气溶胶主要通过两种方式影响地球气候系统,分别是气溶胶-辐射相互作用和气溶胶-云相互作用。由于云物理特性的改变不仅受气溶胶影响,更易受太阳辐射、气象条件等多种因素的制约,他们之间存在多种反馈机制,常被称为一个缓冲系统(Steven and Feingold,2009)。其中气溶胶-云相互作用是地球气候系统中最主要的不确定性来源。气溶胶粒子通过成为云凝结核和冰核改变云微物理参数以及降水效率,是气溶胶-云相互作用最主要的过程,也常被称为气溶胶间接效应。气溶胶-云相互作用被IPCC第五次评估报告确定为目前气候变化辐射强迫估算中最主要的不确定性因子之一。然而单一仪器很难同时准确观测气溶胶和云特性,而借助多种观测手段准确判断气溶胶(尤其是云底气溶胶)和云的混合状态显得尤为重要。云物理经典理论指出,气溶胶只有入云了才会对云产生间接效应。为了合理揭示光学卫星所观测到的反Twomey效应真实原因,我们通过选取长期的时空匹配的MODIS光学卫星,CALIOP激光雷达和Cloudsat CPR云雷达资料,通过建立判断气溶胶层和云层是否混合的标准、考察不同季节,不同气溶胶光学厚度分档条件下云微物理参数变化特征,我们发现:(1)由于卫星激光信号衰减、信噪比等问题,中国东部地区上空的多数情况下观测到的是气溶胶或云层的情况(占80%左右),而气溶胶层与云层混合状态占所有廓线比仅为9%左右。但是,气溶胶层和云层混合状态样本是两者分离状态样本数的4倍。传统意义的相互作用,绝大多数是在没有区分气溶胶和云层是否混合的前提下进行的,这也是绝大多数研究工作在中国东部上空观测到的反Twomey效应的原因之一。(2)通过进一步对气溶胶光学厚度分档,考察不同分档条件下云滴有效半径(CDR)的变化规律。在气溶胶层和云层混合的条件下,当大气由清洁逐渐转轻度污染,CDR随AOD增加呈现一个递减的趋势,这个观测现象就是我们熟悉的Twomey效应。当大气持续污染(AOD>0.5),中国东部陆地上空云的CDR随AOD变化的规律变得离散甚至有一个增加的趋势。表明气溶胶第一间接效应在我国东部存在一个转折(饱和)点,对应AOD在0.4-0.5之间。由于全球陆地年平均AOD在0.2左右,我国陆地年均AOD在0.7左右。绝大多数情况下,我国的大气污染状况(AOD)都超出了转折点,即云滴有效半径随AOD变化的Boomerang变化规律,这也是前人观测到反Twomey效应的一个重要原因(Wang et al.,2015)。(3)为了一定程度消除气象条件影响,分别考察了夏季和冬季的ACI。结果发现无论在夏季还是冬季,重度污染情况(AOD>0.5)混合状态下的CDR随着AOD增加均呈增加趋势。表明,气溶胶的第一间接效应(微物理效应)主要发生在轻度污染大气条件下,而当大气污染达到饱和状态下,AOD进一步增大,将导致气溶胶的微物理作用退出,而云滴的蒸发作用(Xue and Feingeld,JGR2008)将是导致CDR呈指数增长的主要原因。间接地证明了各种不同效应不同条件下的竞争,是导致ACI存在这种转折的重要原因之一。在气溶胶如何影响降水发生发展研究方面,通过选取我国华北区域太行山附近的4个平原站和3个高山站,分析其40年(1966-2005年)期间的小时降水量,小时降水频次,大气污染变化等长期变化趋势。借助云解析模式-微物理过程分档WRF模式(WRF/SBM),详细分析了气溶胶对地形降水影响的机制。发现:气溶胶对地形强迫形成的浅层云弱降水以及中尺度弱降水的抑制作用,而对周边的平原地区弱降水出现一定促进作用。模式结果也证实了太行山的地形作用在气溶胶-降水相互作用过程中发挥了一定的作用(Guo et al.,2014)。最后,在局地云降水系统的垂直结构如何对气溶胶做出调整(adjustment)方面,通过构建不同大气污染条件下的降水雷达回波概率分布图(Normalized Contoured Frequency by Altitude Diagram,NCFAD),发现气溶胶对浅对流,层状云和对流等不同类型降水的作用机制存在显著差别。尤其是气溶胶对对流降水在上层有一个明显的促进效应,这种效应是以下层降水抑制为代价的。此外,申请者通过观测与云解析模式相结合,发现气溶胶对我国华南地区夏季降水下午峰值的推迟现象,并指出气溶胶辐射效应和微物理效应的竞争机制是造成这一现象的主要机制(Guo et al.,2016)。