介绍Byl

降水(包括雨、雪和冰雹)是将水从大气输送回地球表面的主要机制。降水量和时间/地理分布主要受大气动力学影响;然而，降水也受到与气溶胶特性相关的云微物理过程的影响，这主要是造成云滴和冰晶形成的原因。降水状况的变化和极端天气事件(如洪水、干旱，严重结冰/暴风雪季风波动和飓风)对我们星球上的生命至关重要。因此，一个合理的假设是，通过影响自然和人为气溶胶的数量、化学成分和分布，可能会发生对当地社区具有重要意义的降水变化。然而，事实证明，对这一假设进行定量检验是困难的。

多年来进行的大部分工作都是为了解决气溶胶对云的影响问题，并被理解(从而预测)自然的愿望所激励降水的形成更好地支持人工影响天气的新想法，继谢弗关于过冷冻结的开创性工作之后水的云(Schaefer 1946)。弗莱彻(1962年)、梅森(1971年)、普鲁帕切尔和克莱特(1978年)先后总结了这些年来对云微物理过程的基本科学认识。基于许多测量和模型，形成了一个普遍共识，即在其他条件相同的情况下，向云中添加更多的云凝结核(CCN)会导致形成更小、数量更多的云滴。人们还观察到，在云中加入巨大的CCN会导致形成一些较大的云滴(例如，Mather 1991)和更宽的液滴大小分布。此外，最近对浅地形云的研究表明，受污染云的雾凇效率更低，导致雪晶更小(Borys et al. 2000,2003)。所有这些观测和相关的模拟研究都表明，在其他条件相同的情况下，颗粒物污染对云的影响应该是降水的减少，这是一个合理的物理假设。

不幸的是，气溶胶浓度与地面降水量之间的联系尚不清楚。这部分是因为微物理、辐射和动力过程之间必须存在反馈，有时可以通过大气动力学而不是气溶胶的云微物理效应来增强或抑制降水。最近在全球范围内支持这一命题的例子可以在Rotstayn和Lohmann(2002)、Rotstayn(2007)和Rotstayn等人(2007)的工作中找到。同样，由于温室气体(GHG)造成的变暖预计会增加大气中的水蒸气。全球环流模式再加上混合海洋层模型表明，气溶胶浓度的增加导致更多的云层，从而减少了到达地表的太阳辐射。这减少了感潜热从而减少降水(Liepert et al. 2004)。换句话说，气溶胶对降水的影响除了对云的微物理影响外，还可能通过它们对辐射的影响发生。多年来，人们曾多次试图阐明这种联系，但结果在降雨量增加、降雨量减少和根本没有联系之间差异很大。

世界气象组织(WMO)和国际大地测量学与地球物理联合会(IUGG)认识到这一问题的重要性，并于2004年成立了一个小组来评估这方面的知识，并为未来的研究提出方向。该小组的最终报告无法得出一个明确的结论，即降水量的系统性减少是颗粒污染增强CCN水平的结果(Levin和Cotton 2008)。

在本章中，我们分三部分总结了与气溶胶效应有关的一些要点云降水交互。我们不打算对文献进行详尽的回顾，而是说明这个问题所涉及的复杂性。我们通过分离气溶胶对不同类型云的潜在影响来讨论这些问题。这是因为影响可能显著不同，这取决于这些云是对流的还是地形的，或者受影响的云是否位于城市中心的下风处。以澳大利亚为例，我们随后探讨了关于降水趋势及其因果归因的证据和论点的复杂性。最后，我们就科学界对这一问题的科学不确定性的反映方式提出一些看法。

气溶胶对云的影响

温暖的云就是那些不含冰的饮料。测量表明，来自自然或人为来源的CCN的增加增加了云滴浓度，减小了云滴大小(导致第一个间接效应或“Twomey”效应)。这些想法已经被许多现场测量所证实，这些测量是由Squires (1958a, b)、Twomey和Squires(1959)以及Warner和Twomey(1967)进行的早期工作，例如通过使用卫星图像分析船舶轨迹(Coakley等人，1987;Durkee等，2000,2001)。

Rosenfeld和Lensky(1998)开发了一种方法，利用卫星图像来估计云顶附近云粒子的有效半径作为温度(云顶高度的替代品)的函数。他们的分析表明，气溶胶光学深度的增加对应于云滴增长的放缓，因为它们的数量浓度增加，有效半径减小。暖云的缓慢增长可能导致降水发展的消除或抑制。来自TRMM卫星的雷达回波与云顶有效半径的估计相结合，被解释为表明这些云中降水的发展减弱，尽管此类记录案例的数量很少，而且存在争议(Ayers 2005;Rosenfeld et al. 2006)。

空中和地面测量云和降水亚马逊地区(Andreae et al. 2004)的研究表明，干净的大陆云具有相对较少的气溶胶粒子，表现与海洋云相似;也就是说，随着云的发展，合并生长发生得早而迅速。另一方面，在烟雾大气中形成的云越来越深，降水颗粒在云中越来越高。Andreae等人(2004)认为，水滴的缓慢增长导致了冰在云层的更高位置形成，并由于冷凝水的增加而增强了上升气流，从而增加了潜热的释放。这样的云有时会导致冰雹和闪电的形成。当云在火区上方形成时(称为火云)，这些情况更加明显。在这种情况下，热量的输入和大量的烟雾颗粒导致了云的活力，从而导致了更高的云和更大的云颗粒。然而，没有证据表明这些云在地面上产生了更多或更少的雨水。

气溶胶对地面降雨的影响对流云团

Warner和Twomey(1967)和Warner(1968)通过观察这些丰富的人为气溶胶源的上风向站和下风向站的数十年降雨记录，总结了甘蔗烟对降雨的潜在影响。尽管人们期望污染加剧和降雨减少之间有直接的联系，但他们无法得出结论(Warner 1971)。在他1971年的论文中，华纳说:“如果云的微观物理在决定降雨方面没有发挥作用，那将是令人惊讶的，但如果要充分证明这一点，我们必须等待进一步的结果。”

