4.4 气溶胶直接/间接效应对降水的影响及其机制
以上的研究表明，城市下垫面的改变与气溶胶的浓度增加对于此次降水过程具有相反的影响，并且气溶胶对此次降水的影响更为重要。在第2章中，分析了土地利用/土地覆盖的变化对于此次降水过程的影响，并且探究了其影响机制，在这一部分中将对气溶胶影响降水的机制进行深入研究，分析气溶胶的直接和间接效应对降水过程的作用，并且探究其影响降水的主要机制。从图4.1（e）和 （f）可以看出，气溶胶的直接和间接效应对降水的分布也呈现相反的作用，气溶胶的间接效应导致了北京市的西北部 （R1）的降水减少，而在北京市的东南部（R2）降水增加。R1区域降水减少了48.29%，R2区域降水增加了33.26%。而气溶胶的直接效应对于降水分布的影响小于间接效应的作用，最终造成北京市的西北部（R1）降水增加了24.87%，而东南部 （R2）降水减少了4.64%。如图4.1所示，通过比较U1A0、U1A1和U1AIE试验对于降水日变化的模拟结果，同样可以看出，气溶胶的间接效应对于此次降水过程的影响更大。图4.3（e）和 （f）分别给出了气溶胶的直接和间接效应对于这次降水过程的影响。由于此次降水系统从西北向东南方向发展，气溶胶的间接效应明显抑制了北京市西北部（上游地区）的降水，使得在降水过程的初期雨量明显减少，而在北京市东南部 （下游地区）降水显著增加。通过比较图4.3（e）和（f），也可以看出，气溶胶的直接效应对降水的影响较小，也就是说在此次降水过程中，气溶胶对于降水的时间和空间分布的影响主要是由间接效应引起的。
由于气溶胶间接效应对于降水过程的影响更大，本书将进一步研究气溶胶的间接效应对于此次降水系统的影响机制。图4.4给出了这次降水过程中 （6月27日14：00至6月28日02：00）气溶胶的间接、直接效应对于向外长波辐射 （OLR）的影响。如图4.4（a）所示，随着降水系统从西北向东南方向移动，OLR 在上游地区 （R1）明显增加，最大增加量为65.58W/m2，而在下游地区（R2）显著减少，最大的减少量为85.25W/m2。OLR 在R1的增加和在R2的减少主要与这次降水过程中对流系统被抑制和得到增强有关。通过比较图4.4（a）和 （b）可以看出，气溶胶的直接效应对OLR 的影响很小，因此气溶胶对OLR 的影响主要是通过间接效应引起的。综上所述，在这次降水过程中，气溶胶主要通过间接效应在降水的初期抑制了上游地区 （R1）的对流活动，然而随着降水过程的发展，对流过程在下游地区（R2）明显增加。
图4.4 向外长波辐射之差沿AB的时间-经度剖面(https://www.daowen.com)
图4.5 U1AIE-U1A0在R1区域和R2区域各物理量之差的时间-高度剖面
（注：潜热释放率用等值线表示，其值大于0时为实线，小于0时为虚线）
通过以上的分析可以看出，气溶胶主要通过间接效应影响了此次降水过程中的对流活动，进而对这次降水产生了重要的影响。为揭示气溶胶间接效应影响对流过程的机制，本书绘制了从2008年6月27日14：00至6月28日02：00气溶胶间接效应对R1和R2区域云滴数（阴影）和云滴有效半径 （有效半径）影响的时间-高度剖面 [图4.5（a）和（b）]。可以看出，无论在R1区域还是R2区域中，云滴数都明显增加，云滴有效半径却显著减少，这将抑制云滴的碰撞碰并过程 （Warner and Rosenfeld，2000）。图4.5（c）和（d）分别给出了从2008年6月27日14：00至6月28日02：00气溶胶间接效应对R1区域和R2区域垂直速度 （阴影）和潜热释放 （等值线）影响的时间-高度剖面。虽然在R1区域和R2区域，气溶胶的间接效应对云滴的影响较为相近，但是对云滴热力性质的影响却有很大差别。在上游区域（R1），由于云滴的半径减小，有利于蒸发冷却，该地区的潜热释放明显减少。较强的蒸发冷却导致了在降水初期R1区域的垂直上升运动明显减弱。图4.5（e）和（f）给出了气溶胶间接效应对冰晶数密度的影响，可见在降水初期R1区域中冰晶数密度明显减少，此后由于更多的云滴抬升到0℃层，随着降水系统向东南方向发展，在下游地区R2凝结成冰晶并且释放了大量潜热 [图4.5（d）]。增加的潜热释放有利于上升运动，促进了对流的发展[图4.4（b）]，最终导致降水在下游地区（R2）显著增加[图4.3（b）]。通过比较图4.5（c）和 （d），可以看出，在R2区域中由于云滴凝结成冰晶所产生的最大潜热释放的高度高于R1区域中由于蒸发冷却造成的最大潜热释放的高度，这是气溶胶间接效应对锋面降水不同阶段产生不同效应的原因，前人的诸多研究也发现了气溶胶对于对流系统的促进作用 （Rosenfeld，2008），但没有详细解释气溶胶间接效应对对流系统影响存在差异的原因。
综上所述，城市化造成的土地利用/土地覆盖的改变与气溶胶的浓度增加对降水过程具有相反的影响，其中气溶胶的浓度增加对此次降水过程的影响更为重要。随着降水系统自西北向东南方向移动，城市土地利用的改变（气溶胶的浓度增加）增加（减少）了北京市西北部的降水，减少（增加）了北京市东南部的降水。气溶胶的直接或间接效应对于降水的影响也具有相反的作用，其中间接效应对降水的影响更为重要。随着降水系统自西北向东南方向移动，气溶胶间接效应在上游地区抑制了对流过程的发展，造成该地区降水减少，而在下游地区加强了对流活动，导致降水显著增加。通过对气溶胶通过云微物理过程影响降水的机理进一步分析发现，气溶胶间接效应导致云滴数密度增加，云滴半径显著减小，不利于云滴的碰撞碰并过程。在上游地区由于云滴半径减小，蒸发明显增强，潜热释放减少，导致垂直上升运动减弱，对流系统的发展受到抑制，最终造成了该地区降水的减少。而在下游地区，由于云滴上升至凝结层，凝结成冰晶且释放大量潜热，导致垂直上升运动增强，促进了对流系统的发展，导致降水增加。
