四川盆地气溶胶变化对弱降水的影响：基于干能见度的气候分析

王健颖，郑小波，赵天良，马晓燕*，郭晓梅，李跃清，罗磊

1.南京信息工程大学 气象灾害省部共建教育部重点实验室//南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心//中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002；3.中国气象局成都高原气象研究所，四川 成都 610072



四川盆地气溶胶变化对弱降水的影响：基于干能见度的气候分析

王健颖1，郑小波2，赵天良1，马晓燕1*，郭晓梅1，李跃清3，罗磊3

1.南京信息工程大学 气象灾害省部共建教育部重点实验室//南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心//中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002；3.中国气象局成都高原气象研究所，四川 成都 610072

摘要：降水是气候变化中最主要也是变化较大的因素，相对于较大量级的降水，小量级降水对增暖、气溶胶等因素的变化更为敏感，但目前有关小量级降水与气溶胶相互关系的研究较少。利用1973─2010年四川盆地及周边46个气象台站逐日降水、能见度、相对湿度等资料，分析了弱降水（0～1 mm）日数和干能见度资料替代的气溶胶浓度变化趋势及二者可能的关系。结果表明，（1）近38年来，四川盆地的平均年弱降水日为72.2 d，年平均弱降水日数呈减少趋势，减少率达3.3 d/10 a，盆地的中南部和西部经济发达区域减少明显。（2）盆地半数以上站点的消光系数变化与弱降水日数变化呈负相关，弱降水日数的减少在干能见度低值区（即气溶胶高值区）比干能见度高值区更显著；（3）借鉴降水地形强化因子（Orographic enhancement factor）的概念，提出弱降水变化因子R0（干能见度低值区弱降水日与干能见度高值区弱降水日比值），R0反映了气溶胶浓度的差异影响弱降水日数相对变化的程度。弱降水变化因子R0有逐年减少趋势，弱降水日R0在38年间减少了7%，即相较于干能见度高值区，干能见度低值区的弱降水的发生频率较少，这说明气溶胶对于降水的抑制作用在气溶胶高值区较明显。

关键词：气溶胶气候效应；弱降水；四川盆地；干能见度

引用格式：王健颖，郑小波，赵天良，马晓燕，郭晓梅，李跃清，罗磊.四川盆地气溶胶变化对弱降水的影响：基于干能见度的气候分析［J］.生态环境学报，2016，25（4）:621-628.