Hobbs等人(1970年)报道，华盛顿州造纸厂下风处的暖云使降雨增强了30%。Hindman等人(1977)利用一维数值模型分析了同一情况，得出结论，造纸厂排放的巨大CCN本身不能解释观测到的降雨量大幅增加，热量、水蒸气和造纸厂CCN的综合效应可能是降水增加的原因。

值得注意的是，Mather (1991;Mather et al. 1997)报告说，南非造纸厂排放的颗粒影响了混合相对流云的雷达回波。他的观察导致了一项使用吸湿颗粒增强雨水的大型现场实验。

Lin et al.(2006)利用MODIS和TRMM卫星数据，分析了亚马逊地区旱季森林火灾对降水的影响。他们报告说，随着气溶胶光学深度的增加，云的高度和降水也在增加。云高度的增加导致了冰晶的增加，最终导致了更强的降水。然而，尽管这些变量之间有良好的相关性，但它们不能明确地在气溶胶与观测到的云高变化或与降水增加之间建立因果关系。不能排除由于火灾产生的热量和/或烟雾本身吸收太阳辐射而增强的对流作用。

已有许多单对流云的数值模拟，表明CCN浓度的增加导致降水减少。然而，仅输入少量巨型CCN(每窝少量)就足以增强降水(例如，Yin et al. 2000;泰勒和莱文2006年)。Teller和Levin(2006)表明，每cm-3增加1-10个巨大CCN可以弥补由于CCN从200-400 cm-3增加而导致的降水量减少。Van der Heever和Cotton(2006)模拟了水晶面风暴的三维情况，其中存在尘埃颗粒，证明了巨大的CCN可以通过允许较高的过冷水含量上升到更高的水平并冻结，在风暴发展的早期影响降雨强度。几个小时后，增强的CCN模拟产生了较少的降水，因为与下落的水成物蒸发有关的冷池与海风辐合区脱钩。因此，整体的影响是不直接的，不允许有确定性的预测。

城市污染对降雨的影响

为了解释位于芝加哥下风处的印第安纳州拉波特附近的降水似乎异常的行为，进行了广泛的研究。当地记录显示，从20世纪30年代末到1965年左右，暖季降雨、雷暴和冰雹的数量呈上升趋势。这个案例令人费解的地方在于异常现象出现后又消失了。在回顾观测结果时，Changnon(1980)得出结论，微观物理效应肯定发挥了作用，但如果没有一些动力或气象影响，这种效应就不可能发生。

在20世纪70年代，在密苏里州圣路易斯市周围进行了一项大型现场实验(METROMEX)，这是由于对历史数据的检查，这些数据揭示了城市直接下风区域的夏季降水增加(图16.1)。记录显示降雨量增加(10-17%)，中雨日数增加(11-23%)，暴雨增加(80%)，雷暴增加(21%)，冰雹增加(30%)(Changnon et al. 1971)。在对METROMEX的总结中，Braham(1974)报告称，城市的CCN产量约为104 cm-2 s-1(即远高于周围农村地区)，同时伴随着云滴浓度的增加和下降

1941年1945年1949年1953年1957年1961年1965年

5年的开始

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5年的开始

图16.1 1941-1968年Centerville(圣路易斯下风)夏季降雨量的五年移动平均值和时间趋势(在Changnon et al. 1971之后)。

图16.1 1941-1968年Centerville(圣路易斯下风)夏季降雨量的五年移动平均值和时间趋势(在Changnon et al. 1971之后)。

大小。然而，来自这些云中的大水滴的雷达回波通常发生在比农村环境低的大气中。这似乎与我们对云生长的物理理解相矛盾;然而，Braham得出结论，解释观测结果的一种方法是假设城市地区也排放了巨大的CCN，这没有被正在使用的CCN采样方法检测到，但这可能是降水增加的原因。

最近，Van der Heever和Cotton(2007)模拟了圣路易斯地区风暴经过期间污染对降水的影响。他们使用的热力学数据来自最近一个雷暴普遍的特定日子，而气溶胶输入数据是基于METROMEX实验期间获得的平均值。模拟使用了两个主要案例:一个是没有污染的圣路易斯市，另一个是同时含有小型CCN和巨型CCN的污染。模式结果显示了受污染影响的预期降雨时空分布变化(图16.2)。在风暴开始时，受污染的云层产生了更强的降水;然而，随着风暴的进展，从风暴开始的污染情况减去干净情况之间的综合降雨量的差异减小。1.5 h后，洁净情况下全区综合雨量较大。这项工作证明了气溶胶和降水之间相互作用的复杂性。这种复杂性的部分原因似乎在于，最初的降雨会清除大气中的污染，从而减少污染对进一步降雨的影响。此外，降水产生的下降气流促进了邻近云的发展，从而增加了整个地区的综合雨量

90.6°w 90.2°w 90.4°w 90.2°w

图16.2模式结果显示密苏里州圣路易斯市周围被清洁污染的云累积的地表降水。实线代表抑制污染的降水;虚线表示相反的情况。等高线间隔从1mm开始为5mm。注意降雨的时空分布变化(在Van Den Heever和Cotton 2007年之后)。

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图16.2模式结果显示密苏里州圣路易斯市周围被清洁污染的云累积的地表降水。实线代表抑制污染的降水;虚线表示相反的情况。等高线间隔从1mm开始为5mm。注意降雨的时空分布变化(在Van Den Heever和Cotton 2007年之后)。

