华北降水日循环与陆气耦合和气溶胶联系的研究进展

　　华北降水日循环与陆气耦合和气溶胶联系的研究进展

　　1.引言

　　降水日循环是地球水循环的基本组成部分，也是区域天气和气候的一个重要特征。降水日循环是指一天内降水活动的周期性变化，或是指降水事件在24小时内的分布和强度变化。地球系统通过特定的动力和热力条件，驱动着降水有规律的在一天中的特定时段发生或更为活跃，而在其他时间段则相对较少。所以，降水的日循环反映了地球系统的热力学和动力学过程对水循环的影响，与多尺度的陆地一大气物理过程相关。陆面与大气间的相互作用可以在一定范围内量化，而几乎所有的陆气间相互作用引起的反馈机制在一天内都随着时间而变化，因此降水日循环也是了解陆气耦合的一个入口。同时，降水日循环也会影响地球系统；通过对地表和大气的能量以及水分通量的调节，对日常天气、季节性气候甚至长期气候的形成起着重要作用。所以，研究降水日循环不仅有助于了解降水的形成机制，还有助于了解天气及气候的发生、发展和演变；同样也为验证数值天气预报和气候模型中的积云及其他参数化方案提供很好的平台。

　　华北平原位于中国东部的黄河下游，北依燕山，西傍太行山，东临渤海，面积约31万km2，人口密度大，是中国的第二大平原（仅次于东北平原），同样也是中国重要的政治经济中心和工农业基地二华北平原受东亚季风影响，降水主要集中在暖季，占全年总降水的60%以上，暴雨等灾害性天气频发。此外，华北夏季降水具有较强的日循环，降水的时间和空间分布不均，而且夏季陆气耦合较强，陆气相互作用对降水及其日循环的影响不容忽视。另一方面，伴随着近几十年来中国工业的飞速发展，煤和石油等化石燃料的消耗迅速增加。这些化石燃料的燃烧产生了大量的二氧化硫、氮氧化物和黑碳气溶胶等空气污染物。这些空气污染物能够直接影响太阳辐射的传输和吸收（辐射效应，又称直接效应），并且能够改变云的微物理特征（微物理效应，又称间接效应），从而影响大气、陆面和海洋的状态，进一步对降水产生影响。当前，陆气相互作用和气溶胶对天气和气候的影响都是科学界研究的热点和难点。虽然国内外科学家在陆气耦合方面开展了大量研究，但是对陆气耦合过程和机理的认识还非常有限，对其的模拟也具有很大的不确定性。而气溶胶对大气和陆面都有强烈的影响，但关于气溶胶如何影响陆气相互作用的研究还比较薄弱。这两方面对华北这样一个受陆气耦合和气溶胶影响都很强的地区尤为重要。对这方面的研究和深刻理解必将加深我们对人类活动影响下的陆气相互作用的认识，对认识气候变化和提高气候预测水平至关重要。因此，研究华北日内尺度降水产生的物理机制，厘清降水日循环与陆气耦合和气溶胶的联系，合理预估降水日循环的未来变化对防灾减灾和积极应对气候变化有重要意义。

　　本文介绍了华北降水日循环的基本特征和影响因素，并对近期在华北降水日循环与陆气耦合的联系、气溶胶对华北降水日循环的影响及模式模拟等方面的研究进行了总结和讨论，最后对未来的相关研究进行了展望。

　　2.华北降水曰循环的基本特征及其影响因素

　　华北地区包括中国的第一阶梯和第二阶梯地形，部分地区（如太行山脉与华北平原交界处）地形梯度很大，海拔由西北向东南方向减小，同时包括多种地形，下垫面条件复杂。位于中国东部季风区的华北，降水主要集中在夏季。华北夏季降水日循环具有2个降水峰值：一个在凌晨，一个在下午。由地表加热不均匀性引起的山谷风热力环流被认为是影响华北夏季降水日循环的重要原因之一。下午时分，山区太阳辐射加热，山谷风环流建立，上升支位于西部山区，并有利于对流发展，导致西部山区降水峰值多发生于午后。夜间，山谷风环流发生翻转，其上升支位于平原地区，促使平原地区夜间降水峰值生成。山谷风环流还可能影响对流层下部温度、风和水汽输送的日循环，这有利于在西部山区生成对流降水系统向低洼地区传播。最终导致华北地区降水日峰值发生时间从西南向东北延迟。

　　边界层惯性振荡是另一种在次日尺度的区域强迫。边界层湍流混合在白天较为活跃，其摩擦作用抑制了低层风，导致偏北风异常。当湍流混合的摩擦阻力在夜间减弱时，由于北半球中的科里奥利力，边界层异常风会顺时针旋转。在午夜至深夜，其转变成南向异常，并增强了背景气流。最近的研究进一步证实了边界层惯性振荡是控制中国东部低空风日循环的主要机制，这种低空风的加速有时导致夜间低空急流的形成。华北地区降水日循环也受到边界层惯性振荡的调制作用，夜间低空急流加强了水汽的输送和汇聚，促使华北平原凌晨降水峰值的形成。