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水对人类生存至关重要，大气降水是地表水和地下水的最终补给来源，也是水循环中重要的一环。降水是气候变化中最主要也是变化较大的因素，降水频率和降水量的变化对人类活动和整个地球生态系统都有着非常重要的影响。中国降水呈现东北—西南向的增-减-增的分布变化状态，其中以西北地区及长江三角洲的增加趋势和华北及西南、川东地区的减少趋势较为显著；降水减少呈季节变化，秋季降水减少较其他季节普遍明显（宁亮等，2008；Liu et al.，2009；廖义善等，2014；叶金印等，2016）。研究表明中国区域平均小雨量显著减少，大雨量和极端降水量有所增加；而小雨和中雨频次逐步减少，大雨和极端降水频次增加（李聪等，2012）。降水日数的减少主要是由于小雨日数减少造成，小雨的减少在华北、华东、西南地区最明显（杨宝钢等，2014；胡宜昌，2013）。大气气溶胶是由固体颗粒或微小液体在气体介质中形成的悬浮体系。大量观测和数值模拟研究都表明，大气中的气溶胶粒子可以通过影响云的微物理过程和大气稳定度等影响降水过程。但相关气溶胶观测资料较少，其与降水之间的相互影响过程也相对复杂（郭学良等，2013）。对于其影响机制的认识主要有两种，（1）气溶胶颗粒可以作为云凝结核（CCN）和冰核（IN）对成云条件和降水具有重要影响，CCN浓度的增加能使小云滴半径减小，云滴数浓度增多，从而有效减少雨滴的质量，延缓雨滴的形成（Fu et al.，2014）。另外，气溶胶可以通过影响CCN 和IN改变云雨的类型，如可使非降水性云转换成降水性云。这种机理称为大气气溶胶的间接作用。通过间接作用能够改变云的辐射特征、云量和生命期，从而也改变降水的分布和强度（Twomey，1977；Jiang et al.，2006；Rosenfeld，2000；丁一汇等，2009）。有研究指出（Li et al.，2011；Koren et al.，2008），气溶胶浓度的增加可使积层混合云云顶高度增加，并且对于高云水含量的云，随着CCN浓度的增加降水的频次将增加，而对于低云水含量的云则相反。（2）气溶胶的吸收效应能通过加热近地面气溶胶浓度较高大气层，冷却地表，改变大气稳定度。这种效应可使近地面层更加稳定，抑制水循环过程（Ilan et al.，2004；Feingold et al.，2005）。部分学者（Qian et al.，2009；Zhao et al.，2006；高艳春等，2014）针对中国东部小雨频数减少原因展开了研究，结果表明中国东部小雨及微量降水频数的减少与东部地区人为气溶胶的排放增多有很大关联，对流层底部气溶胶浓度的增加影响了大气的辐射过程，减少了到达底层的大气辐射，增大了大气稳定度，抑制了该区域的大气上升运动和降水，同时，降水的减少削弱了其对气溶胶的清除过程，使气溶胶增加，这种循环反馈机制加速了中国东部气溶胶的浓度增加。到目前为止，气溶胶对于大气水循环的影响仍是亟待解决的问题。位于中国西南部的四川盆地，由于特殊的地形，盆地内降水区域性差异大，变化较复杂。近50年来四川盆地年降水发生日数总体呈减少趋势（任小玢等，2012；周长艳等，2011）。盆地人口稠密，经济相对发达，人为排放较高，加之四周山地阻挡不利于污染物的疏散，污染物长期堆积使大气中气溶胶含量较高。相对于较大量级的降水，小量级降水对于气溶胶、增暖等因素的变化更为敏感（王晖等，2013）。然而，目前国内受到缺乏气溶胶观测资料的制约，只有少数学者关注到弱降水受气溶胶变化的影响，而对于盆地弱降水变化与气溶胶的关联研究就更少了。本文用近38年来四川盆地及周边气象台站的能见度（作为气溶胶的替代资料）和降水观测资料，分析两者间可能存在的关系，进而分析大气气溶胶的变化对于弱降水的影响。

1　资料与方法

采用1973─2010年四川盆地及盆地周边46个气象台站（包括四川省的14个站及重庆市32个站）的逐日降水、能见度和相对湿度等资料，研究了降水量在0～1 mm·d-1的弱降水变化趋势（李冰等，2011）。

大量的研究表明，在排除了天气现象（如降水、扬沙等）条件下，大气能见度降低主要是气溶胶细粒子浓度增加造成的，细粒子的消光作用对于总消光的贡献可达一半以上，光散射系数与细粒子浓度有强相关性，颗粒物的消光效率在可见光范围最大，而大气能见度与大气消光系数呈负相关，因此，使用能见度资料可表征气溶胶粒子的浓度特征（Dzubay et al.，1982；Appel et al.，1985；Lee et al.，2005；Charlson，1969）。国内研究也表明，晴朗天空能见度的降低与大气中气溶胶的浓度增大有关（Wang et al.，2009），如陈静静等（2010）和杨琨等（2008）分别通过对青岛等地气溶胶资料及气溶胶指数的分析和能见度资料的反演，发现气溶胶的光学厚度与水平能见度呈负相关，即能见度受气溶胶粒子浓度的影响，在大气底层气溶胶粒子较多时，大气消光系数变大，气溶胶光学厚度也随之变大，导致能见度较小，反之亦然。由于中国的气象台站每天进行4次（2:00、8:00、14:00、20:00）能见度观测，但2:00、8:00、20:00能见度观测会受到非气象观测因素（如夜间灯光目标物强度、眼睛灵敏度等）的影响，从而对于当天能见度的判断影响较大（郭晓梅等，2014），故本文选用气象台站14:00观测资料代表当天的能见度。20世纪80年代以前，中国能见度观测按照10个等级划分，自1980年以后，能见度的观测改为以千米为单位。为使资料统一，本文采用秦世广等（2010）的方法，对1980年之前的能见度资料进行均一化处理，处理后的能见度年平均值估算误差范围为-0.15%～1.7%，使1973─2010年的能见度资料的时间序列具有一致性。因为影响能见度的因子不仅有气溶胶，还包括水汽等湿度因子，为排除因气象因素（如降水、雾等，另外四川盆地没有扬沙天气，故不考虑这一因素）和高湿度等天气条件对能见度观测的影响，在分析能见度资料时，剔除了相对湿度大于90%的能见度数据，并且对于相对湿度在40%～90%的能见度数据进行了湿度订正得到所谓的“干能见度”（Rosenfeld et al.，2007），使其与较干空气下的能见度一致，订正公式如下：

