基于卫星遥感探究气溶胶间接效应海陆差异成因

之前大量的研究从飞机观测、地基遥感和卫星遥感的角度均观测到了Twomey 效应，即气溶胶数浓度与云滴有效半径（CER）之间的负相关。此外，也有研究从气溶胶-云相互作用引起的大气顶反照率的改变这一视角，更加直接地确认了气溶胶通过改变云而造成的对地球系统的冷却作用。除了已被广泛证实的 Twomey 效应外，还观测到了 气溶胶光学厚度（AOD）或气溶胶指数（AI）与 CER 之间存在弱相关，甚至在某些区域存在正相关的现象（即，“反 Twomey 效应”）。总体来说， AOD/AI和 CER 在海洋上表现为负相关，而在陆地上则为正相关。以上看似矛盾的关系促使我们进一步探索背后潜在物理原因、或者分析方法和观测手段引起的偏差。

气溶胶与云之间的作用过程十分复杂，同时受到气溶胶微物理特性、 气象条件、 云类型以及气溶胶与云层的相对位置等多个因素的影响。已有一些研究试图解释 CER-AOD/AI 之间的正相关。有研究指出当气溶胶的增多由微溶性有机气溶胶主导时，增加气溶胶则会抑制活化过程，产生更少的云滴，进而造成 CER-AOD/AI 之间的正相关。 针对中国华北地区的研究则发现，风场导致的气溶胶-相对湿度的协同变化也可能是导致 CER-AOD/AI 正相关的原因之一；即， 潮湿且携带污染气团的南风造成 AOD/AI 和 CER 的共同增加，而干燥且清洁的北风则会导致二者同时减小。 最近的一些研究还表明，气溶胶-云的相关关系还依赖于云类型的变化以及气溶胶与云层的混合程度。

因此，在实际分析中将云特性对气溶胶的真实响应从以上影响因子中分离出来是十分困难的，这使得当前对气溶胶间接效应的评估面临巨大挑战。除了上述原因外，基于卫星观测得到的气溶胶-云相互作用信号可能被卫星反演偏差以及气象条件的协同变化所掩盖。本研究结合多源卫星观测及再分析资料系统地分析了全球几个典型区域的气溶胶-云相互作用，特别是对以下三个问题进行了探究：

（1） CER-AOD/AI的正相关是否是一种真实的关系；

（2）卫星反演偏差如何以及在何种程度上影响气溶胶-云相关性；

（3）造成 CER-AOD/AI的正相关的潜在物理原因。

基于卫星资料对全球典型区域的分析发现CER与AOD/AI在海洋上呈负相关，而在陆地上则表现为正相关。在限制云量和液水路径变化的基础上，我们分析了大气顶反照率对气溶胶增加的响应，以剥离出气溶胶第一间接效应对辐射的作用，结果表明大气顶反照率的变化与气溶胶引起的 CER 变化相一致，从而印证了 CER-AOD/AI陆地正相关和海洋负相关的真实性。进一步分析发现卫星反演偏差和碰并过程均不是造成陆地上“反 Twomey 效应”的主要原因，但气溶胶和云反演偏差的协同变化会虚假增大 CER-AOD/AI斜率，并且气溶胶增加造成的 CER 增加很可能通过触发碰并过程而进一步增大 CER，从而形成正反馈。此外，还发现在夹卷混合较强的云中（湍流更强、云顶更干）“反 Twomey 效应”更易发生。

上述研究成果已发表于Atmospheric Chemistry and Physics，得到了国家重点研发项目（2016YFA0600404），国家自然科学基金（41675004，41590873），江苏省研究生科创计划（KYCX18_1005）的资助。第一作者为博士研究生贾海灵，通讯作者为马晓燕教授。

图 1. 特定液水路径分档下（20–60 g m-2）CER随AI的变化。从上到下依次对应 中国东部（EC）、 美国东部(EU)、 欧洲西部(WE)、 及其三个邻近海洋(ECO、 EUO和WEO)。圆圈和圆点分别代表 PCL 反演和 overcast 反演的结果，红色和蓝色分别表示云量大于和小于 60%的情形。图中还给出了每个类别对数坐标下的斜率及相应样本数（括号内数值），其中斜体和粗体分别对应 PCL 和 overcast 反演。

Jia, H., Ma, X., Quaas, J., Yin, Y., & Qiu, T. (2019). Is positive correlation between cloud droplet effective radius and aerosol optical depth over land due to retrieval artifacts or real physical processes? Atmospheric Chemistry and Physics, 19, 8879–8896. https://doi.org/10.5194/acp‐19‐8879‐2019