　　Yuan等研究发现华北中部暖季的降水以短时降水事件（持续时间≤6h）为主，以往研究所揭示的华北总降水峰值出现西北一东南向的延迟现象，主要是由于短时降水的传播贡献，而非长时降水。华北中部降水系统是否向东传播与对流层上部温度异常密切相关。当对流层上层暖（冷）异常主导华北（日本海）并向下延伸至较低层时，出现在流体静力平衡主导的暖（冷）异常上方的正（负）位势异常会由对流层上层延伸至较低层。低层在正（负）位势中心的南（北）面形成明显的低层东风异常，控制了华北的下游，使对流系统难以向东推进，降水维持在西部山区。但是当对流层上层冷（暖）异常主导llO°E的以西（东）并向下延伸到低层时，华北中部位于上游槽和下游脊之间。随着槽脊系统向东推进，槽前低层水汽和强对流从山区向平原移动，降水向下游传播。

　　影响华北夏季降水日循环的机制较为复杂，除了受上述山谷风环流日循环、低层风场日循环和移动的对流系统的影响外，海陆风环流也是影响降水日循环的重要因素。总的来说，降水日循环是不同尺度、不同类型下垫面非均匀强迫，以及大尺度环流背景场共同调制的结果。

　　3.华北降水日循环与陆气耦合的联系

　　不同下垫面和地形起伏，对太阳辐射过程的响应不同，造成了地表热力强迫日循环的区域差异，从而直接影响低层温度场、湿度场、压力场和风场等日循环特征；而起伏和粗糙度不同的下垫面对气流的阻挡和摩擦作用不同，使得动力强迫也同样具有空间差异性，进而对降水产生影响。简而言之，陆面状态的变化影响陆面与大气之间的水分与能量交换，从而对天气产生影响。影响华北降水日循环的山谷风环流是由地表热力差异引起的。降水过程的潜热释放和地表蒸发冷却，有利于维持山谷风环流和增强环流上升支；蒸发冷却使得山谷风环流上升支后方形成冷池，维持并加强垂直上升运动，进而促进降水增强，并推动山谷风环流上升支向东南方向移动。

　　从局地陆气耦合的角度，地表蒸散发导致大气中的水汽含量增加，抬升凝结高度下降，对流有效位能增加，有利于局地降水的形成；另一方面，蒸散增加导致近地面温度降低，大气不稳定性减弱，垂直运动和边界层的发展减弱，不利于触发降水。所以，陆气耦合与降水的关系比较复杂。17：00左右达到峰值的降雨事件前，蒸散发(E)较高，总柱水(PrecipitableWater，PW)增加（dPW>O），水汽辐合(MoistureFluxConvergence,MFC)较强(MFC>O)。降水到达峰值后，总柱水急剧下降，可降水量减少，MFC由正逐渐变为负值。由此可见，下午降水事件是由当地的E和MFC共同驱动的。凌晨降水事件中，降水峰值之前和期间表现出较强的MFC。显然MFC为清晨的降雨提供了外部水汽，说明凌晨降水事件主要由外部水汽输送驱动。这可能与前言中提到的边界层惯性振荡导致低层风加速，促使夜间低空急流的形成有关。夜间低空急流加强了水汽的输送和汇聚，因此可以诱发华北凌晨降雨。此外，研究还发现MERRA-2比ERA5具有更强的陆气耦合，具体表现为地表蒸散发与PW和抬升凝结高度有较高的相关性。

　　下午和凌晨降水峰值可分别分解为局地蒸散发和外部水汽的贡献，以及降水效率的影响（具体分解方法参见参考文献。这里，降水效率指进入该区域[通过E或大气输送输入(IN)]并随后作为降水落入该区域的水汽的比例，计算为P和E+IN的比值。降水效率与大尺度环流密切相关，一方面有利的大尺度环流条件，不仅带来大量MFC和不稳定能量，也提供有利的上升运动条件，此情形下有利于水汽转化成降水。另外，局地蒸散发可以作为水汽源直接影响降水效率，也会通过影响热力过程间接影响降水效率。对ERA5和MERRA-2的分析表明，降水效率是导致下午降水峰值异常的主要因素，远距离水汽输送和局地蒸散发变化对降水差异的直接贡献较小。与ERA5相比，MERRA-2的降水效率贡献更小，可能与前文提到的其动力条件较差有关。MERRA-2中较强的陆气耦合会加剧下午时段大气对降水的不利影响，导致其降水效率较低，无法再现下午降水峰值。凌晨降水峰值的异常同时受到降水效率和外部水汽供给的直接影响，而在MERRA-2中二者贡献始终小于ERA5。

　　综上所述，陆气耦合过程通过多种形式直接或间接地影响降水日循环，其中涉及多种时空尺度的过程。下垫面和陆气耦合的复杂性，以及降水物理过程的复杂性使得陆气耦合影响降水日循环的机制值得进一步深入研究。