式中，VIS为实际能见度，VIS（dry）为干能见度，RH为相应时次的相对湿度值（%）。另外，为反映自1973年以来四川盆地区域气溶胶的增减状况，根据盆地内干能见度气候倾向率（km/10 a）的大小按从负到正进行排序，将气候倾向率为负且绝对值最大的前四分之一站点（11个）定义为“气溶胶高值区”；选取其中排序靠后的11个站点，即能见度气候倾向率为正值（10个站）和倾向率虽为负值但绝对值相对非常小的1个站，定义为“气溶胶低值区”。这样的划分可以保证气溶胶高值区站点的干能见度为同时期盆地内所有站点中，减少最快的，即该区域在研究期间气溶胶浓度增加较明显；而气溶胶低值区站点的干能见度为同时期站点中几乎不减少或相对增加的，即该区域在研究期间气溶胶浓度增加相对较少。同时，本文采用线性倾向估计方法和相关性分析来研究气溶胶和降水之间的关系。

2　结果与分析

2.1四川盆地弱降水年际变化特征

近38年来（图1），四川盆地的平均年弱降水日数为72.2 d，并正在以4.1 d/10 a的速率呈显著性减少（通过99%显著性检验）。变化的规律是，上世纪80年代弱降水日数较多，最多可达84 d·a-1（1984年），之后弱降水日数迅速减少；到本世纪初，平均年弱降水日数小于70 d·a-1，最少只有62 d·a-1（2010年）。从空间分布看（图2），弱降水的减少趋势较明显的地区主要集中在盆地的中部和西部，该区域为川渝地区的经济发展中心，如涪陵、沙坪坝、南充，弱降水日变化率可分别达到-0.81、-0.58、0.78 d·a-1；而在盆地周边地区，如广元、綦江、巫山等弱降水呈增加趋势，变率可达0.01、0.29、0.04 d·a-1。因此可以推断，在相同大气候背景下，四川盆地不同区域的弱降水日出现较大的差异可能是受到除气候变化因子之外的其他因素的影响。

图1　四川盆地年平均弱降水日年际变化及线性趋势Fig.1 Interannual variation and trend in annual average of light rain days over Sichuan Basin from 1973 to 2010

图2　四川盆地年平均弱降水日变化趋势分布Fig.2 The variation trends of light rain days from 1973 to 2010 over Sichuan Basin

