張 喆,丁建麗*,王瑾杰,3,何寶忠(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 831401)

新疆干旱區(qū)氣溶膠間接效應(yīng)區(qū)域性分析

張 喆1,2,丁建麗1,2*,王瑾杰1,2,3,何寶忠1,2(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 831401)

利用MODIS氣溶膠和云資料以及實(shí)測(cè)的降水?dāng)?shù)據(jù),可從宏觀角度分析新疆區(qū)域氣溶膠時(shí)空分布特征,研究氣溶膠與云和降水之間的相互影響關(guān)系.結(jié)果表明:近十年來(lái)受區(qū)域暖-干趨勢(shì)的轉(zhuǎn)變影響,新疆地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度空間分布呈現(xiàn)顯著的區(qū)域性和季節(jié)性差異;南疆地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度整體高于北疆地區(qū),春、夏高,秋、冬低,整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),其中,北疆地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度變化程度相對(duì)較為顯著;受氣候變化和顆粒粒徑差異影響,新疆干旱區(qū)云光學(xué)厚度與氣溶膠光學(xué)厚度呈負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)北疆地區(qū)高于南疆地區(qū);云水路徑受溫度、濕度影響較大,對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度的變化的敏感程度北疆大于南疆,夏季最高,冬季最低;氣溶膠光學(xué)厚度與云滴粒子有效半徑關(guān)系復(fù)雜,受水汽影響較大,在云層含水量較低的情況下,云滴粒子有效半徑與氣溶膠光學(xué)厚度呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明在干燥地區(qū)或季節(jié),氣溶膠的增加,抑制云滴粒子的增長(zhǎng);整體來(lái)看,新疆干旱區(qū)氣溶膠的增加抑制了區(qū)域降水的形成.

氣溶膠；云微物理參量；降水；氣候變化

全球氣候系統(tǒng)(如溫度、濕度、水汽壓、云量和風(fēng)速等)的變化對(duì)地理環(huán)境的干濕狀態(tài)及區(qū)域氣溶膠的時(shí)空分布產(chǎn)生重要影響[1-2].作為大氣中的主要污染物,氣溶膠一方面通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)福射,直接影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡[3-6],另一方面還可作為云凝結(jié)核,通過(guò)改變?cè)频奈锢砗臀⑽锢硖卣饔绊懡邓甗7-9],繼而影響全區(qū)氣候.因此,利用遙感技術(shù)及時(shí)獲取不同時(shí)空尺度下的氣溶膠濃度變化規(guī)律,分析其對(duì)云、降水形成的相互作用關(guān)系,不僅有利于認(rèn)知大氣污染的現(xiàn)狀,評(píng)估其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,認(rèn)識(shí)氣溶膠排放特征及其與環(huán)境氣候變化的關(guān)聯(lián),還可為展開(kāi)具有針對(duì)性的區(qū)域性調(diào)控措施提供科學(xué)參考.

氣溶膠在大氣中存在時(shí)間較短,其濃度受到排放源強(qiáng)度、地形條件和氣象因素的影響,具有顯著的時(shí)空變異性[10],在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù),只能提供一些個(gè)例研究結(jié)果.衛(wèi)星資料可以提供長(zhǎng)時(shí)間序列的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù),使得宏觀尺度上評(píng)估氣溶膠-云-降水間相互影響關(guān)系成為了可能.晏利斌等[11]認(rèn)為氣溶膠光學(xué)厚度和云量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系,氣溶膠光學(xué)厚度的增加使得云滴粒子有效半徑的減小從而造成云量增多;Nakajima等[12]發(fā)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度和云有效半徑呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系;Tang等[13]發(fā)現(xiàn)在陸地上空云滴粒徑與氣溶膠光學(xué)厚度呈正相關(guān),而在海洋上空呈負(fù)相關(guān);Zhao等[14]提出氣溶膠與降水之間存在正反饋機(jī)制,即氣溶膠增加-降水減少-氣溶膠更多;Li等[15]以美國(guó)南部平原為研究區(qū),發(fā)現(xiàn)當(dāng)云水含量較高時(shí),隨著氣溶膠濃度的增多,云滴粒子也會(huì)增大,繼而使得降水增加,而當(dāng)云水含量較低時(shí),氣溶膠濃度的增多,云滴有效半徑會(huì)變小,從而對(duì)降水產(chǎn)生抑制作用;石睿等[16]通過(guò)統(tǒng)計(jì)中國(guó)四個(gè)典型地區(qū)夏季氣溶膠、云、降水的時(shí)空分布特征發(fā)現(xiàn),氣溶膠光學(xué)厚度與云光學(xué)厚度和云水路徑呈正相關(guān),在相對(duì)濕度較低情況下,與云滴有效粒子半徑呈負(fù)相關(guān);陳艷[17]提出沙塵氣溶膠減弱云的輻射強(qiáng)迫,抑制了云的冷卻作用;陳宇[18]針對(duì)西北地區(qū)春季沙塵和非沙塵天氣的統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)沙塵天比非沙塵天云滴粒子有效半徑減小,而云水路徑和光學(xué)厚度增大.

