 通 过 近 些 年 的 研 究 ，这 种 间 接 辐 射 强 迫 主要可以描述为两类间接效应（图 1）。第一类间接 效应也称 Tw om ey 效应，指气溶胶增加使云 中云滴 数量增加，减少云粒 子半径，从而 增加云 的反 照率 （它 依 赖 于 气 溶 胶 的 吸 收 特 性 和 光 学 厚 度）；第 二 类 间接效应也称为“云的生命期效应”或“Albrecht 效 应”，是 由 人 为气 溶 胶 增 加 引 起 粒 子 半 径 的 减 小 ，从 而 抑 制降 水 ，使 云 的 生 命 时 间 发 生 变 化［3］。 另 有 新 近的研究提出一种气溶胶对云的半直接效应（sem idirect effect on cloud）：吸收性气溶胶也可以通过云 的半直接效 应来使地面 变暖［4，5］，在这种 效应 的作
63.4 262.5
1 引 言
气 溶 胶 是 大 气 中 一 种 重 要 的 微 量 成 分 ，它 是 许 多大气化学过程的媒介或终端产物。尽管气溶胶的 研 究 已 经进 行 了 几 十 年 ，但 是 它 仍 然 是 气 候 变 化 中 最 不 确 定的 因 素 。 伴 随 着 矿 物 能 源 的 消 耗 ，人 类 向 大 气 排 放硫 氧 化 物 和 氮 氧 化 物 ，这 些 物 质 不 但 导 致 酸 沉 降 ，而 且 还 能 和 其 它 人 类 活 动 排 放 的 物 质 在 大 气中形成气溶胶。实 际大气 气溶 胶 的成 分 非 常 复 杂 ，它 可 以 通 过 吸 收 和 散 射 太 阳 辐 射 而 直 接 影 响 地 气 系 统 的辐 射 平 衡 ，即 直 接 辐 射 气 候 效 应 。 另 一 方 面 ，气 溶 胶 粒 子 又 可 以 作 为 云 的 凝 结 核 影 响 云 的 光 学特性、云量以及云的寿命，产生间接效应。目前对 间 接 辐 射强 迫 估 计 的 不 确 定 性 很 大［1］，而 且 对 云 本 身 的 辐 射特 性 的 了 解 也 还 不 是 很 全 面 。 因 此 ，气 溶 胶－ 云－辐射间的相互作用情况既是气候系统最不 确 定 的 因素 之 一 ，也 是 当 前 气 候 研 究 和 预 测 中 的 难 点问题［2］。
气溶胶在上述微物理过程下影响云的辐射强 迫。它可以作为云凝结核参与暖云的微物理过程影 响 云 的 辐 射 强 迫 ，从 而 减 少 到 达 地 面 的 短 波 辐 射 ，并 抑 制 暖 雨 过 程 ，使 降 水 减 少 进 而 造 成 全 球 温 度 降 低 ， 对气候有净的冷却效应。另一方面气溶胶还可以参 与冷云的微物理过程。冷云对全球辐射收支也是十 分重要的，其辐射强迫 的 变化是 影 响全球 气候 和辐 射平衡的 最 不 确 定 的 因 子 之 一［9］。 而 冰 晶 对 于 冷 云 降 水 、云 辐 射 效 应 、水 分 循 环 甚 至 平 流 层 的 水 汽 含 量 的 作 用 都 很 大 ，是 一 个 重 要 的 影 响 因 子［10］。 当 温 度在－35℃以上时，冰 晶 的形成 主 要依赖 于冰 核的
近些 年，随着 我国人 工影响天 气业务化 进程的 发展，相关的一些科 学研究 也开 展 起来。PMS 机载 测量系统已成为空中云探测的重要工具。飞行得到 的云观测资料分析是研究云微物理特征和大气气溶 胶与云相互作用的重要手段。通过飞机观测能够直 接得到云的微观特征 量（数浓 度、平均直 径、液 态水 含量、云滴尺 度 分 布 等）以 及 它 们 的 时间 和 空 间 变 化，同时也可以得 到气 溶胶 的空 间分 布特 征。 该资 料可研究云的微物理 特征，也能 够为 雷达 和卫 星等 遥测提供必要的观测 依据，同时 可以 为数 值模 式服 务。因此 PMS 资料具有广泛 的应 用价值，尤其在气 溶胶与云相互作用的研究中作用重大。近 20 年来， 针对国内 的 飞 行 已 经 得 到 了 大 量 的 宝 贵 资 料（表 1）［14 。 ～37］ 但是，国 内 PMS 资 料的 获 得与 分 析 研 究 主要是与人工影响天 气作 业相 结合，对资 料的 分析 重 点 是 过 冷 水 滴 、冰 晶 等 与 降 水 相 关 的 微 物 理 量 ，进 行 气 溶 胶 间 接 作 用 的 研 究 很 少［13］。
