大气气溶胶与云的相互作用的新发现

大气气溶胶又是发生大气棕色云等重大环境问题的首要因素之一。1995—1999年印度洋实验项目（The Indian Ocean Experiment，INDOEX）的观测实验发现，印度洋、南亚、东南亚和中国南部上空笼罩着约3 km厚、面积约900万km2的棕色污染尘霾，称作亚洲棕色云团（Asian brown cloud，后称为大气棕色云团，即atmospheric brown cloud，简称ABC），其中含有大量的含碳颗粒物、有机颗粒物、硫酸盐、硝酸盐和铵盐等。该云团对包括中国在内的广大地区乃至全球气候与环境产生很大影响。国际上先后开展了一系列大型观测实验和数值模拟，研究大气气溶胶的理化和光学特性及其时空分布［17-20］，如在南澳大利亚海域进行的气溶胶特征试验ACE-1、在东北大西洋海域进行的ACE-2、在印度洋海域进行的INDOEX和在西北太平洋海域进行的ACE-Asia（亚洲）等。这些研究计划旨在确定大气气溶胶的理化和辐射特性、气溶胶-云-辐射的相互影响，以及控制气溶胶演变的物理和化学过程。

大气气溶胶和云的相互作用是一种复杂的非线性过程。人类活动导致的云凝结核和冰核的增加，会显著改变云的微物理特性，从而进一步影响气候系统［21，22］。气溶胶作为云凝结核，产生间接辐射强迫，影响全球的辐射收支。气溶胶不但可以增加云的反射率，而且可以改变云的生命史［23，24］。一些观测事实揭示了气溶胶有可能潜在地改变云的某些性质［21］。但是，并非所有的观测结果完全一致。一些结果表明，增加大气气溶胶浓度可增加云的反射率［25 27］；另一些结果则显示，进入云中的高污染气溶胶可导致云水含量和云反射率的降低，如最近的卫星观测研究显示出气溶胶的间接效应可能主要是由于云覆盖的增加，而不是云反照率的增加［27］。估计气溶胶间接效应的数值模式，在对气溶胶过程、云过程及其相互作用的处理上，存在相当大的差异。大部分模式只包含了自然和人为的硫酸盐、自然海盐、沙尘及火山硫酸盐气溶胶的影响，而对于含硫酸盐的其他混合物、黑碳、有机碳等考虑不足。这主要是由于缺乏这类气溶胶理化特性的基础数据。因此，在模式中对云-气溶胶相互作用的处理比较粗糙，一些模式在云本身的预报方面与实际存在显著差异，用于估计气溶胶的间接气候效应更无从谈起。对气溶胶与云的相互作用及其间接辐射效应的定量评估结果，存在很大的不确定性。其原因主要在于两个方面：一是气溶胶与云的定量观测资料的缺乏，二是气溶胶与云的相互作用的参数化模式的误差。研究气溶胶与云的相互作用，首先必须对气溶胶和云进行定量观测，一般有地基定点测量和卫星大范围遥感反演两种方法。其中地基定点观测较为精确，常用于卫星遥感反演的验证和高度廓线的约束反演。卫星反演一般集中在海洋上空；而在陆地上空，由于陆地地表的高反射率及其在时间和空间上的高度不均一性，陆地上空的卫星遥感测量，主要根据暗目标测量信号或者联合利用偏振辐射和总辐射反演得到。因此，利用地基观测的精确性和卫星反演的广域性，来综合分析区域或大尺度范围的气溶胶、云相互作用以及其间接辐射强迫，成为必要的、可行的分析条件。近年来，就气溶胶辐射强迫问题开展了许多大型外场综合观测的实验和理论研究。2005年4月，美国《大气科学杂志》（Journal of the Atmospheric Sciences，JAS）推出了一辑介绍有关气溶胶最新研究成果的专刊。而有关气溶胶对区域气候的影响，也有诸多研究。如黑碳气溶胶作为大气中首要的吸收性气溶胶成分，它吸收太阳辐射，加热大气，从而改变大气的稳定度、垂直运动以及对流降水［28，29］。各类气溶胶大都显示降温效应，唯有黑碳因其化学组成和光学特性，与温室气体一样显示了增温效应。因此，黑碳问题已引起了国际科学界的普遍重视，成为当今环境研究的热点之一。在IPCC的报告编写中，也提出需要谨慎考虑黑碳和其他气溶胶的气候效应问题。(www.xing528.com)