基于 VOCALS-REx飞机观测探究海洋性层积云中气溶胶-云相互作用

层积云通过反射大量的入射太阳辐射对地气系统起到冷却作用，可以部分抵消温室气体引起的全球变暖。 东南太平洋的海洋性层积云是全球面积最大、持续时间最久的云区之一，其对地球辐射平衡及气候变化有着极其重要影响。该区域同时受到来自智利和秘鲁海岸的人为污染性气团以及来自太平洋的洁净气团的影响是探索气溶胶与海洋性层积云相互作用的理想区域。卫星观测表明东南太平洋的云特性自海岸向西呈现出明显的梯度变化, 这种梯度变化很可能与海岸附近较强的人为气溶胶排放有关，其可以显著增加云滴数浓度减小云滴尺度（即， Twomey 效应）。 有研究发现发现， 层积云层中的开放细胞状云（open cellular convection） 往往与较低的气溶胶数浓度相关联，这进一步证实了气溶胶对层积云转化的作用。

相比于被动卫星遥感，飞机观测可以提供气溶胶和云特性的垂直变化以及云内微物理过程的详细观测， 有助于进一步加深对气溶胶-云相互作用机制的认识。尽管此前的研究很大程度提高了我们对东南太平洋气溶胶、云、边界层特性及其相互作用的认识，但仍有两个问题未得到充分探究：

（1） 气溶胶-云的相互作用常受到其他因素的干扰，特别是气象条件的变化目前， 气溶胶对云滴粒径谱型的影响（即，离散度效应）仍具有很大不确定性。 之前的观测研究给出云滴谱离散度（ε） 与 Nd 之间的关系同时存在正相关、 负相关以及不相关的情况，这种不一致很有可能与协同变化的云动力有关。 因此， 将气溶胶对 ε的影响从动力条件对 ε 的影响中分离出来十分重要，但这一问题在以往的研究中未得到足够的重视。

（2） 不同的夹卷混合机制会影响气溶胶-云的相关关系，且应用不同混合假定也会导致云反照率的估算产生显著差异。然而目前仍不清楚夹卷混合机制是均匀、非均匀、还是介于二者之间。 夹卷混合机制的不确定性将影响气溶胶间接效应的评估，因此，应针对这一问题应进行进一步探索。

本研究利用 VOCALS-REx 外场试验中的 Twin Otter 飞机观测详细探究了东南太平洋层积云与气溶胶相互作用。研究发现CCN与液水含量（LWC） 和云滴数浓度（Nd）均存在明显正相关，但与云滴有效半径（Re）的相关性较弱，表明在以 Re作为云特征量分析气溶胶间接效应时，应通过约束 LWC 的变化将 Twomey 效应与云的快速调整（rapidadjustments） 区分开来。 分析还发现气溶胶浓度的增加将同时增加云滴谱离散度（ε） 和Nd， 而垂直速度（w） 的增加则会减小 ε 增加 Nd。 在对云动力差异进行约束后， ε-Nd 的正相关变得更强， 说明动力的干扰会削弱气溶胶对 ε 的作用， 进而导致对气溶胶离散度效应的低估。 此外， 层积云中的夹卷过程主要由极端非均匀夹卷混合为主。

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（41475005，41675004），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. (a) VOCALS-REx 试验研究区域及各观测任务示意图； (b) Twin Otter 飞机 10 月 18 日的

飞行轨迹图，填色代表 UTC 时间（单位：小时）。

Jia, H., Ma, X., & Liu, Y. (2019). Exploring aerosol–cloud interaction using VOCALS‐REx aircraft measurements. Atmospheric Chemistry and Physics, 19, 7955–7971. https://doi.org/10.5194/acp‐19‐7955‐2019