2.2弱降水与气溶胶变化关系

从整体来看，盆地内干能见度较低，盆地年平均干能见度低于20 km，为18.0 km，远低于全国平均年均能见度26.9 km（Che et al.，2007）。盆地内平均干能见度的空间分布呈西南低东北高的分布趋势（见图3），这与盆地内气溶胶光学厚度（AOD）的分布状况较为一致（郑小波等，2010）。盆地内年平均干能见度最大值位于重庆东南部山区的黔江，可达30 km；最小值位于重庆中部的北碚区，只有8.2 km。1973─2010年盆地干能见度平均变化趋势为-0.07 km·a-1，从图4知，大部分站点干能见度有较为显著的降低趋势，其中盆地西南部干能见度下降最为明显，这种特征可能与盆地的地形、人口密集、人为气溶胶排放较多有关。另外盆地内静风频率较高（赵素蓉，2003），年平均风速在1.0 m·s-1以下，低风速不利于污染物的扩散，因此造成能见度较低现象。而盆地北部和东南部干能见度有增加趋势，干能见度增加的站点主要为一些盆地向山区过渡的区域，如广元市、巴中市、达州市干能见度变化率分别为0.03、0.05、0.09 km·a-1，这些区域经济相对不发达，当地污染排放较少，植被覆盖率较高。

图3　四川盆地1973─2010年间多年平均干能见度分布Fig.3 Distribution of annual average dry visibility from 1973 to 2010 over Sichuan Basin

图4　四川盆地1973─2010年干能见度变化趋势Fig.4 Distributions of variation trends of dry visibility from 1973 to 2010 over Sichuan Basin

大气消光系数（Atmosphere optical extinct coefficient，AEC）是指大气中的分子和颗粒物通过散射和吸收对通过单位距离的光产生的总削弱。研究表明，大气中气溶胶浓度与大气的消光系数有较高相关性（姚青等，2012；李学彬等，2015；徐薇等，2015），可以使用Koschmieder公式通过能见度来计算大气的消光系数：

式中，Bewt为消光系数，VIS为气象能见度距离。有学者已经将该关系式应用于气溶胶相关的气候研究中（Deng et al.，2008；Tie et al.，2009），因此本文使用大气消光系数来表征大气中气溶胶的浓度特征，并分析其与弱降水之间可能的关系。

结果表明盆地内有一半以上台站（26个）的弱降水日与消光系数呈负相关，负相关较显著区域主要位于盆地西部和中部（参见图5），如成都、重庆北碚、重庆沙坪坝等，该区域本身经济较发达，人口密集集中，人为排放污染物较多，大气污染程度较严重；盆地北部和南部的弱降水日与消光系数呈正相关，如广元市、巴中市、达州市，这些地区多为盆地与周边山区接壤地区，人口相对稀疏，工业发展较落后，人为活动排放污染少，环境保护较好，影响弱降水日数变化的主要因素并非大气中的气溶胶。图6给出了四川盆地消光系数与平均弱降水日数年际变化的时间序列，从图中可以看到盆地消光系数与弱降水日变化的走势呈相反趋势，特别是在20世纪90年代后弱降水日有明显减少趋势，而消光系数有较明显的增加趋势，由此推断四川盆地区域弱降水的减少可能与气溶胶变化有关。

图5　四川盆地消光系数与弱降水日相关系数分布Fig.5 Distributions of correlation coefficient of AEC and light rain days over Sichuan Basin

图6　四川盆地消光系数与平均弱降水日年际变化Fig.6 Time series variation of AEC and light rain day

表1　不同区域弱降水降水变化对比Table 1 The comparison of light rain variation in different area

表1为根据各站点能见度气候倾向率大小划分的干能见度低值区（即气溶胶高值区）和干能见度高值区（即气溶胶低值区）弱降水变化的对比。干能见度低值区的平均干能见度和平均弱降水日平均值最低，分别为13.9 km和71.9 d，并呈显著减少趋势（均通过99%显著性检验），而其消光系数较高，为0.24/km。干能见度高值区（即气溶胶低值区）的平均干能见度和平均弱降水日数分别为19.8 km和75.1 d，明显高于盆地整体平均及干能见度低值区，而其消光系数为0.20/km，低于全区域的平均消光系数。另外，该区域的干能见度呈较显著上升趋势，且弱降水日数的变率相对较小。在38年间，干能见度低值区平均干能见度减少了9.5 km，平均弱降水日数减少了15.7 d，相比四川盆地整体平均变化趋势，高气溶胶区域两者的减少值都较大，且该区域的弱降水日数与消光系数呈显著负相关，与干能见度呈显著正相关，由此可以推断，该区域由于受气溶胶浓度增加的影响，弱降水可能被抑制。