results of som e international observation）
控制
时间
架次 地点
系统
1990.9/1990.10 4 河北
云状
Sc/As
云层作 0 度层 业高度 高度 （km） （km）
作业层 温度 （℃）
云滴数浓度（cm－3） 平均值 最大值
平均 云滴最 云滴直径 大直径 （μm） （μm）
* 收稿日期：2007-11-12；修回日期：2008-02-20. * 基金项目：国家自然科学基金项目“华北地区大气气溶胶与云凝结核的飞机观测及其云物理效应的初步研究”（编号：40475003）；国 家重点基础研究发展计划项目（973）“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”（编号：2006CB403706）资助. 作者简介：段婧（1981-），女，河北石家庄人，博士研究生，主要从事气溶胶及其气候效应的研究.E -m ail：duanjing＠pku.edu.cn
第 3 期 段 婧等：气溶胶与云相互作用的研究进展
253
用 下 ，边 界 层 通 过 黑 碳（BC）对 太 阳 辐 射 的 吸 收 性 可
以使部分云产生挥发，同 时允许 更 多的太 阳辐 射到 达地 面［4］。
异质核化［11］，因 此，气溶 胶 的 变化 以 及冰 核 浓度 对 于大部分中云中初生 冰晶 的数 量起 着重 要作 用，影 响着整个冰水转 化过 程。在上 述作 用下，冷云 的宏 微观特征随气溶胶的 变化 而改 变，并 可能 进一 步使 中云的辐射特征发生变化。
76
293 7.29
含水量（g/m 3）
冰晶浓度（L－1） 冰晶平 均直径 文献
平均值 最大值 平均值 最大值 （μm）
0.0224 0.441 ［13］
1991.04
8 河北
Sc/As
源自文库81
838 6.87
0.035 2.71
1992.06
2 河北 西风槽
4.0 ～4.4
0.0802
408 42.5 ［14］
摘 要 ：气 溶 胶 和云 在 气 候 系 统 中 扮 演 着 重 要角 色 ，近 年 来 随 着 人 们 对 它 们 重 要 作 用 的 深 入 认 识 ， 气溶胶与云的相互作用也逐渐成为气候研究的一个重要方向。对该领域的研究方法和近 20 年来 国内外的相关研究做了全面回顾。飞机观测、卫星观测、以及观测和模式模拟相结合 3 种研究方法 被主要应用于该项研究。大量观测和模拟都证明了气溶胶对辐射、云滴以及降水的影响；云凝结核 作为气溶胶和云相互作用过程中的重要环节，近些年在观测技术上有了较大进展，对相关理论的研 究也随着观测水平的进步有了较大发展。我国在该领域的研究也从单一的观测资料分析逐渐转向 模式模拟、多种方法综合分析。最后结合国内外研究进展，对该领域未来的发展进行了展望。 关 键 词：气溶胶；云；相互作用；气溶胶间接效应；云凝结核 中图分类号：P426 ．5 文献标识码：A
3 研究方法和研究进展
图 1 气溶胶间接效应示意图 Fig.1 Sketch m ap of aerosol indirect effects
2 .2 气 溶胶 与 云相 互 作用 的具 体 机制 从具体机 制上来讲，某些大 气气溶胶 粒子在大
气过饱和或接近饱和 的情 况 下，可 以作为 云凝 结核 （Cloud Condensation Nucleus，CCN）或 冰核（Ice Nucleus，IN）形成降水 粒子胚 胎。在这 个 过程中，大气 气溶胶参与了云过程，同 时也间 接 影响了 云的 辐射 特性。