新疆地處干旱半干旱氣候區(qū),位于氣候變化敏感帶,是水資源缺乏最嚴(yán)重的地區(qū)之一,也是沙塵氣溶膠貢獻(xiàn)度較大的區(qū)域,沙塵氣溶膠通過(guò)何種途徑與機(jī)制影響云和降水,進(jìn)而影響干旱區(qū)氣候是一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題.針對(duì)該地區(qū)上空氣溶膠光學(xué)特性以及空中水資源的全面了解,對(duì)該區(qū)域氣候變化研究和人類(lèi)生產(chǎn)生活具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.本文通過(guò)多種衛(wèi)星產(chǎn)品長(zhǎng)期觀測(cè)資料結(jié)合氣象站點(diǎn)所提供的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù),在區(qū)域氣候變化的基礎(chǔ)上討論新疆干旱區(qū)氣溶膠時(shí)空分布規(guī)律,分析南、北疆地區(qū)云微物理特性對(duì)氣溶膠的敏感性以及它們的后繼效應(yīng)對(duì)降水的作用,探討氣溶膠增加對(duì)降水產(chǎn)生的可能影響.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處我國(guó)西北內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,屬典型溫帶大陸性氣候,冬冷夏熱,氣候干燥,降水稀少,年降水量多在150mm以下,沙漠、戈壁廣布,沙塵物質(zhì)及其豐富,風(fēng)蝕強(qiáng)烈[19].由于人口增加,過(guò)度的土地開(kāi)發(fā)等人類(lèi)活動(dòng)誘發(fā)的土地荒漠化帶來(lái)一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,植被退化、荒漠化加劇、沙塵天氣頻發(fā),生態(tài)環(huán)境惡化迅速,嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施[20-21].粉塵以氣溶膠顆粒的形式向下游地區(qū)輸送,長(zhǎng)期懸浮的氣溶膠顆?？赏ㄟ^(guò)改變?cè)频睦砘匦?對(duì)區(qū)域降水和全區(qū)域的氣候變化產(chǎn)生直接影響,對(duì)下游地區(qū)的綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展以及荒漠區(qū)植被的生長(zhǎng)產(chǎn)生間接的影響,對(duì)干旱區(qū)綠洲生態(tài)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅.

1.2 數(shù)據(jù)源與方法

1.2.1 中分辨率成像光譜儀(MODIS) 新疆干旱區(qū)地處沙漠或半荒漠地帶,故本文選取 Aqua衛(wèi)星的大氣三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),包括月平均和日平均全球氣溶膠光學(xué)厚度資料(Aerosol Optical Depth, AOD),此數(shù)據(jù)集采用的 Deep Blue 算法對(duì)暗像元法有很好的互補(bǔ)性,可以獲得亮地表地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度.此數(shù)據(jù)集還提供云光學(xué)厚度資料(Cloud Optical Depth, COD),云水路徑資料(Cloud Water Path, CWP),云滴有效粒子半徑資料(Cloud Effective Radius, CER)等,其中CER分為冰云(Cloud Effective Radius Ice, CERI)和水云(Cloud Effective Radius Water, CERW)兩種情況,水平分辨率為 1°×1°[22].