　　4.华北降水日循环的模式模拟及气溶胶的影响

　　当前，通过天气和气候模式准确模拟降水日循环仍是一个挑战。模式中的湿对流通常开始得太早，且强度较低。主要原因是这些模式采用了参数化的对流方案(ParameterizedConvection，PC)，即用大尺度(约100km)的环境变量来描述子格点尺度对流云的统计效果。前期研究发现，与模式分辨率相比，参数化的对流方案是模拟的降水日循环偏差的主要来源，而使用高分辨率显式对流方案(ExplicitConvection，EC)模拟的降水日循环较为准确。EC方案能够通过物理方程而不是统计关系来描述深对流，从而能更准确地描述对流和降水的变化，是目前的研究热点。但由于EC要求的空间分辨率较高(<4km)，其使用仍受到一些限制。

　　除了自然过程，研究发现人类活动对降水日循环也有影响，其中人类气溶胶排放是一个重要因素。气溶胶通过其辐射效应和微物理效应能够对大气温度和湿度、边界层高度、云量和降水等造成一系列影响。由于其复杂性，气溶胶对降水的影响仍有很大的不确定性。例如，Guo等和Lee等发现气溶胶的辐射效应和微物理效应能够分别抑制和增强珠江三角洲的对流降水，其总体的影响能够推迟珠江三角洲日降水峰值。基于观测的分析发现气溶胶对华北降水峰值有提前的作用。由于华北气溶胶浓度与风场和MFC关系密切，所以气溶胶浓度高时，MFC通常也更强，所以降水容易提前，但这并不代表气溶胶对降水有提前的作，所以在观测中分析气溶胶的效应比较困难。Wei等使用WRF-Chem模式分别开启PC和EC对华北夏季进行了模拟。结果显示，EC模拟的降水日循环峰值时间与观测更为接近。随着模式中气溶胶排放浓度的增加，2组试验均显示了降水量的减少，而且PC模拟的降水日循环下午峰值出现了推后，但这在EC模拟和观测中并不明显。有趣的是，使用PC的ERA5模式降水也随气溶胶浓度增大出现了峰值的推后。出现这些差异的原因是EC试验相比PC试验有更大的下午垂直上升速度，所以更多气溶胶被输送到高层，导致高层大气吸收了更多太阳辐射，到达地表的太阳辐射更少，地表降温更多，从而大气更为稳定，下午降水更不容易发生。气溶胶导致的700hPa垂直速度增加在PC试验中能持续至下午到晚上，而在EC试验中只能持续到中午，从而导致对降水峰值时间的影响不同。另外，2种对流方案不同的对流触发条件和机制也是导致降水对气溶胶响应不同的可能原因。

　　从以上总结可以看出，目前关于气溶胶对降水日循环影响的研究仍存在较大不确定性。分析方法的不同（如研究的降水峰值时间是否预先设定为凌晨或下午、是否排除了其他大气因子的影响）、观测资料的多样性和不确定性等都可能导致观测分析结果不完全一致。而模式模拟的结果与模式使用的物理方案（如上面介绍的积云对流方案）有很大关系，模拟是否考虑了气溶胶间接效应和湿沉降、气溶胶的成分是否相同等也可能影响模拟结果。所以，关于气溶胶对降水日循环的影响值得进一步研究。

　　5.总结与展望

　　本文介绍了华北降水日循环的基本特征和影响因素，并总结了近期在华北降水日循环与陆气耦合的联系、华北降水日循环的模式模拟及气溶胶的影响等方面的研究。当前，再分析资料对华北降水日循环的描述仍有误差；总体而言，ERA5比MERRA-2更为准确，而MERRA-2存在华北夏季下午降水峰值缺失的问题。MERRA-2的误差主要来源于下午不利于降水的动力条件，这使得降水效率更低。MERRA-2比ERA5有更强的陆气耦合，而陆气反馈会加剧下午降水峰值的缺失。气溶胶对降水的影响比较复杂。尽管以前观测中发现气溶胶对华北日降水峰值有提前的作用，但由于观测中的相互作用使各种信号难以分离，所以结论存在不确定性。一系列区域模式模拟发现，在使用显式对流方案时，气溶胶辐射效应对下午降水峰值时间的影响并不明显，这与观测分析一致。而使用对流参数化方案进行模拟时，气溶胶对下午降水峰值有明显的推迟作用。研究表明，不同对流方案模拟的降水日循环对气溶胶的响应存在差异，而使用显式对流方案比使用对流参数化方案得到的结果更为准确。

　　研究降水日循环的目的之一是掌握更细致的降水演变规律，丰富对降水过程的科学认识。降水日循环是气候系统中多种动力和热力过程共同作用的结果，与水循环和陆气相互作用密切相关。通过对各种再分析和模式数据中的降水日循环的评估，能够更好地认识各种数据的准确性和模式性能，理解影响降水日循环的各种物理和人为因素，揭示降水发生和演变的物理机制，为提高降水精细化预报能力、指导人类生产生活、趋利避害提供科学支撑。

　　摘自《地球科学进展》2023年第9期