河北
4.5 ～7.0
－5 ～－20 62
6
0.04 0.49 15.6 562
［15］
2000.4.14
1 河南 冷锋
Sc
258
12
0.246
［16］
降水 As
170 14 ～18
2000.10.13 1 河南
层状云
7.52 3 ～9
0.011 0.05
［17］
1989.09.24 2 山东 西北冷锋 As～Sc 4.05
3 .1 研究 方 法 近年 来，大气 气溶胶 间接辐射 强迫研究 的需要
大大推动了气溶胶和云相互作用的研究。这些研究 主要分为两种方法：一 种是 利用 观测 资料 或模 式结 果 进 行 参 数 化 ，确 定 经 验 关 系 ；另 外 一 种 就 是 利 用 微 物 理模 式进行 模拟。无 论是模 拟或 是参 数 化 过程， 观测资料作为最为有利的证据都是研究中必不可少 的一部分。较为有效的观测方法是机载粒子测量系 统（Particle Measurem ent System ，PMS）和卫星探测。
第 23 卷 第 3 期 2008 年 3 月
地球科学进展
ADVANCES IN EARTH SCIENCE
文章编号：1001-8166（2008）03-00 -10
气溶胶与云相互作用的研究进展*
Vol.23 No.3 Mar.，2008
段 婧，毛节泰
（北京大学物理学院大气科学系，北京 100871）
自从 1960 年第一颗气象卫星升空以来，卫星探 测以其特殊的优势在大气探测和研究中发挥了重大 作用。气象 卫星观测 范围广，并 能得到 海洋、高原、 沙漠等人烟稀疏 的 地 区 的 气 象 资 料［12］。而 且 其 观 测特点在时间和地域上的连续性是之前任何一种观 测仪器都无可比拟的。目前已经开展了利用卫星探 测大气气溶胶以及云特征的研究。现在广泛使用的 MODIS（中分 辨 率 成 像 辐 射 光 谱 仪）可以 用 来 测 量 气 溶 胶 的 光 学 厚 度 、云 粒 子 的 有 效 半 径 等 参 数 ，为 气 溶胶与云的相互作用研究提供了一个有效的工具。
云中水滴或冰晶的 形成 包括 2 种 机制［6］：自发 核化（同质 核 化）和 异 质核 化。自 发 核 化 属于 没 有 异质核存在时的核化现象。但是由于该过程所要求 的环境条件很苛刻，因 此 在自然 界 中自发 核化 的发 生 十 分 困 难 。 自 然 界 中 由 水 汽 形 成 的 水 滴 ，冰 晶 ，或 者由过冷 却 水形 成 的 冰 晶，主 要 依 赖 于 异 质 核 化。 异质核化过程与云雾形成有关的气溶胶微粒密切相 关。其形成的凝结核和冰核是自然界成云致雨的重 要环节。研究表明，直径大于 0.05 μm 的 气溶胶粒 子 ，特 别 是 硫 酸 盐 粒 子 ，为 云 滴 和 冰 晶 的 形 成 贡 献 了 大部分凝 结 核 和 冰 核［7］。 有 机 气 溶 胶 也 可 作 为 云 凝结核与硫酸盐气溶胶一样在云形成过程中发挥着 重要 作用［8］。
除 了 观 测 手 段 以 外 ，为 了 详 细 研 究 不 同 化 学 成
2 54
地球科学进展 第 23 卷
表 1 近 30 年来我国北方机载 PM S 系统层状云观测统计（最下面是与其它国际城市和大型国际试验的对比）
Table 1 Cloud observation of PM S in north of China recent 30 years（the last levels are the
其 国 内外 主 要 研 究 进 展 ，并 对 我 国 未 来 气 溶 胶 与 云 相互作用的研究重点和难点进行了展望。
2 气溶胶与云的相互作用
2 .1 气溶胶与云相互作用过程 气溶胶的间接辐射强迫作用表现为气溶胶与云