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)資料來(lái)源于新疆地區(qū)56個(gè)氣象站點(diǎn)所提供的平均氣溫、日照時(shí)數(shù),降水量,水汽壓,風(fēng)速等資料(站點(diǎn)分布見(jiàn)圖 2A),為與氣溶膠和云資料數(shù)據(jù)相匹配,資料選取2002～2012年月數(shù)據(jù).

1.2.3 熱帶降水測(cè)量計(jì)劃TRMM 新疆地區(qū)氣象站點(diǎn)稀少,地形復(fù)雜,常規(guī)的站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的降水?dāng)?shù)據(jù)不能很好的反映降水的空間特征.遙感降水產(chǎn)品能反映降水的時(shí)空分布變化,對(duì)于資料稀缺的西北干旱區(qū)生態(tài)水文研究有重大意義.TRMM是美國(guó)和日本合作的降水測(cè)量計(jì)劃,其搭載的 PR降水雷達(dá)可以提供 50°S～50°N范圍內(nèi)的降水信息[23].本文采用了 3B43數(shù)據(jù)集的月平均降水資料產(chǎn)品,水平分辨率為0.25°×0.25°.

TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在干旱區(qū)精度并不理想,但偏差在時(shí)間和空間上具有一定的規(guī)律性.相關(guān)學(xué)者的研究表明,TRMM數(shù)據(jù)對(duì)降水事件的發(fā)生頻率和降水量的估計(jì)月時(shí)間尺度比日時(shí)間尺度更為準(zhǔn)確[24-25],因此,本文利用氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)月降水?dāng)?shù)據(jù)(新疆地區(qū) 56個(gè)氣象站點(diǎn)提供的月降水?dāng)?shù)據(jù),數(shù)據(jù)包括 2002～2012年月降水?dāng)?shù)據(jù)),采用偏差分布規(guī)律、加法修正相結(jié)合對(duì)中亞地區(qū)TRMM數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn)處理[26].

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象要素對(duì)氣溶膠時(shí)空分布的影響

2.1.1 氣象條件概述 據(jù) IPCC報(bào)告,氣候變化是指一段時(shí)間(一般持續(xù)10a或更長(zhǎng)時(shí)間)氣候狀態(tài)的變化[27].對(duì)同一地區(qū)而言,在污染源相對(duì)穩(wěn)定的情況下,氣溶膠濃度的不同主要是由于氣象條件的不同所致.其中,溫度、相對(duì)濕度、水汽壓、風(fēng)速、降水等氣象條件對(duì)大氣污染物的影響主要體現(xiàn)在對(duì)污染物的擴(kuò)散、輸送、積聚和沖刷作用等方面,云量的變化是影響日照時(shí)間的關(guān)鍵因素.

由圖 1可見(jiàn),受全球變暖背景影響,新疆2002～2012年間年平均溫度呈現(xiàn)非線性上升趨勢(shì),南疆整體高于北疆;南疆地區(qū)以上升為主,北疆地區(qū)在2007年前后氣候狀態(tài)有明顯轉(zhuǎn)換,表現(xiàn)為先升后降,這是因?yàn)楸苯貐^(qū)受西風(fēng)環(huán)流影響和西伯利亞高壓控制,再加之人類(lèi)活動(dòng),溫度變化趨勢(shì)存在區(qū)域差異性.

圖1 2002～2012年間新疆地區(qū)氣象要素及氣溶膠變化Fig.1 Variation characteristics of meteorological elements and AOD over 2002～2012

風(fēng)速條件是近地面氣溶膠分布特征的主要影響因子之一.新疆地區(qū)近10a間年平均風(fēng)速呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì);北疆地區(qū)以每年 0.027m/s的速度下降,10a間下降0.298m/s,南疆地區(qū)以每年0.022m/s的速率下降,11年間下降 0.239m/s,北疆地區(qū)下降幅度明顯大于南疆地區(qū);南、北疆地區(qū)年平均風(fēng)速與年平均氣溫之間存在明顯的負(fù)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.692,且通過(guò)0.05置信度檢驗(yàn),說(shuō)明氣溫的上升在一定程度上會(huì)影響風(fēng)速減弱.