区域。Van der Heever和Cotton(2007)得出结论，在城市环境中，污染对降水的影响在很大程度上取决于背景气溶胶浓度。在已经被污染的大气中增加更多的污染对降水量的影响微乎其微。他们进一步表明，土地利用的影响(如土壤湿度、感热通量和潜热通量的释放、风应力的改变等)在这些降水异常中起着主导作用。对降水响应而言，一个关键因素是二次对流(冷池强迫)是否仍然与城市土地利用驱动的中尺度环流耦合。

Jin et al.(2005)利用NASA地球观测系统(EOS) MODIS、AERONET和一个中纬度城市(纽约)和一个亚热带城市(休斯顿)的PM2.5现场观测数据，分析了城市气溶胶的日、周、季和年际变化，重点是夏季月份。他们的研究表明，由于各种平行因素:人类活动、土地覆盖变化、云-气溶胶相互作用和化学过程，时空城市气溶胶光学深度动态变化。研究了气溶胶光学深度的日变化、季节变化和年际变化，发现气溶胶光学深度在很大程度上受天气条件的影响;然而，光学深度通常在早晚高峰时段达到峰值。对月平均气溶胶光学厚度和降雨量的分析并没有显示出气溶胶和降雨之间在气候意义上的强烈关系。

在这项分析中，几乎没有观察到休斯顿和纽约市的降雨具有季节性，这表明气溶胶对降雨的影响小于更大规模的过程(例如，土地利用、城市热岛效应)。基于TRMM卫星的累积降雨量数据显示，在休斯顿附近，月平均降雨量的最大值出现在2000年10月，2001年5月和2002年9月。这与该地区的季节转换是一致的。总体而言，纽约的降雨量每月变化比休斯顿小，2002年10月最大降雨量略高于200毫米/月。纽约市水云的有效半径比休斯顿小，这表明纽约市的气溶胶比休斯顿多，或者云更薄。降雨与城市气溶胶光学厚度之间缺乏直接关系，这意味着城市降雨异常与气溶胶变化不完全相关。这一观察结果与METROMEX的早期结论一致(Ackerman et al. 1978)。

从上面的讨论可以看出，尽管进行了许多测量，但没有确凿的证据表明城市地区的气溶胶污染以一致的、系统的或可重复的方式影响降水。

地形云的降水

Borys等人(2000,2003)提供了一些证据，证明污染可以延迟冬季地形云的降水落基山脉．他们的分析表明，污染增加了CCN的浓度，从而增加了云滴，导致形成更小的云滴。雨滴尺寸的减小导致冰凌效率降低，因此冰晶变小(图16.3)，下降速度减小，降雪量减少。

Givati和Rosenfeld(2004)分析了位于污染源下风区的大约100年的地形强迫对流降水记录，并将其与不受这些污染源影响的地区的降水进行了比较。在他们的研究中，他们记录了地形增强因子Ro的降水趋势，Ro被定义为山上降水与上风降水之间的比率，低地降水量(Givati和Rosenfeld 2004年)。这项研究选择了两个地理区域:加利福尼亚和以色列。这两个地区的地形相似，尽管以色列的山脉比内华达山脉要低得多。他们对这两个地点的统计结果表明，在污染源的下风处，在山的上坡和山顶，地形雨分别降低~20%和~7%。据推测，这种下降是由于液滴浓度的增加和液滴尺寸的减小。在山的下风处，降水量增加了约14%。Givati和Rosenfeld假设，这种增加是因为较小的云颗粒需要更长的时间才能生长，从而允许高空的风将它们带到山顶(见Hobbs 1975a, b对类似影响的早期研究)。然而，他们假设整个地区的综合降雨量山脉由于多年来逐渐增加的污染(假设但未得到证实)而减少。随后的研究显示，在美国西部的几个州，Ro也出现了类似的下降趋势(Rosenfeld和Givati 2006;Griffith et al. 2005)和科罗拉多落基山脉的东坡(Jirak and Cotton 2006)。Givati和Rosenfeld认为，虽然绝对降水量和Ro受到大气环流波动的影响大气环流模式，例如那些与太平洋mrn'm有关的。

图16.3云中的冰晶受污染影响(左)与未受污染的云中较重的雾霾(右)相比。(摘自Borys et al. 2003，经美国地球物理学会．)

年代际振荡和南方涛动指数，这些不能解释观测到的Ro的空间变化趋势。

最近，Alpert et al.(2008)使用地形比方法重新分析了来自以色列的数据，计算了撒玛利亚山上的气象站与沿海岸逆风处的气象站之间的比例，以及加利利西部山上的气象站和海法市附近海岸上的气象站之间的比例。他们的结果与Givati和Rosenfeld(2004,2005)报道的结果相反;即地形比例实际上在逐年增加(见图16.4)。Alpert等人得出结论，至少在以色列，气溶胶污染以外的因素主导了地形云中的降水量。他们表明，通过计算山上所有气象站与沿海气象站(而不是Givati和Rosenfeld所做的位于城市中心和下风处的气象站)的Ro值，有更多的情况下Ro值在这些年中增加而不是下降(图16.5)。可以清楚地看到，与Givati和Rosenfeld(2004)的结论相反，大多数配对在撒玛利亚山脉和海岸之间表现出地形比例的增加。Alpert et al(2008)进一步认为，地形比例并不是估算污染对降雨影响的合适方法。这是因为，不仅分子减小，分母增大，比值也会减小。更糟糕的是，Givati和Rosenfeld(2004,2005)使用的山的逆风处的许多气象站都位于城市污染源的下风处，而这些地方的降雨量实际上在逐年增加。因此，这些站点不仅受到污染的影响，而且还受到其他可能更重要的因素的影响，如城市效应(例如，城市热岛，摩擦速度的变化，