的 相 互作 用 ，具 体 来 讲 就 是 气 溶 胶 可 以 通 过 参 与 云 中 的 微物 理 过 程 来 改 变 云 的 物 理 特 征 ，从 而 改 变 其 辐 射 特性 。 通 过 近 些 年 的 研 究 ，这 种 间 接 辐 射 强 迫 主要可以描述为两类间接效应（图 1）。第一类间接 效应也称 Tw om ey 效应，指气溶胶增加使云 中云滴 数量增加，减少云粒 子半径，从而 增加云 的反 照率 （它 依 赖 于 气 溶 胶 的 吸 收 特 性 和 光 学 厚 度）；第 二 类 间接效应也称为“云的生命期效应”或“Albrecht 效 应”，是 由 人 为气 溶 胶 增 加 引 起 粒 子 半 径 的 减 小 ，从 而 抑 制降 水 ，使 云 的 生 命 时 间 发 生 变 化［3］。 另 有 新 近的研究提出一种气溶胶对云的半直接效应（sem idirect effect on cloud）：吸收性气溶胶也可以通过云 的半直接效 应来使地面 变暖［4，5］，在这种 效应 的作
63.4 262.5
1 引 言
气 溶 胶 是 大 气 中 一 种 重 要 的 微 量 成 分 ，它 是 许 多大气化学过程的媒介或终端产物。尽管气溶胶的 研 究 已 经进 行 了 几 十 年 ，但 是 它 仍 然 是 气 候 变 化 中 最 不 确 定的 因 素 。 伴 随 着 矿 物 能 源 的 消 耗 ，人 类 向 大 气 排 放硫 氧 化 物 和 氮 氧 化 物 ，这 些 物 质 不 但 导 致 酸 沉 降 ，而 且 还 能 和 其 它 人 类 活 动 排 放 的 物 质 在 大 气中形成气溶胶。实 际大气 气溶 胶 的成 分 非 常 复 杂 ，它 可 以 通 过 吸 收 和 散 射 太 阳 辐 射 而 直 接 影 响 地 气 系 统 的辐 射 平 衡 ，即 直 接 辐 射 气 候 效 应 。 另 一 方 面 ，气 溶 胶 粒 子 又 可 以 作 为 云 的 凝 结 核 影 响 云 的 光 学特性、云量以及云的寿命，产生间接效应。目前对 间 接 辐 射强 迫 估 计 的 不 确 定 性 很 大［1］，而 且 对 云 本 身 的 辐 射特 性 的 了 解 也 还 不 是 很 全 面 。 因 此 ，气 溶 胶－ 云－辐射间的相互作用情况既是气候系统最不 确 定 的 因素 之 一 ，也 是 当 前 气 候 研 究 和 预 测 中 的 难 点问题［2］。
气溶胶在上述微物理过程下影响云的辐射强 迫。它可以作为云凝结核参与暖云的微物理过程影 响 云 的 辐 射 强 迫 ，从 而 减 少 到 达 地 面 的 短 波 辐 射 ，并 抑 制 暖 雨 过 程 ，使 降 水 减 少 进 而 造 成 全 球 温 度 降 低 ， 对气候有净的冷却效应。另一方面气溶胶还可以参 与冷云的微物理过程。冷云对全球辐射收支也是十 分重要的，其辐射强迫 的 变化是 影 响全球 气候 和辐 射平衡的 最 不 确 定 的 因 子 之 一［9］。 而 冰 晶 对 于 冷 云 降 水 、云 辐 射 效 应 、水 分 循 环 甚 至 平 流 层 的 水 汽 含 量 的 作 用 都 很 大 ，是 一 个 重 要 的 影 响 因 子［10］。 当 温 度在－35℃以上时，冰 晶 的形成 主 要依赖 于冰 核的
近些 年，随着 我国人 工影响天 气业务化 进程的 发展，相关的一些科 学研究 也开 展 起来。PMS 机载 测量系统已成为空中云探测的重要工具。飞行得到 的云观测资料分析是研究云微物理特征和大气气溶 胶与云相互作用的重要手段。通过飞机观测能够直 接得到云的微观特征 量（数浓 度、平均直 径、液 态水 含量、云滴尺 度 分 布 等）以 及 它 们 的 时间 和 空 间 变 化，同时也可以得 到气 溶胶 的空 间分 布特 征。 该资 料可研究云的微物理 特征，也能 够为 雷达 和卫 星等 遥测提供必要的观测 依据，同时 可以 为数 值模 式服 务。