10年間南、北疆地區(qū)AOD呈現(xiàn)上升趨勢(shì),與之對(duì)應(yīng)的水汽壓和相對(duì)濕度則呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢(shì);AOD較高的南疆地區(qū)年平均溫度較高,相對(duì)濕度較低,而 AOD較低的北疆地區(qū)年平均溫度較低,相對(duì)濕度較高,說(shuō)明吸收型氣溶膠的增加,不僅會(huì)造成非絕熱加熱,同時(shí)也有助于相對(duì)濕度的降低.

日照時(shí)間增加可能與相對(duì)濕度和云量減小有關(guān).10年間南、北疆地區(qū)日照時(shí)數(shù)則呈現(xiàn)上升趨勢(shì),日照時(shí)數(shù)和云光學(xué)厚度相關(guān)性達(dá)到-0.397,且通過(guò)0.05置信度檢驗(yàn);南疆地區(qū)日照時(shí)數(shù)整體高于北疆地區(qū).

2.1.2 氣溶膠時(shí)空分布 受下墊面狀況和氣候條件的影響,新疆地區(qū)AOD空間分布呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性和地域性差異(圖 2).量值上表現(xiàn)為春季(0～1)＞夏季(0～0.791)＞冬季(0～0.417)＞秋季(0～0.372).這是因?yàn)榇杭旧硥m天氣頻繁,導(dǎo)致區(qū)域AOD整體偏高,此時(shí)氣溶膠粒徑較大[28-29];夏季由于溫度升高、濕度增加、水平風(fēng)速偏小,工業(yè)污染和交通排放量的增加,北疆地區(qū)污染物受地形影響呈局部聚集現(xiàn)象,氣溶膠以細(xì)粒子為主[30],南疆地區(qū)受夏季塵卷風(fēng)的影響,仍處于氣溶膠高值階段;秋季氣候干爽,冷空氣入侵頻繁,空氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,AOD整體下降且呈擴(kuò)散狀態(tài);冬季時(shí)期由于下墊面被積雪覆蓋,不易起塵,且積雪使得地表反照率增加,增大了AOD反演難度,甚至造成部分區(qū)域的數(shù)據(jù)空缺現(xiàn)象,從而導(dǎo)致冬季AOD整體偏低;冬季量值范圍大于秋季,這是由于冬季化石燃料的燃燒,對(duì)AOD產(chǎn)生了一定影響.

圖2 2002～2012年氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)性分布Fig.2 Spatial and seasonal distribution of AOD during 2002～2012

AOD分布受下墊面狀況影響顯著,高值區(qū)多分布于荒漠地區(qū)、盆地,低值區(qū)主要分布于海拔相對(duì)較高的山區(qū).統(tǒng)計(jì) 2002～2012年新疆地區(qū)AOD年平均值發(fā)現(xiàn),全年AOD高值區(qū)域主要集中于南疆的塔里木盆地和北疆的艾比湖流域下風(fēng)向.塔里木盆地受下墊面狀況(沙漠)影響,春、夏兩季起沙較為頻繁,且由于地形原因,內(nèi)部風(fēng)速較小,水平擴(kuò)散相對(duì)較弱,使得氣溶膠集中于此.2002～2012年間此區(qū)域 AOD變化較為平穩(wěn),這是由于塵源地上空AOD主要受下墊面狀況變化的影響,在下墊面狀況變化不明顯的情況下,AOD年變化也較為平穩(wěn).艾比湖流域下風(fēng)向區(qū)域 AOD年均值較為接近,且整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),說(shuō)明其上游艾比湖流域土壤退化對(duì)下游地區(qū)AOD有著直接影響.

為了分析新疆地區(qū)AOD的季節(jié)性變化特征,以天山為分界劃分南、北疆區(qū)域,分別統(tǒng)計(jì)10年間南北疆區(qū)域四季均值和增幅(表 1).總體而言,新疆地區(qū) AOD表現(xiàn)為春、夏高,秋、冬低,整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì);受下墊面狀況影響,全疆范圍內(nèi)AOD分布地域性區(qū)別明顯,AOD年均值南疆高于北疆,增幅北疆大于南疆.

