多源卫星遥感研究硫酸盐气溶胶和气象条件影响降水和潜热垂直结构取得新进展

   人类活动排放的硫酸盐气溶胶，会大大增加大气中的云凝结核数量，对云和降水过程产生复杂的影响。与此同时，对特定地区而言，污染物的浓度水平又和风向、风速、大气不稳定度等天气条件紧密相关。那么，这二者对降水的空间分布特征究竟有怎样的影响？

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院、风云卫星遥感联合实验室李锐教授课题组利用卫星观测的气溶胶、降水三维结构数据，配合再分析资料和数值模拟结果，成功揭示了我国京津冀地区硫酸盐气溶胶和大气动力条件对降水及其潜热三维结构的分别影响，并量化了各自的敏感性，对深入理解这一复杂大气过程、提高天气和气候模拟与预测能力提供了理论的支撑。研究成果以“Complex interplay of sulfate aerosols and meteorology conditions on precipitation and latent heat vertical structure”为题，发表在自然出版集团期刊《npj Climate and Atmospheric Science》（简称npj CAS）上。npj CAS旨在发表气候学和大气科学领域的高水平创新性研究成果，是中科院一类Top期刊，2023年影响因子8.5，在全球110本METEOROLOGY & ATMOSPHERIC SCIENCES领域期刊中排名第5。

京津冀地区是中国的首都经济区，夏季气溶胶主要以硫酸盐气溶胶为主。硫酸盐气溶胶浓度高时往往伴随着温暖、潮湿的南风和强对流有效位能（CAPE）。这种条件有利于对流的垂直发展。即高浓度硫酸盐气溶胶与气象条件之间存在着耦合关系（图1）。

 图1 气溶胶光学厚度（AOD）分布及气象条件。（a，b）总气溶胶光学厚度，（c，d）硫酸盐气溶胶光学厚度，（a-h）850 hPa的风场和（e，f）比湿，（g，h）对流有效位能。（a，c，e，g）为清洁天，（b，d，f，h）为污染天。

为了分析气象条件对降水的影响，采用CAPE作为总体指标。对于给定范围的CAPE（图2），研究发现污染环境（红色曲线）中降水刚触发时的雨顶温度（PTT）高于洁净环境（蓝色曲线），高层（温度低于-5°C）洁净环境中的降水率强于污染环境。然而在-5°C-0°C附近，污染环境中的降水粒子得到快速增长，到2°C-5°C温度层时，污染环境的降水率已反超洁净环境。进一步分析发现污染环境高层降水释放的潜热弱于洁净环境，然而，污染环境中降水释放的潜热最大值强于洁净环境，且最大值出现的高度低于洁净环境。

图2 对于给定范围的CAPE，洁净和污染环境中的平均降水廓线。（a，g，m）层性降水，（d，j，p）对流降水，其中阴影表示标准差。(c，i，o)层性降水和(f，l，r)对流降水对应的污染和洁净环境之间差异的t检验(虚线表示 100 自由度下的 95% 置信水平)。子图取高层的(b，h， n)层性降水率和(e，k，q)对流降水率的对数，重点关注降水刚发生的高度/温度。

图 3 污染（实线）和洁净（虚线）环境中归一化的潜热廓线。（a）层性降水，（c）对流降水以及 (b)层状降水、(d)对流降水(虚线表示 100 自由度下的 95% 置信水平)的洁净和污染条件之间差异的t检验。

理论分析发现，硫酸盐气溶胶作为额外的CCN，在云水含量充足的情况下，增强了混合层内粒子的碰并-聚合过程，云滴尺寸变大，致使中层的降水颗粒快速生长、降水易于发生、雨顶高度降低、且潜热释放量大。另外一方面，污染条件具有较强的对流有效位能CAPE可以使雨顶升高，但是气溶胶效应超过了这种动力效应。并且，由于硫酸盐气溶胶消耗了中层中大量的水汽，削弱了水汽向上层的垂直输送，降水不易在高层发生。上述过程的综合效果是污染环境中雨顶高度变低、雨顶温度升高。

图4 硫酸盐气溶胶和云动力学对降水垂直结构影响的概念图。

本文第一作者为大气科学专业博士后朱红霞，通讯作者为李锐教授。博士研究生杨述评协助提供了模式模拟，博士后赵宏伟协助提供了潜热反演数据，王雨教授也参与了本项研究。该研究得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、国家重点研究与发展计划，以及风云气象卫星专项创新中心的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41612-024-00743-w

参考文献：Zhu, H., Yang, S., Zhao, H. et al. Complex interplay of sulfate aerosols and meteorology conditions on precipitation and latent heat vertical structure. npj Clim Atmos Sci 7, 191 (2024). https://doi.org/10.1038/s41612-024-00743-w