因此 PMS 资料具有广泛 的应 用价值，尤其在气 溶胶与云相互作用的研究中作用重大。近 20 年来， 针对国内 的 飞 行 已 经 得 到 了 大 量 的 宝 贵 资 料（表 1）［14 。 ～37］ 但是，国 内 PMS 资 料的 获 得与 分 析 研 究 主要是与人工影响天 气作 业相 结合，对资 料的 分析 重 点 是 过 冷 水 滴 、冰 晶 等 与 降 水 相 关 的 微 物 理 量 ，进 行 气 溶 胶 间 接 作 用 的 研 究 很 少［13］。
results of som e international observation）
控制
时间
架次 地点
系统
1990.9/1990.10 4 河北
云状
Sc/As
云层作 0 度层 业高度 高度 （km） （km）
作业层 温度 （℃）
云滴数浓度（cm－3） 平均值 最大值
平均 云滴最 云滴直径 大直径 （μm） （μm）
* 收稿日期：2007-11-12；修回日期：2008-02-20. * 基金项目：国家自然科学基金项目“华北地区大气气溶胶与云凝结核的飞机观测及其云物理效应的初步研究”（编号：40475003）；国 家重点基础研究发展计划项目（973）“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”（编号：2006CB403706）资助. 作者简介：段婧（1981-），女，河北石家庄人，博士研究生，主要从事气溶胶及其气候效应的研究.E -m ail：duanjing＠pku.edu.cn
第 3 期 段 婧等：气溶胶与云相互作用的研究进展
253
用 下 ，边 界 层 通 过 黑 碳（BC）对 太 阳 辐 射 的 吸 收 性 可
以使部分云产生挥发，同 时允许 更 多的太 阳辐 射到 达地 面［4］。
异质核化［11］，因 此，气溶 胶 的 变化 以 及冰 核 浓度 对 于大部分中云中初生 冰晶 的数 量起 着重 要作 用，影 响着整个冰水转 化过 程。在上 述作 用下，冷云 的宏 微观特征随气溶胶的 变化 而改 变，并 可能 进一 步使 中云的辐射特征发生变化。
76
293 7.29
含水量（g/m 3）
冰晶浓度（L－1） 冰晶平 均直径 文献
平均值 最大值 平均值 最大值 （μm）
0.0224 0.441 ［13］
1991.04
8 河北
Sc/As
源自文库81
838 6.87
0.035 2.71
1992.06
2 河北 西风槽
4.0 ～4.4
0.0802
408 42.5 ［14］
摘 要 ：气 溶 胶 和云 在 气 候 系 统 中 扮 演 着 重 要角 色 ，近 年 来 随 着 人 们 对 它 们 重 要 作 用 的 深 入 认 识 ， 气溶胶与云的相互作用也逐渐成为气候研究的一个重要方向。对该领域的研究方法和近 20 年来 国内外的相关研究做了全面回顾。飞机观测、卫星观测、以及观测和模式模拟相结合 3 种研究方法 被主要应用于该项研究。大量观测和模拟都证明了气溶胶对辐射、云滴以及降水的影响；云凝结核 作为气溶胶和云相互作用过程中的重要环节，近些年在观测技术上有了较大进展，对相关理论的研 究也随着观测水平的进步有了较大发展。我国在该领域的研究也从单一的观测资料分析逐渐转向 模式模拟、多种方法综合分析。最后结合国内外研究进展，对该领域未来的发展进行了展望。 关 键 词：气溶胶；云；相互作用；气溶胶间接效应；云凝结核 中图分类号：P426 ．5 文献标识码：A
3 研究方法和研究进展
图 1 气溶胶间接效应示意图 Fig.1 Sketch m ap of aerosol indirect effects
2 .2 气 溶胶 与 云相 互 作用 的具 体 机制 从具体机 制上来讲，某些大 气气溶胶 粒子在大