表1 2002～2012年新疆地區(qū)四季氣溶膠年均值及變化趨勢(shì)Table 1 Annual variability of aerosol in all seasons in Xingjiang during 2002～2012

北疆地區(qū)四季均值在 0.132～0.207范圍內(nèi),對(duì)于季節(jié)變化的敏感性不強(qiáng);相對(duì)于季節(jié)性變化,北疆地區(qū) 10年間年際變化幅度明顯,其中,年增幅 夏 (3.420%)＞春 (2.609%)＞冬 (2.285%)＞秋(1.455%).南疆地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)性差異較大,均值春(0.610)＞夏(0.271)＞冬(0.180)＞秋(0.151);塔克拉瑪干沙漠占據(jù)南疆區(qū)域絕大部分面積,下墊面變化較為穩(wěn)定,起沙季節(jié)變化較強(qiáng),年際變化較弱,年增幅夏(-2.734%)＞春(0.909%)＞冬(0.499%)＞秋(0.134%),整體小于北疆地區(qū).

除了夏季南、北疆地區(qū)AOD呈相反的增長(zhǎng)趨勢(shì),且全區(qū)整體表現(xiàn)出減小趨勢(shì)外,新疆全區(qū)10年間南、北疆地區(qū)及全區(qū)均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì).夏季時(shí)期,新疆地區(qū) AOD變化趨勢(shì)與南疆地區(qū)保持一致,表明南疆地區(qū)作為全疆最大的沙塵源區(qū)主導(dǎo)了全疆的沙塵氣溶膠排放量.

2.2 氣溶膠-云-降水的相互關(guān)系

云微物理參數(shù)主要包括COD、CWP、CERI和CERW等為了減小天氣系統(tǒng)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)缺失的影響,本文對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,遵循同一時(shí)段內(nèi)AOD和COD、CER、CWP、TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)同時(shí)不缺測(cè)的采樣原則進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),將氣溶膠光學(xué)厚度的間隔在 0.05 以?xún)?nèi)的劃分為一檔,分析AOD和COD、CER、CWP和降水的關(guān)系.

2.2.1 氣溶膠與云光學(xué)厚度 COD表征云系垂直方向厚實(shí)程度,是指整個(gè)路徑上云消光的總和.氣溶膠粒子作為云凝結(jié)核的主要來(lái)源,影響云的形成.云凝結(jié)核濃度伴隨著氣溶膠粒子濃度的增加而增大,而過(guò)厚的云層干擾勢(shì)必會(huì)影響到氣溶膠的遙感監(jiān)測(cè),所以COD與AOD之間有著密不可分關(guān)系.過(guò)厚的云層干擾勢(shì)必會(huì)影響到氣溶膠的遙感監(jiān)測(cè),所以在數(shù)據(jù)篩選的時(shí)候,排除了云量較大的情況,選擇云量在 80%以下的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù).

新疆地區(qū)10年間COD整體表現(xiàn)出下降趨勢(shì),且夏季變化較小,增幅為-0.061%,冬季最大,增幅為-2.173%.由圖3、表2可知,不同季節(jié)、不同下墊面狀況下,COD與AOD二者的關(guān)系存在一定差異.春、夏兩季隨著 AOD的增大,南、北疆地區(qū) COD均呈現(xiàn)減小趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)在 0.66以上,且通過(guò)了0.05水平上顯著性檢驗(yàn),二者相關(guān)性較好;秋、冬兩季南、北疆地區(qū)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì),北疆地區(qū)隨著 AOD的增加,COD減小,南疆地區(qū)隨AOD的增加,COD呈上升趨勢(shì),但趨勢(shì)微弱,相關(guān)性較低.整體而言,新疆干旱區(qū) COD與AOD呈負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì).北疆地區(qū)AOD與COD 相關(guān)性(0.532～0.904)整體高于南疆地區(qū)(0.300～0.737).這是因?yàn)樽鳛榈湫偷纳硥m源區(qū),南疆地區(qū)全年AOD較高,且相對(duì)于北疆地區(qū),南疆地區(qū)氣候更加干旱,蒸發(fā)小,空氣濕度較小,氣溶膠顆粒物以粗粒子為主,抑制云形成,而從而導(dǎo)致 AOD與COD相關(guān)性較低.