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图16.4 1952-1998年期间，撒玛利亚丘陵和中央海岸群之间的年降水量比率沿最佳拟合线绘制。横坐标上的日期代表冬季(11月至4月)，这是以色列的雨季。请注意，与Givati和Rosenfeld(2004)的结果相比，地形比(r = 0.42, p = 0.007)有显著的增加趋势。继Alpert et al.(2007)。

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图16.5以色列中部山地站点与沿海和内陆站点的地形比例(Ro)。白线表示Ro在过去50年里的增加，黑线表示相反。线条越粗，Ro值越大。请注意，与Givati和Rosenfeld(2004)的报告相反，大多数Ro显示了多年来的增长。图基于Alpert et al.(2008)。

图16.5以色列中部山地站点与沿海和内陆站点的地形比例(Ro)。白线表示Ro在过去50年里的增加，黑线表示相反。线条越粗，Ro值越大。请注意，与Givati和Rosenfeld(2004)的报告相反，大多数Ro显示了多年来的增长。图基于Alpert et al.(2008)。

土地利用变化)。这种城市对下风降水增加的影响已被许多其他地点的许多其他研究人员发现(例如，Braham 1974;兰茨贝格1981;Goldreich 2003;Goldreich和Manes 1979)。

在最近的一份出版物中，提出了另一个版本的地形分析，即中国污染对降水的抑制(Rosenfeld et al. 2007)。本文依据的数据来自两个城市附近的极少数雨量计站和一个山顶的雨量计站。Rosenfeld等人(2007)通过将能见度和降雨量联系起来，得出了关于污染抑制降水的有力结论，其中能见度在论文中被用作污染水平的指标。然而，他们的结果显示(Rosenfeld et al. 2007年的图4)，在相同的低能见度条件下，城市地区的降水量比山地地区增加(而不是减少)更多。因此，与作者的结论相反，使用地形比率Ro，不可能将可归因于城市效应(包括城市地区的污染)的增加与影响山地降水的因素分开。这加强了Alpert等人(2008)提出的观点之一，并在上面提到:在选择用于评估地形比例的台站时必须谨慎。显然，气候系统的固有变化和当地人口分布的变化总是会产生特定的区域(或雨量计)模式，根据雨量raybet雷竞技最新计的选择，可以产生不同的信号。此外，基于历史时间序列的替代变量的简单经验相关性不能考虑与人为全球变暖以及自然年代际变率相关的气候明显的非平稳性质。raybet雷竞技最新需要开发新的和更好的统计方法来分离影响降水的不同因素。

总之，虽然污染确实会影响云，但对降水的假设影响尚不清楚。事实上，在这些相关研究中，甚至连云对气溶胶的影响(例如，在雨季对气溶胶的清除)也几乎没有考虑到。在微物理过程中，天气尺度过程、城市效应和中尺度动力因素等其他因素很可能对降水量起主导作用，而长期趋势是不可分割的天气变化由全球变暖和其他长期气候变化驱动因素驱动的模式。raybet雷竞技最新我们将通过仔细研究我们所知道的污染对澳大利亚降水的影响来深入研究这种复杂性，这只是一个可能的案例研究，然后尝试更广泛地反映其他地方的潜在影响。

区域层面的复杂性:澳大利亚

澳大利亚提供了一个有用的例子，说明寻找气溶胶对降水影响的证据所固有的复杂性。作为一个案例研究，它有独特的优势:它是一个孤立的大陆，有效地免受来自其他地方的颗粒污染的远距离传播;它是最干燥的大陆，因此在与手头问题相关的大气和云物理研究方面有着悠久的科学兴趣和努力;相对较少的人口(2006年约2100万)与其土地面积(约760万平方公里)相当;其大部分人口(约1500万，或近三分之二)居住在八个城市(州和地区首府)，导致强烈的对比空气成分在与世隔绝的城市空气棚和中间广阔干净的地区之间。因此，对比“清洁”和“污染”条件的实验在澳大利亚是可能的，不受远距离跨界空气污染的影响，这在北半球的大多数国家是不可能的(Bigg和Turvey 1978)。雷竞技手机版app

污染

从20世纪50年代到80年代，Twomey和Bigg花了大量的精力试图了解CCN的特征和气候学

(或艾特肯)核(CN)，以及澳大利亚的冰核(IN)，更普遍的是。特别值得注意的是，在CCN方面，Twomey对新南威尔士州罗伯逊中纬度地区的云活性气溶胶的变化进行了系统和全面的调查。该项目位于悉尼大都市区西南100多公里的农村地区;它位于高度工业化的钢铁制造城市卧龙岗的正西部，正东部的农村城镇Bowral，以及双子镇Mittagong和Moss Vale的东南。Twomey等人(1978)表明，经过悉尼或伍伦贡等主要城市后到达罗伯逊的气团的平均CCN水平超过800 cm-3，经过米塔贡和莫斯谷等小城镇的气团的平均浓度为400-800 cm-3，来自Bowral的空气通常含有300 cm-3，而来自其他相对无人居住地区的气团的CCN水平仅为约150 cm-3(图16.6)。显然，人类活动使CCN水平比自然的大陆背景水平提高了几倍，由城市地区的位置和气象学决定了在澳大利亚陆地上徘徊的云活动气溶胶羽状物。

Bigg和Turvey(1978)报告了1974-1977年一项雄心勃勃的空中计划的结果，该计划绘制了整个大陆CN的分布，作为从地表到海拔约6000米高度的函数。他们的工作加强并扩大了Twomey的发现:按照世界标准，大陆上混合良好且相对未污染的边界层中CN浓度的中值为680 cm-3，非常低(与Twomey的“清洁空气”的CCN水平~150 cm-3非常一致，因为CCN是CN的一个子集)。相比之下，来自人口中心的CN羽状物的浓度大大提高，Bigg和Turvey(1978)指出:

其中一个较小的大都市区产生的4 x 1019 s 1的颗粒物超过了所有自然来源的估计，这表明人类活动产生的颗粒物可能经常主导澳大利亚大部分地区的大陆气溶胶。

图16.6 1968-1973年到达新南威尔士州罗伯逊的气团CCN浓度的风升图。摘自Twomey等人(1978)。

其中一个较小的大都市区产生的4 x 1019 s 1的颗粒物超过了所有自然来源的估计，这表明人类活动产生的颗粒物可能经常主导澳大利亚大部分地区的大陆气溶胶。

图16.6 1968-1973年到达新南威尔士州罗伯逊的气团CCN浓度的风升图。摘自Twomey等人(1978)。

Bigg扩展了他的测量，通过开发一种方法来评估澳大利亚上空的总粒子排放通量，其中一架飞机在源顺风处固定距离的表面和边界层逆温之间进行连续的CN测量。卷积风速飞机还以高度为函数进行了测量，顺风羽流CN横截面通过羽流取样切片得到瞬时传输速率，或在给定顺风距离处测量的瞬时“发射通量”。然后将该方法应用于位于热带昆士兰州西部的孤立的Isa山铜铅冶炼厂作为实验源。反复进行的空气通量测量再次证实，人为气溶胶柱的CN和CCN浓度大大高于自然和大陆水平，而且还传播了很远的距离(> 600公里)。Ayers等人(1979)和Bigg等人(1978)提供了测量到的烟羽横截面的例子，加上从伊萨山到200公里处的推导的通量估算值，但此后随着冶炼厂烟羽中SO2的气体到颗粒转化通过均匀成核产生新颗粒而增加。随后，Carras和Williams(1981)追踪了伊萨山羽流到令人惊讶的1800公里的顺风处，在那里它离开了澳大利亚大陆，进入了印度洋。Ayers等人(1979年)的估计强调了人类活动作为CCN来源的重要性，即仅伊萨山的CCN排放通量就相当于在0.5%过饱和状态下活跃的CCN全球自然排放通量的~0.1%。

同样的方法也应用于全国具有代表性的城市中心的粒子排放通量测量项目。图16.7显示了CN通量作为一系列城镇顺风处人口的函数(Ayers等人，1982年)。Manton和Ayers(1982)的理论分析证实了本质上线性的物理合理性

城市人口1000万10万100万

图16.7澳大利亚一些城镇的冷凝核通量随顺风处人口的变化(Ayers等人，1982年)。

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□卡那封，克隆克里，布鲁姆

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图16.7澳大利亚一些城镇的冷凝核通量随顺风处人口的变化(Ayers等人，1982年)。

图16.8 1998年10月21日当地时间16时澳大利亚东南部500 m一级凝结核浓度分布模型所使用的源函数是图16.6 (Ayers et al. 1982)中所示的关系，与分辨率为1公里的网格化人口密度数据库进行卷积。的化学输运模型模拟使用的是12公里分辨率的TAPM运行。

图16.8 1998年10月21日当地时间16时澳大利亚东南部500 m一级凝结核浓度分布模型所使用的源函数是图16.6 (Ayers et al. 1982)中所示的关系，与分辨率为1公里的网格化人口密度数据库进行卷积。用于模拟的化学传输模型是12公里分辨率的TAPM运行。

从图16.7可以明显看出超过三个数量级的关系:通量-人口关系为8 x 1013个粒子/人/秒。使用这一数字加上网格化的人口密度，作为澳大利亚人类活动产生的主要CN排放的替代解释变量，可以对该国任何地区所有规模城镇的排放进行建模，如图16.8所示。根据人口总数对整个大陆进行外推，立即得出结论，在~1021 s-1时，澳大利亚的人类活动产生的总颗粒比自然颗粒排放率高出一个数量级以上(Bigg和Turvey 1978)。

气溶胶和云的性质

澳大利亚在大陆和海洋上进行的一些实验研究了CN和CCN浓度的可变性作为凝结水平上云微物理结构可变性的决定因素的作用。这里我们只关注欧洲大陆的例子;为完整起见，我们注意到与Bigg的海洋CN研究并行的额外工作涉及澳大利亚上风的海洋环境。一个海洋的例子是Boers等人(1994,1998)和Boers和Krummel(1998)的工作，他们把在格里姆角测量的CCN的长期、系统的季节变化数据(由南大洋二甲硫化物排放的季节周期决定)与南大洋云实验(SOCEX)对海洋的空中测量数据结合起来层积云格里姆角上风向的房产。图16.9显示了平均值与平均值之间的显著一致

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图16.9塔斯马尼亚州格里姆角逆风处海洋层积云的实测(SOCEX)夏季(1月)与冬季(6月)平均液滴浓度和云底附近的有效半径季节性周期使用显式云模型和在格里姆角测量的观测到的月平均CCN浓度(Boers et al. 1994,1998)。

夏季和冬季云底上方的云滴浓度和云模型预测的云滴浓度具有明确的ccn -液滴大小依赖关系。在这里，我们详细考虑三个欧洲大陆的例子。

甘蔗火灾烟雾的影响

Warner和Twomey(1967)提供了在昆士兰州东北部甘蔗大火的上下风向进行的空中调查(在收获前通过燃烧去除树叶是当时的一种正常做法)中，略高于凝结水平的亚云CCN和云内液滴浓度数据。他们的数据已在图16.10中重新绘制，显示了一个清晰的

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从CCN计算滴液浓度(cm-3)

图16.10昆士兰州东北部甘蔗火灾中云下CCN浓度与云底附近云滴浓度之间的关系(Warner and Twomey 1967)。

- -建模(来自CCN) -测量(SOCEX)

