气溶胶-云滴有效半径关系多源卫星遥感建模及其对降水影响研究

气溶胶-云相互作用是当今世界气候变化和云降水研究中最不确定问题之一，建立气溶胶-云微物理参数间的参数化方案，不仅有助于加深我们对气溶胶的间接气候效应的理解，而且可为人工影响天气作业提供重要科技支撑。本项目将以华北平原为研究区，基于长时间序列的地面气溶胶观测网实测气溶胶数据、 MODIS/POLDER，CALIPSO，TRMM等多源卫星遥感气溶胶/云/降水数据，构建气溶胶-云滴有效半径间相互关系模型，获得气溶胶、云滴有效半径的时空分布特征及变化规律。在此基础上，建立符合我国华北地区特点的气溶胶与云滴有效半径间的参数化方案，重点研究气溶胶-云在混合和分离等两种状态下的参数化方案，为区域气候模式气溶胶-云参数化提供更可靠、更准确的重要输入。同时，以卫星遥感降水为基础，结合气象台站实测降水数据，研究气溶胶对该区域降水的影响。

由于缺乏足够的观测资料、模式的分辨率不高、云参数对气溶胶的非线性响应等因素，气溶胶-云相互作用及其气候效应是目前气候变化最大的不确定性因子之一。本项目基于2007年1月－2013年12月长时间序列的光学卫星传感器MODIS/Aqua,激光雷达卫星CALIOP/CALIPSO，星载云廓线雷达CPR/Cloudsat，以及同期的地面气象观测资料。首先得到了我国不同季节不同类型气溶胶的三维概率分布图。并利用时空匹配的方法，建立了气溶胶-云微物理参数（包括云滴有效半径和云量）相互作用关系(ACI)模型。我国北方在春季存在一个显著的沙尘气溶胶输送带，受森林大火和农作物秸秆燃烧等影响，在夏秋季在我国东南部存在一个明显的烟尘气溶胶输送带，且其传输高度很少超过5km。我国东部地区夏季AOD峰值与气溶胶的垂直分布廓线的季节变化有关。由日尺度MODIS AOD和云滴有效半径（CDR）获得的统计结果揭示了中国东部陆地CDR随着AOD增加而增大的关系，这与气溶胶的 “Twomey效应”结论相反。进一步指出当大气热力条件相对不稳定的情况下，会出现“反Twomey效应”，说明大气热力条件在陆地上和气溶胶皆与ACI存在明显的竞争关系。中国东部地区气溶胶更易使云横向发展而不是垂直发展，而在海洋上气溶胶则更易抑制云的的垂直发展。进一步利用CALIOP/CALIPSO和CPR/CLOUDSAT在分辨气溶胶层和云层垂直结构的能力，深入研究了气溶胶和云层的混合状态对ACI的影响。我们发现在中国东部地区气溶胶云滴有效半径之间呈现一个Boomerang型,即当AOD小于0.4时，CDR随AOD增大而减少，完全符合Twomey效应。而在重度污染情况下（AOD>0.4），CDR随AOD变化的规律变得离散，此时气溶胶的微物理效应处于次要作用，而其他云的动力反馈等占主导作用。我们利用长达40年的气象站点小时降水数据和相关气象数据，以及对应的能见度数据（CCN的替代因子），发现华北地区的大气污染导致太行山的小雨频次减少，大雨频次增加。谱分辨云解析模式(WRF-SBM)模拟结果进一步证实了气溶胶对降水的影响。