圖3 不同季節(jié)下氣溶膠光學(xué)厚度與云光學(xué)厚度相關(guān)性Fig.3 Correlation of AOD and COD in all seasons

表2 變化趨勢(shì)及相關(guān)系數(shù)*Table 2 Trends and correlation coefficients between AOD, COD and CWP

2.2.2 氣溶膠與云水路徑 CWP是衡量云層含水量的參數(shù),受云量、溫度、濕度、地面水汽壓影響較大,不同季節(jié)、不同地區(qū)都存在顯著差異,與AOD二者的關(guān)系較為復(fù)雜.

受氣候條件區(qū)域性差異的影響,新疆地區(qū)CWP 的季節(jié)變化較為顯著,均值夏(188.671g/m2)＞春(148.818g/m2)＞秋(126.279g/ m2)＞冬(89.249g/m2),年增幅春(-0.675%)＞秋(-0.4274%)＞冬(-0.320%)＞夏(-0.287%),整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì).統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果顯示(圖4、表2),北疆地區(qū)CWP整體高于南疆地區(qū);春、夏、秋三季南、北疆地區(qū)AOD與CWP呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì),且通過(guò) 0.05的置信度檢驗(yàn),相關(guān)系數(shù)北疆(0.544～0.797)大于南疆(0.499～0.714),夏＞秋＞春＞冬,說(shuō)明CWP對(duì)AOD的變化的敏感程度北疆大于南疆,夏季最高,冬季最低;南、北疆冬季 CWP與AOD呈正相關(guān)變化趨勢(shì),但趨勢(shì)并不顯著,這與冬季下墊面不易起塵,且積雪影響造成部分區(qū)域的數(shù)據(jù)空缺現(xiàn)象有關(guān).

2.2.3 氣溶膠與云滴有效粒子半徑 CER反映了云粒子的平均有效尺度,它可以影響云層的散射特性.對(duì)于給定的液態(tài)水含量或者冰水含量而言,具有較小CERW或CERI的云將反/散射較多的太陽(yáng)輻射.

新疆境內(nèi)CERI與CERW年內(nèi)均值較為相近,分別集中在32.146μm和13.206μm左右,地域和季節(jié)性差別并不明顯.表 3顯示出四個(gè)季節(jié)下南、北疆地區(qū)及全疆地區(qū)CERW/CERI隨AOD的變化.CERW和CERI隨AOD的變化趨勢(shì)在春季呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),冬季正相關(guān),夏、秋兩季CERI呈現(xiàn)正相關(guān),CERW 呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);不同季節(jié)下CERI和CERW隨AOD變化趨勢(shì)呈現(xiàn)顯著的地域性差異,除冬季南、北疆地區(qū)完全呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)外,其余三季大都均表現(xiàn)為相反的變化趨勢(shì),且相關(guān)性比較低.整體來(lái)看,AOD相同的情況下,CERI半徑均高于CERW;新疆地區(qū)CERW和CERI隨AOD的變化趨勢(shì)AOD變化趨勢(shì)與南疆地區(qū)保持一致,表明南疆地區(qū)對(duì)全疆CER隨AOD變化產(chǎn)生較大影響.

圖4 不同季節(jié)下氣溶膠光學(xué)厚度與云水路徑相關(guān)性Fig.4 Correlation of AOD and CWP in all seasons

表3 不同季節(jié)下氣溶膠與云滴粒子有效半徑的相互作用Table 3 Interactions of AOD and CER in all seasons

南、北疆地區(qū)不同季節(jié)下AOD與CER之間關(guān)系復(fù)雜,單純利用數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的線性關(guān)系很難全面反映兩者的關(guān)系.CER隨AOD變化所呈現(xiàn)出來(lái)的地域性和季節(jié)性差異較大,這是因?yàn)镃ER受水汽影響較大,AOD增加時(shí),CER不一定隨之線性增加.因此,引入衡量云層含水量的參數(shù)CWP,分析不同云層含水量條件下CER隨AOD的變化.將CWP劃分為6個(gè)等級(jí),分別分析各個(gè)等級(jí)范圍內(nèi),CER隨AOD的變化趨勢(shì).