下面的CCN数与云底以上的云滴浓度之间的关系。

伊萨山铜冶炼厂羽流的影响

在伊萨山顺风处56公里处进行的研究获得了类似的结果，其中云滴大小分布在晴朗天气的凝结水平之上积云在来自伊萨山冶炼厂的硫酸盐气溶胶羽流内外的气团中生长。从Ayers(1981)重新绘制的图16.11描述了1977年3月5日和6日在两组云中测量的云滴光谱。显而易见的是，与Warner和Twomey在甘蔗火灾顺风处受烟雾影响的云中所注意到的云滴数量的增加相当，加上云滴大小的相应减少必然伴随着浓度的增加，假设其他一切条件(例如液态水含量、大气温度和湿度廓线以及天气条件)都是相同的。

阿德莱德羽流的影响

Rosenfeld(2000)将Rosenfeld和Lensky(1998)算法应用于1997年8月12日在阿德莱德上空记录的遥感云场，在阿德莱德和附近农村城市的下风云中显示了“污染轨迹”的明确证据。这些污染轨迹表现为云层中高浓度/低有效半径液滴区域的扩大。利用遥感技术观测到的这种模式，证实了Bigg和Turvey(1978)、Ayers等人(1977,1982)以及Manton和Ayers(1982)在阿德莱德市和其他澳大利亚城市顺风处所展示的蔓延的CN羽流的演变。城市之间的明确联系

1000 -

100 -

JD - 1

■内羽流-外羽流

Lr h

20 40 60 80 100 120直径(|jm)

1000

-内烟羽

-外部烟柱

20 40 60 80 100 120直径(jm)

图16.11在伊萨山附近的晴朗天气积云中，在伊萨山铜冶炼厂羽流内部或外部空气中生长的液滴分布在云底附近(Ayers 1981)。上图:1977年3月5日;下:1977年3月6日。

丰富的气溶胶来源以及由此导致的云滴数量的增加或云滴大小的减少，为华纳、Twomey和Ayers在昆士兰州东北部和伊萨山的早期工作提供了现代的再确认。

降水抑制

前几节提供了令人信服的证据，表明即使在人口相对稀少的大陆，如澳大利亚，人为气溶胶也主导着气溶胶数量的浓度，并且在这些气溶胶混合到云中的地方，它们以预期的方式影响云的微物理性质:增加云液滴数量浓度和减少液滴有效半径。虽然这显然有可能通过对大气辐射转移的影响来影响云的反照率，正如Twomey(1977)所预示的那样，这里的重点不是所谓的“第一间接效应”(IPCC 2001)，而是后续效应(如果有的话)降水的形成．

一段时间以来，人们已经知道需要广泛的液滴分布和大量的云液滴(半径> 15 ^m)降水才会发生(Fletcher 1962)，也有假说认为，受污染的云具有小液滴和狭窄的液滴大小分布，可能更不有效地产生降雨。然而，直到最近，“污染抑制降雨”才被证实(Rosenfeld 2000)。根据经验，我们知道，无论气溶胶对云的微物理性质的影响有多么明显，要验证随后的微物理变化显著改变降水的假设已经被证明是极其困难的。这一评论源于50年来科学界未能明确证明，基于云层中气溶胶扩散的精心设计的、有意的影响天气的实验可以证明在单一云层以上的尺度上改变降水模式。通过重申美国国家科学院报告(BASC 2003)中一个关键的介绍性句子，值得强调在这个问题上保持谨慎的必要性:“委员会得出结论，仍然没有令人信服的科学证据证明有意影响天气的努力的有效性。”

甘蔗火灾烟雾的影响

Warner和Twomey(1967)演示了甘蔗燃烧的生物质气溶胶极大地改变了下风云的特性，这为Warner提供了一个天然实验室，在其中寻找与气溶胶污染相关的降雨减少的证据。实验设计相对简单。华纳(1968)分析了昆士兰东北部甘蔗种植区上下风向站60年的降雨记录，并寻找了随着甘蔗生产扩张历史的时间，下风降雨量的减少情况。华纳得出了一个谨慎的结论，即这样的信号在数据中似乎很明显，但他指出，“其他因素导致观测到的特定气候变化的可能性无法消除。”

基于这一有希望的结果，Warner(1971)继续进行了更全面的分析，并在1971年堪培拉人工影响天气国际会议上发表。然而，这一更完整的分析使他修正了先前的结论:“上面所说的可以解释为什么不可能发现甘蔗产量增加和降雨量之间的联系。然而，我们必须得出结论，目前的研究不支持这样的观点，即在班达伯格发现的甘蔗火灾和降雨之间的联系是由于平均云滴大小的减少抑制了合并过程。”null结果。

阿德莱德羽流的影响

与华纳精心论证的无效结果相反，罗森菲尔德(2000)提出了长期抑制降雨和降水的积极证据雪的形成通过阿德莱德下风处的人为气溶胶。然而，仔细阅读罗森菲尔德的论文，就会发现需要谨慎。他的结论并不是基于具有代表性的样本，而是基于对单一卫星图像的详细分析，这是一个不可思议的小“瞬时”样本，从中得出关于澳大利亚东南部长期空间和时间降雨模式的重要结论。此外，缺乏支持性证据来验证(a)遥感云的特性，(b)跨越遥感云场的气溶胶污染物的模式，(c)云中液态水含量的空间分布，以及(d)地面降雨的模式。Ayers(2005)详细考虑了这些因素中的每一个，他的结论是:“在Rosenfeld(2000)提出的澳大利亚降雨抑制的情况下，上述分析确定了对得出的结论的主要怀疑;事实上，根据现有的证据，这项工作中的结论是无效的。这与华纳(1971)在近20年前提出的观点相同。”Rosenfeld等人(2006)随后发表了对这一结论的反驳。然而，反驳既没有解决细节问题，也没有解决Rosenfeld(2000)中明显存在的两个基本缺陷:(a)该工作中使用的实验设计，以及(b)选择的具体研究日期都无法为降雨抑制假设提供科学有效的测试。