图7为干能见度低值区及高值区消光系数与弱降水日年际变化。干能见度低值区和干能见度高值区的弱降水日数的斜率分别为-0.41和-0.28，说明干能见度低值区弱降水日数的减少速率明显快于干能见度高值区。从干能见度低值区弱降水日数变化与干能见度变化的关系来看，弱降水日数减少并非是降水的天气系统变化造成的，而是有其他局地因素的影响。因为如果是由于天气系统变化使四川盆地的微量降水日数减少，对盆地内各个台站来说是随机过程，降水减少的台站不会与消光系数（即气溶胶）的变化相关，所以可以认为干能见度低值区弱降水日数减少的主要原因可能是气溶胶增加。

图7　弱降水日数与消光系数年际变化（a）干能见度高值区，（b）干能见度低值区Fig.7 Time series variation of AEC and light rain days.（a） visibility high area and （b） visibility low area

为进一步分析这两个区域相对弱降水日数变化的时间序列变化与气溶胶变化相关的特征，借鉴了降水地形强化因子（Orographic enhancement factor）的概念。它是由Givati et al.（2004）提出的，强化因子R0是指高海拔山区降水与上风方向平原地区降水的比值。它是表示由于地形的抬升，气流在爬升过程中，容易将平原底层堆积的气溶胶粒子带入山上的云中，使地形云中凝结核数量大大增加，从而影响高山的云和降水。Rosenfeld运用地形强化因子，研究了加利福尼亚和以色列冷季的地形云。研究表明，由于气溶胶增加的影响，高山地形云的降水量减少了15%～25%。中国戴进等（2008）应用这一公式研究了陕西秦岭地区干能见度（替代气溶胶数据）对于地形云降水的影响。结果表明，随着干能见度的下降，秦岭地区的R0逐年递减，减幅为14%～20%。气溶胶对于云和降水的影响是一个较为长期的过程，基于四川盆地近年来气溶胶增加的速率较为明显，为初步研究气溶胶增加对于降水的影响，借鉴该概念，设弱降水变化因子R0为干能见度低值区（即气溶胶高值区）弱降水日数与干能见度高值区（即气溶胶低值区）弱降水日数之比，若R0＜1则表明气溶胶浓度的增加使降水日数减少；另外，R0的年际变化趋势实际上还反映随着气溶胶浓度增加，气溶胶对云微物理结构的影响，从而造成的降水日数相对变化的程度，若R0减小，则说明气溶胶对弱降水有抑制作用。图8是弱降水日数R0的时间序列分布，以及干能见度低值和高值区弱降水日时间序列。从图中可以看出R0随时间变化呈现较明显的减少趋势，在时间轴（x轴）上任意一点均有R0＜1。另外，2010年弱降水日R0与1973年的R0（1973）之比均值为0.93，也表明，随着时间变化，相对于干能见度高值区，干能见度低值区的弱降水日数被相对较高浓度的气溶胶抑制了。

图8　四川盆地不同区域弱降水日R0时间序列Fig.8 Time series of R0of The light rain days over Sichuan Basin

3　结论与讨论

3.1结论

利用近38年（1973─2010年）四川盆地各气象台站逐日能见度、降水、相对湿度等资料，对盆地弱降水变化特征进行了分析，并通过盆地表征气溶胶浓度变化的大气干能见度变化特征，初步探讨了气溶胶与微弱降水变化间可能的联系，得出以下结论：

（1）近38年，四川盆地的多年平均弱降水日数为72.2 d。年平均弱降水日数呈减少变化趋势，平均减少了12.5 d，弱降水日数平均减少率达3.3 d/10 a，其中在盆地的中南部和西部减少最为明显。

（2）盆地内半数以上站点的弱降水日变化与大气消光系数变化呈负相关，相关系数最大可达-0.61。弱降水日数的减少在干能见度低值区（即高气溶胶区）比干能见度高值区（即低气溶胶区）更显著。可以推断盆地大气气溶胶的增加可能对弱降水有抑制的气候效应。