气过饱和或接近饱和 的情 况 下，可 以作为 云凝 结核 （Cloud Condensation Nucleus，CCN）或 冰核（Ice Nucleus，IN）形成降水 粒子胚 胎。在这 个 过程中，大气 气溶胶参与了云过程，同 时也间 接 影响了 云的 辐射 特性。
河北
4.5 ～7.0
－5 ～－20 62
6
0.04 0.49 15.6 562
［15］
2000.4.14
1 河南 冷锋
Sc
258
12
0.246
［16］
降水 As
170 14 ～18
2000.10.13 1 河南
层状云
7.52 3 ～9
0.011 0.05
［17］
1989.09.24 2 山东 西北冷锋 As～Sc 4.05
3 .1 研究 方 法 近年 来，大气 气溶胶 间接辐射 强迫研究 的需要
大大推动了气溶胶和云相互作用的研究。这些研究 主要分为两种方法：一 种是 利用 观测 资料 或模 式结 果 进 行 参 数 化 ，确 定 经 验 关 系 ；另 外 一 种 就 是 利 用 微 物 理模 式进行 模拟。无 论是模 拟或 是参 数 化 过程， 观测资料作为最为有利的证据都是研究中必不可少 的一部分。较为有效的观测方法是机载粒子测量系 统（Particle Measurem ent System ，PMS）和卫星探测。
第 23 卷 第 3 期 2008 年 3 月
地球科学进展
ADVANCES IN EARTH SCIENCE
文章编号：1001-8166（2008）03-00 -10
气溶胶与云相互作用的研究进展*
Vol.23 No.3 Mar.，2008
段 婧，毛节泰
（北京大学物理学院大气科学系，北京 100871）
自从 1960 年第一颗气象卫星升空以来，卫星探 测以其特殊的优势在大气探测和研究中发挥了重大 作用。气象 卫星观测 范围广，并 能得到 海洋、高原、 沙漠等人烟稀疏 的 地 区 的 气 象 资 料［12］。而 且 其 观 测特点在时间和地域上的连续性是之前任何一种观 测仪器都无可比拟的。目前已经开展了利用卫星探 测大气气溶胶以及云特征的研究。现在广泛使用的 MODIS（中分 辨 率 成 像 辐 射 光 谱 仪）可以 用 来 测 量 气 溶 胶 的 光 学 厚 度 、云 粒 子 的 有 效 半 径 等 参 数 ，为 气 溶胶与云的相互作用研究提供了一个有效的工具。
云中水滴或冰晶的 形成 包括 2 种 机制［6］：自发 核化（同质 核 化）和 异 质核 化。自 发 核 化 属于 没 有 异质核存在时的核化现象。但是由于该过程所要求 的环境条件很苛刻，因 此 在自然 界 中自发 核化 的发 生 十 分 困 难 。 自 然 界 中 由 水 汽 形 成 的 水 滴 ，冰 晶 ，或 者由过冷 却 水形 成 的 冰 晶，主 要 依 赖 于 异 质 核 化。 异质核化过程与云雾形成有关的气溶胶微粒密切相 关。其形成的凝结核和冰核是自然界成云致雨的重 要环节。研究表明，直径大于 0.05 μm 的 气溶胶粒 子 ，特 别 是 硫 酸 盐 粒 子 ，为 云 滴 和 冰 晶 的 形 成 贡 献 了 大部分凝 结 核 和 冰 核［7］。 有 机 气 溶 胶 也 可 作 为 云 凝结核与硫酸盐气溶胶一样在云形成过程中发挥着 重要 作用［8］。
除 了 观 测 手 段 以 外 ，为 了 详 细 研 究 不 同 化 学 成
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地球科学进展 第 23 卷
表 1 近 30 年来我国北方机载 PM S 系统层状云观测统计（最下面是与其它国际城市和大型国际试验的对比）
Table 1 Cloud observation of PM S in north of China recent 30 years（the last levels are the