澳大利亚的降水

趋势

许多人分析了上个世纪澳大利亚各地的降雨趋势(例如，Suppiah和Hennessy 1998;Hennessy et al. 1999;史密斯2004年)。对于全澳大利亚的降雨量，Smith(2004)确定了一个世纪以来的积极的长期趋势，尽管当数据分解到区域尺度时，趋势标志和季节方面的差异以及高变异性都出现了(Suppiah and Hennessy 1998;Hennessy et al. 1999;史密斯2004年)。值得注意的是，这些数据并不支持过去几十年人口增长和污染排放增加造成的澳大利亚范围内的降雨量长期抑制:当长期平均降雨量增加时，争论平均降雨量抑制是不合逻辑的。在考虑Rosenfeld(2000)所讨论的东南地区时也是如此。图16.12绘制了澳大利亚东南部的平均降雨量时间序列，显示了1995年之前的正趋势，之后急剧减少。这与罗森菲尔德的定性论断形成鲜明对比。罗森菲尔德认为，由于污染物排放随着人口增长而缓慢增长，该地区的降雨量在过去几十年里一直在减少。 The more so, since the decline, post-1996, corresponds with the implementation of a National Environmental Protection Measure for Air (the Air NEPM) in 1998, which resulted in a stabilization of urban air quality in the decade thereafter, during which rainfall sharply declined. Evidently the recent rainfall decline cannot be ascribed a priori to a concomitant increase in level of pollution. It is equally evident that simple correlations between rainfall and assumed or implied levels of "pollution" do not provide a particularly robust test of the rainfall suppression hypothesis. This is because the inherent variability in the climate system will always yield particular regional (or rain gauge) patterns that, depending on choice of rain gauge, can be interpreted in a variety of ways (see the discussion above relating to the effects of pollution on orographic precipitation in Israel). We conclude that in the absence of comprehensive time series data constraining long-term changes w

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

图16.12澳大利亚东南部长期平均降雨量。分别显示了1900-1995年和1996-2006年的趋势线(数据来源:澳大利亚气象局)。

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在微物理过程和CCN环境中，不可能将降雨趋势归因于微物理驱动。

此外，由于上世纪后半叶的气候变化明显导致了大气和海洋环流的变化，对raybet雷竞技最新降雨趋势的解释必须包括动力学和微观物理解释(即由气候系统的非平稳性质引起的)，这是我们接下来要研究的命题。

作为讨论的引子，图16.13描绘了1970-2006年大陆降水的趋势。很明显，有主要的变化模式在整个大陆的工作，没有显示出任何大规模的定性关系与人口中心(因此污染物)分布。从1996年开始的十年全国干旱趋势，如图16.13所示，在整个大陆的西南、南部和东部地区也可见，在西澳大利亚西北部热带降雨增加的长期趋势中也可见。

降雨趋势的解释

篇幅所限，不能列举两个以上的区域例子。对于第一个例子，我们继续讨论澳大利亚东南部的降雨趋势，Rosenfeld(2000)通过暗示“1897-1991年期间雪山积雪面积的减少趋势”以及“雪、冬季温度和冬季总降雨量”的“减少”(尽管这些在统计上被认为是微不足道的)来支持他的空气污染抑制降雨的主张。Nicholls(2000)详细分析了雪山区(71区)的平均降雨量

1970-2006年全年总雨量趋势(mm10y -1)

图16.13 1970-2006年澳大利亚降雨量趋势，单位:毫米/十年(数据来源:澳大利亚气象局)。

1970-2006年全年总雨量趋势(mm10y -1)

图16.13 1970-2006年澳大利亚降雨量趋势，单位:毫米/十年(数据来源:澳大利亚气象局)。

从表面上看，这似乎支持罗森菲尔德的观点。然而，Nicholls指出，强烈的下降是人为的，它是由1954年一个高海拔/高降雨量报告站的关闭造成的，这意味着只有一个高降雨量站的数据，而不是两个，对地区平均水平有贡献，导致了一个世纪以来平均水平的人为下降。他重建的复合高海拔记录显示没有明显的下降。这个例子强调了时间序列研究的主要挑战之一:必须确保时间序列数据在几十年到一个世纪的时间跨度内具有一致的质量。

另一个问题是，随着时间的推移，雪山的积雪深度明显下降，Nicholls(2005)对相关数据进行了另一项出色的分析，证明1962年至2002年的趋势主要与降水变化无关，而是与过去半个世纪以来显著的区域变暖有关，而这种变暖与气候变化的影响最为相关(图16.14)。raybet雷竞技最新雪深的下降主要是因为融化(即温度)，而不是因为降水的大幅减少。

关于澳大利亚东南部降雨系统的第三个观察结果是，只有非常小的动态强迫变化才足以产生降水的变化。Manton(1979)证明了这种敏感性，他利用8个地点的雨测数据检测了地形对单个天气系统降雨的影响，每个地点的海拔范围都只有200米。曼顿的假设是动态强迫的微小空间变化

斯宾塞溪积雪深度

^ July-Sept。平均最高气温，卡布拉马拉雪深，10月首次观测

斯宾塞溪积雪深度

^ July-Sept。平均最高气温，卡布拉马拉雪深，10月首次观测

1962年1967年1972年1977年1982年1987年1992年1997年2002年

图16.14澳大利亚东南部雪山积雪深度时间序列趋势和变化与最高气温时间序列和趋势的相关性Nicholls(2005)之后。

1962年1967年1972年1977年1982年1987年1992年1997年2002年

图16.14澳大利亚东南部雪山积雪深度时间序列趋势和变化与最高气温时间序列和趋势的相关性Nicholls(2005)之后。

可能引起云系统降雨的系统变化，否则在统计上是同质的。他对这一假设的确认可以预期具有时间和空间意义:当寻求气溶胶微物理效应的证据时，对几十年降水时间序列趋势的分析将需要考虑与动态强迫趋势相关的混杂因果关系(例如，温室气体引起的区域动态变化、地表反照率变化、粗糙度、土地利用变化引起的水分有效性)。