由圖 5可以看出,不同云層含水量條件下,CER隨AOD的變化呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì).在云層含水量較低的情況下(CWP＜100g/m2),隨著AOD的增加,CER呈現(xiàn)減小趨勢(shì),而在云層含水量較高的情況下(CWP＞100g/m2), CER隨 AOD的增加而增加,但隨著云層含水量的增加,氣溶膠AOD 高值(0.6～1)出現(xiàn)概率明顯降低,且與低值(0～0.6)相比,其所對(duì)應(yīng)的 CER呈現(xiàn)出減小趨勢(shì),說(shuō)明在干燥地區(qū)或季節(jié),氣溶膠的增加,抑制云滴粒子的增長(zhǎng),對(duì)降水產(chǎn)生一定抑制作用;在濕潤(rùn)的地區(qū)或季節(jié),氣溶膠會(huì)促進(jìn)云滴粒子的增長(zhǎng),但高濃度的氣溶膠依然抑制降水.

圖5 不同云層含水量下氣溶膠與云滴粒子有效半徑的相互作用Fig.5 Interactions of AOD and CER in different CWP

2.3 氣溶膠與降水的關(guān)系

氣溶膠對(duì)大范圍降水總量影響未必很顯著,但它改變降水的時(shí)空分布和強(qiáng)度分布,使得降水更趨極端,對(duì)水資源的有效利用不利.本文針對(duì)氣溶膠對(duì)降水的影響研究采用的是大范圍、長(zhǎng)時(shí)間序列的氣溶膠和降水衛(wèi)星資料,通過(guò)高、低污染云產(chǎn)生不同降水量的概率比對(duì)間接證明氣溶膠對(duì)降水的影響.

不同氣溶膠條件下氣溶膠和降水存在3種關(guān)系.第一,低污染狀況(AOD＜0.5)下的降水率高于高污染狀況(AOD＞0.5),氣溶膠抑制降水;第二,高污染狀況下的降水量高于低污染狀態(tài),但是低污染狀況下高降水量(＞1mm)降水出現(xiàn)的概率高于高污染狀況,同樣表示氣溶膠抑制降水;第三,高污染狀態(tài)下的降水量高于低污染狀態(tài),且高污染狀況下高降水量降水出現(xiàn)的概率高于低污染狀況,此種情況表示氣溶膠促進(jìn)降水,且增大高降水量降雨的形成.由圖 6可知,除了南疆的春季以外,其他季節(jié)新疆地區(qū)低污染的狀況下產(chǎn)生降水的概率遠(yuǎn)高于高污染狀況;從降水量來(lái)看,南疆地區(qū)春季高污染狀況產(chǎn)生降水的概率高于低污染狀況,但未產(chǎn)生降雨的概率同樣高于低污染狀況,且低污染狀況下產(chǎn)生高降雨量的概率高于高污染狀況,說(shuō)明對(duì)新疆區(qū)域而言,AOD對(duì)降水整體呈現(xiàn)抑制作用.至于南疆地區(qū)春季出現(xiàn)的高污染狀況產(chǎn)生降水的概率高于低污染狀況這一現(xiàn)象,是因?yàn)槟辖貐^(qū)作為典型的沙塵源區(qū),春季揚(yáng)沙天氣頻繁,AOD整體偏高,對(duì)高低污染狀況進(jìn)行劃分時(shí),AOD高值所占比重較大,因此造成高污染狀況下降水出現(xiàn)概率較高這一現(xiàn)象.

整體來(lái)看,新疆地區(qū)隨著AOD的增大,降水出現(xiàn)的概率呈現(xiàn)減小趨勢(shì),以此趨勢(shì)定性來(lái)講,與氣溶膠濃度的空間發(fā)布和時(shí)間變化可能引起的降水變化規(guī)律一致.當(dāng)然,一致并不一定說(shuō)明它就是成因.大氣環(huán)流變化、全球變暖、下墊面狀況的差異等許多因素可能對(duì)降水分布有影響,但是至少可以認(rèn)為氣溶膠通過(guò)參與云微物理過(guò)程是可以貢獻(xiàn)到降水趨勢(shì)中的.