（3）弱降水日数变化因子R0表明，低干能见度区域由于气溶胶浓度增加使降水日数减少的趋势明显大于高干能见度区域。另外，R0呈逐年减少趋势，弱降水日的R0在38年间减少了7%，说明随着气溶胶的增加，相较干能见度高值区的弱降水，干能见度低值区的弱降水被抑制了，也就是说由于气溶胶的气候效应，弱降水日数发生的频率在减少。

3.2讨论

由于国内缺乏长时间序列的气溶胶观测资料，本文使用目前国内外认可的干能见度数据作为气溶胶浓度的替代资料，这一方法可能会对研究结果带来一定的误差。针对气溶胶资料的缺乏，已经有学者提出使用地面气象能见度和水汽压数据来确定大气柱气溶胶光学厚度的参数化模式（邱金桓等，2001）和卫星遥感气溶胶方法，但这些方法的准确性还需要长序列气溶胶地面观测资料来进行验证或订正。另外，由于降水与气溶胶之间关系较复杂，影响降水变化的可能还有一些其他因素，如一些学者提出降水变化可能与温度升高有一定关系（Zhao et al.，2006），也有学者认为与亚洲东部夏季风减少有关（Fan et al.，2011）。不过，鉴于四川盆地较高的气溶胶值和明显变化的弱降水趋势，以及其较一致的相关性，气溶胶变化对于该地区降水的影响不可忽视，但由于四川盆地地形的特殊性，其主要影响机理还需要更进一步的研究。

致谢：感谢国家自然科学基金项目（40475005；91544109）、江苏省六大人才高峰高层次人才项目（2014JY019）、江苏省高校优势发展学科（PAPD）的资助，以及四川省和重庆市气象局信息中心提供的气象资料。

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The Effects of Aerosol Variation on Light Rain over the Sichuan Basin：Base on Dry Visibility

WANG Jianying1，ZHENG Xiaobo2，ZHAO Tianliang1， MA Xiaoyan1*，GUO Xiaomei1，LI Yueqing3，LUO Lei3
1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Education，Nanjing University of Information Science & Technology//Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science & Technology//Key Laboatory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing 210044，China；2.Guizhou Institute of Mountainous Environment and Climate，Guiyang 550002，China；3.Chengdu Institute of Plateau Meteorological，Chengdu 610072，China

Abstract：Precipitation is the major but more variable factor of climate change，light rain is more sensitive to temperature variation and aerosol.By using the daily data of precipitation，visibility and relative humidity observed at 46 weather stations over Sichuan Basin during 1973─2010，we analyzed the long term trend of light rain （0～1 mm） over Sichuan basin，and further discussed the possible relationship between light rain and aerosol variation.The results showed that，（1） precipitation contributed by light rain days exhibits a decrease trend over Sichuan Basin.The annual light rain days is 72.2 day，The decreasing rate of light rain days is -3.3 d/10 a，especially at west and north Sichuan Basin.（2） The variations of Aerosol optical extinct coefficients （AEC） are significantly positive-correlated with light rain days over most area of Sichuan basin，which is especially apparent in the areas with low visibility.（3） The variation factor of light rain days （R0） decrease 7% during the study years，while aerosol burden （represented by visibility in the study） increase，which implied that the reduction of light rain is probably related to the variation of aerosol，i.e.increasing of aerosol suppress light rain over Sichuan Basin.

Key words：climate effects of aerosol； light rain； Sichuan basin； dry visibility

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.011

中图分类号：X16

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）04-0621-08

基金项目：国家自然科学基金重点项目（40475005；91544109）；江苏省六大人才高峰高层次人才项目（2014JY019）；江苏省高校优势发展学科（PAPD）

作者简介：王健颖（1991年生），女，硕士研究生，主要从事气溶胶的气候效应方面研究。E-mail:wangjyjane@126.com

*通信作者。马晓燕，E-mail:xiaoyancloud@gmail.com

收稿日期：2015-12-30