对于第二个例子，我们从澳大利亚东南部移动到西南部，自20世纪70年代中期以来，那里的降水量一直在持续下降，约为20%。图16.15显示了珀斯首都的蓄水量减少情况;2007年2月，这促使州政府委托建造了一座海水淡化厂，每年提供45吉升的饮用水饮用水对这座城市的居民。

尽管澳大利亚新闻媒体(例如，ABC新闻，2007年1月9日)声称珀斯的降雨量下降主要是由空气污染的云-微物理结果引起的，但我们不知道有任何科学分析或出版物支持这一说法。相反，多机构进行的广泛分析印度洋气候raybet雷竞技最新倡议(IOCI 2002)已经确定了一系列与大气动力学和环流模式的大规模变化同时发生的其他潜在因素。支持大规模控制该地区降雨的一个重要论点是，观察到在所有时间尺度上的降雨与平均海平面压力之间存在非常强的相关性(IOCI 2002)。更详细的分析显示的影响包括印度洋温度环流，平流层臭氧消耗对南方环流模式的潜在影响，大规模温室迫使(结论为提供50%的降水下降信号)，以及土地利用变化(例如，Lyons 2002;皮特曼等，2004;蔡等，2003,2005,2007;Cai and Cowan 2006;Timball and Arblaster 2006;Timbal et al. 2006)。

此外，值得注意的是，多世纪全球气候模式模拟表明，30年干旱趋势作为自然长期气候变率的一部分，发生的概率也是有限的。raybet雷竞技最新因此，在分析任何时间序列趋势时，将自然变异作为解释假设的一个组成部分是很重要的。Frederiksen和Frederiksen(2007)对冬季大气状态的变化进行了全面分析，他们使用了1949-1968年和1974-1994年期间的NCEP/NCAR再分析，得出结论:1975-1994年期间，西澳西南部降水减少的主要过程是降水强度的降低风暴之发展形成以及一些风暴向南偏转。风暴轨迹的向极移动似乎与观测到的南大洋中间水域(55°S至65°S之间)的变新鲜相一致，Wong等人(1999)将其解释为该海洋区域降水的增加。此外，Frederiksen和Frederiksen(2007)指出观察到的变化

珀斯水坝的年总流入(gl)

在南半球气候中的hjraybet雷竞技最新，包括赤道到极点对流层温度梯度的减少和随之减少的纬向流，与人为温室强迫的影响是一致的。但是，他们适当克制地指出，在现阶段尚未作出这样的结论。

第二次评估是影响西澳大利亚西南部的主要天气类型的时间变异性(Hope等人，2006年)，确认该地区与潮湿条件有关的槽的出现频率有所下降，而与大陆上高压和干燥条件有关的天气类型的频率有所增加，这与Frederiksen和Frederiksen的发现一致(2007年)。对所有这些影响的令人信服的总结，以及在总体背景下设置的相关出版物的全面列表检测和归因Nicholls(2006)raybet雷竞技最新提供了澳大利亚气候变化的数据。值得注意的是，在这一非常平衡的评估中，承认印度洋气候倡议(IOCI 2002)曾认为增加的当地气溶胶污染是降雨趋势减少的一个可能的原因，但结论是，面对明显的动力信号，它只能是raybet雷竞技最新一个次要的(不太可能的)因素。最近，Bates等人(2007)总结了IOCI的主要发现，Rotstayn(2007)提供了一个关于需要了解污染物气溶胶的动力学效应的额外论据。

合成

从我们的澳大利亚案例研究中可以得出四个关键结论。首先，毫无疑问，即使在这个人口相对较少的国家(平均每平方公里不到3人)，CN和CCN的人为排放在总水平上占主导地位自然排放．鉴于大多数人口集中在不到10个大城市，含有高浓度CN和CCN的气溶胶羽流被较低或“背景”CN和CCN浓度的区域隔开，自20世纪60年代末以来就为人所熟知。这些观察结果与过去几十年在世界其他地区进行的许多其他研究一致，这些研究表明，人口稠密中心的下风处CN和CCN浓度增加。

第二，鉴于CN和CCN水平的可识别空间梯度的情况，已经明确证明云的形成在污染更严重的空气中，靠近云底的地方，小水滴的浓度比污染较轻的空气中形成的云要高。正如许多出版物(如Garrett和Hobbs 1995年)所证明的那样，这一观察结果并不是唯一的，可以推广到世界其他区域。

第三，对澳大利亚降水的时空趋势进行了分析，在其他条件相同的情况下，最好的解释是大气动力过程的变化，而不是云微物理的变化。这也与其他研究相一致，例如METROMEX的研究表明，尽管云的微物理性质由于气溶胶污染而发生了变化，但降水实际上增加了。

第四，然而，我们必须承认，迄今为止所做的工作无法明确地排除微观物理强迫降水效率在某些情况下(例如，即使在污染环境下，巨型CCN的存在也是增加降水发展的一种方式)。虽然观测结果表明，云微物理的改变对地面总降水的影响相对较小，但我们认为，目前还没有设计和开展任何实验，以综合的方式考虑和联系过程研究来证明因果关系，用时间序列研究来定义降水趋势，同时涵盖对降水过程的微物理和动力强迫(即:所有混杂因素同时出现)以及它们的相互作用。需要开发和应用更好的统计方法来分离差异的相对贡献

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