CALIPSO和CloudSat卫星资料研究东亚地区不同类型气溶胶和云的相互作用

Clouds and aerosols have complicated interactions; a major uncertainty in the study of aerosol effects on climate is to identify how different types of aerosol affect the properties of different types of clouds. Because of this, adjustments of cloud in response to aerosol loading are not well represented in climate models, and this has been recognized as one of the major sources of uncertainty in our knowledge of the climate system. The largest advantage of CloudSat and CALIOP/CALIPSO is that they continuously provide nearly collocated vertical profiles of cloud and aerosol in the atmosphere with high spatial and temporal resolution along their orbits. In addition, the newly developed CloudSat cloud-type and CALIOP/CALIPSO aerosol-type classification schemes provide a new venue to facilitate aerosol-cloud observational study. Using collocated CALIOP/CALIPSO and CloudSat measurements, together with other A-Train satellite observations and radiative transfer calculations, this proposed study will investigate and quantify how different types of aerosols affect different types of clouds. In particular, we will analyze the impacts of different aerosol types on the properties and vertical structure of different cloud types using multi-satellite observations, and thus provide insights for future aerosol-cloud parameterizations in climate models.

气溶胶—云相互作用仍然是气候变化研究中最大的不确定因素，一个主要原因是目前科学界还不能很好地解释不同类型气溶胶与不同类型云之间的相互作用机制，导致气候模式不能准确地给出与气溶胶有关的云物理属性及其辐射效应。CALIOP/CALIPSO和CloudSat卫星资料可以提供气溶胶和云的准同步高时空分辨率的垂直廓线观测，最新的CloudSat云分类产品和CALIOP/CALIPSO气溶胶类型产品为研究不同类型气溶胶与不同类型云的相互作用提供了新契机。本研究拟采用匹配的CALIOP/CALIPSO、CloudSat卫星资料和辐射传输模式，研究东亚地区不同类型气溶胶对不同类型云的影响，对不同类型气溶胶和不同类型云的直接和间接效应进行定量评估，为气候模式的气溶胶—云物理过程提供更好的参数化方案，进而提高气溶胶—云—气候相互作用的认识水平。

联合利用多源卫星资料（CloudSat、CALIOP、MODIS、AVHRR、TRMM），地基AERONET、中国气溶胶遥感监测网络（CARSNET）和欧洲天气预报中心（ERA5）提供的2007~2015年气溶胶、云和降水观测资料，系统研究了不同类型气溶胶对东亚地区的深对流云降水频率和降水强度的影响，气溶胶对其它类型云、降水的影响和不同类型云微物理特征对气溶胶的响应。结果表明：随着沙尘气溶胶AOD的增加，降水频率逐渐从49%增加到89%，且主要提高了大雨的降水频率（4%增加到17%）。污染的陆地气溶胶也增加了大雨的发生频率（4%增加到13%）。烟尘气溶胶促进了降水的发生，主要是增加了小雨和中雨的发生频率。由于气溶胶的激发作用，沙尘、污染的陆地气溶胶和污染的沙尘气溶胶可以促进小时降雨量和降雨速率的增加。沙尘气溶胶AOD从0.2增加到1.1，降水量从1 mm/h增加到3.5 mm/h。随着烟尘气溶胶AOD的增加，降水量呈现先增加（AOD<0.5）后减少（AOD≥0.5）的趋势。云顶高度（CTH）对不同类型气溶胶的响应结果进一步证实了气溶胶的激发效应，结果表明沙尘、污染的陆地气溶胶和污染的沙尘气溶胶确实具有增强深对流云降水的潜力。然而，对于烟尘气溶胶，CTH一般随AOD的增加而减小，这与其它类型的气溶胶不同。统计分析了相对湿度、风速、对流有效位能（CAPE）和对流抑制能（CIN）等气象因子对AOD与降水关系的影响，结果表明AOD与降水的相关性大部分（>60%）是由气溶胶本身造成的。与陆地结果不同，在海洋上，随着气溶胶含量的增加，气溶胶是先增强后抑制深对流降水，这可能与海洋和陆地的降水机制不同有关。东亚地区气溶胶对不同类型云对应的降水强度的影响是随着AOD的增大，降水率呈现增加趋势，两者呈现正相关，在深对流云和雨层云中表现最明显。气溶胶对不同类型云的总云量、冰云云量、云顶高度和冰水路径的影响差异较大。气溶胶的激发作用在深对流云类型上效果最为显著，其次是雨层云。而相对湿度对卷云、高积云和积云的冰云云量影响较为显著，对其它云类型来说，相对湿度的影响较小。