中国大气污染防治行动显著改变了降水垂直结构

  在过去的20多年里，中国的空气污染经历了显著的先增长、后下降趋势。特别是在2012-2013期间，面对非常严重的华北灰霾，中国政府相继出台了《环境空气质量标准》《大气污染防治行动计划》等一系列法律法规大力控制污染排放。经过共同努力，在接下来的若干年，我国大气颗粒物（又称气溶胶）浓度逐年下降，重污染天数显著减少，在欢呼蓝天白云回归的同时，这一大规模改变大气环境的壮举无意间也为研究气溶胶-云相互作用，提供了不可多得的天然试验场。

  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团队抓住这一契机，利用卫星观测的气溶胶光学厚度、降水三维结构数据产品，揭示了中国污染控制政策对大气环境和降水系统的复杂影响，突出了气溶胶在调节降水垂直结构方面的作用。研究成果以“The Impact of Air Pollution Control Programs (2014–2019) on the Vertical Structure of Precipitation in China”为题，发表在大气科学领域国际知名期刊《Geophysical Research Letters》上。

图1.（a）2014年和（b）2019年中国华东华南地区气溶胶光学厚度；以及在相同的对流有效位能约束下，降水垂直廓线的比较。

  研究首先选用污染状况对比强烈的2014年和2019年的卫星观测，用直接的证据显示了污染的显著改善，以及在同等的大气动力条件下，相对清洁的2019年降水变得更加深厚、近地表降水增强，降水起始高度升高，混合层降水粒子的增长速度降低。

  进一步的分析发现，上述与空气污染浓度变化相伴的降水变化在2014-2019基本都成立（如下图所示）。随着空气污染改善即气溶胶浓度的逐年降低，降水起始高度逐年升高，而混合层降水粒子的增长速度却逐年降低，展现了气溶胶影响降水垂直结构的强有力观测证据。 

图2. 2014-2019年逐年的（a）地表降水率-降水雨顶高度关系曲线和（b）雨顶高度-混合层增长速率关系曲线；（c）2014-2019区域年平均气溶胶光学厚度、降水起始高度、以及（d）混合层粒子增长速度的时间序列。

  究其原因，随着空气质量的改善，一方面，气溶胶减少会使更多的太阳辐射到达地表，从而使低层大气变暖，增加大气的不稳定性，增强垂直上升运动，形成更大范围有利于对流的条件，从而有可能放大降水释放的额外能量（即释放额外潜热），雨顶高度发展得更高。另一方面，气溶胶的减少使得云凝结核减少，平均的云粒子半径增大、增强了大气层低层的碰并增长过程，大量云粒子得以在低空变成雨滴落下，从而减少了混合层粒子增长过程。以上发现加强了对气溶胶-云-降水相互作用的认识，并为环境政策制定、数值模式改进和天气预报提供新的见解。

  中国科学技术大学朱红霞博士为论文第一作者，周任君副教授为第二作者、赵宏伟博士为研究提供了潜热反演数据，李锐教授为通讯作者。研究受到国家自然科学基金重点项目、安徽省自然科学基金、国家重点研发计划、风云气象卫星专项创新中心、以及中国气象局-中国科学技术大学风云遥感联合实验室的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2024GL113571

文献引用：Zhu, H., Zhou, R., Zhao, H., & Li, R. (2025). The impact of air pollution control programs (2014–2019) on the vertical structure of precipitation in China. Geophysical Research Letters, 52, e2024GL113571. https://doi.org/10.1029/2024GL113571