3 結(jié)論

3.1 近10a來(lái),新疆地區(qū)溫度呈非線性上升趨勢(shì),風(fēng)速、相對(duì)濕度、水汽壓呈下降趨勢(shì),總體表現(xiàn)為向暖-干的轉(zhuǎn)變,變化趨勢(shì)北疆地區(qū)大于南疆地區(qū).

3.2 受下墊面狀況和氣候條件的影響,10a間新疆地區(qū) AOD整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),空間分布呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性和地域性差異,整體表現(xiàn)為 AOD南疆高于北疆,春、夏高于秋、冬;AOD高值區(qū)主要集中在南疆的塔里木盆地和北疆的艾比湖流域下風(fēng)向地區(qū),其中,北疆地區(qū)AOD變化程度相對(duì)較為顯著,直觀顯示了氣候條件變化的區(qū)域性差異對(duì)新疆地區(qū)氣溶膠時(shí)空格局的影響.

3.3 新疆干旱區(qū)COD與AOD呈負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì),且受氣候和氣溶膠顆粒粒徑差異影響,二者相關(guān)系數(shù)北疆高于南疆,春、夏高于秋、冬;CWP受溫度、濕度影響較大,對(duì)AOD的變化的敏感程度北疆大于南疆,夏季最高,冬季最低;AOD與CER關(guān)系復(fù)雜,受水汽影響較大,在云層含水量較低的情況下,CER與AOD呈負(fù)相關(guān),而在云層含水量較高的情況下,二者呈正相關(guān),說(shuō)明在干燥地區(qū)或季節(jié),氣溶膠的增加,抑制云滴粒子的增長(zhǎng),對(duì)降水產(chǎn)生一定抑制作用.

3.4 氣溶膠和降水關(guān)系復(fù)雜,整體來(lái)看,新疆干旱區(qū)氣溶膠的增加抑制了區(qū)域降水的形成.

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Regional analysis of aerosol indirect effects in Xinjiang region.

ZHANG Zhe1,2, DING Jian-li1,2, WANG Jin-jie1,2,3, HE Bao-zhong1,2(1.College of Resources and Environment Science, Urumqi 830046, China；2.China Key Laboratory of Oasis Ecosystem of Education Ministry, Xinjiang University, Urumqi 830046, China；3.Xingjiang Vocational and Technical College of Communication, Urumqi 831401, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3521～3530

Aerosol optical depth and cloud data from satellite measurements, the precipitation data from ground observations were used to evaluate the spatial-temporal variations of aerosol characteristics and the interaction between aerosols, cloud and precipitation. The results showed: 1. The spatial distribution of aerosol optical depth in Xinjiang had a significant regional and seasonal variation due to the change of regional warm-dry conditions over the last decade. 2. The aerosol optical depth in South Xinjiang was higher than North Xinjiang. It was high in spring and summer and low in autumn and winter. It demonstrated an increasing trend. Wherein, aerosol optical depth in North Xinjiang changes more significantly. 3. There was a negative correlation between cloud optical depth and aerosol optical depth. Due to the influence of climate changes and size differences among particles, the correlation coefficient between cloud optical depth and aerosol optical depth in North Xinjiang was higher than South Xinjiang. 4. The cloud water path was greatly affected by temperature and humidity, and the sensitivity of the change of aerosol optical depth was greater than the southern. It was highest in summer and lowest in winter. 5. The relationship between aerosol optical depth and effective radius of cloud droplets was complex. They were greatly influenced by water vapour. When the water content in clouds was low, the effective radius of cloud droplets was negatively correlated with the aerosol optical depth. This indicated that the increase of aerosols in dry areas or seasons will inhibit the increase of cloud droplets. On the whole, the increase of aerosols in Xinjiang province suppressed regional precipitation.

aerosol；cloud；precipitation；climate change

X51

A

1000-6923(2016)12-3521-10

張 喆(1988-),女,新疆石河子人,新疆大學(xué)博士研究生,主要從事干旱區(qū)環(huán)境及大氣遙感等研究.發(fā)表論文4篇.

2016-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41130531,U1303381,41261090, 41161063);新疆大學(xué)優(yōu)秀博士研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(XJUBSCX-2014012)

* 責(zé)任作者, 教授, watarid@xju.edu.cn