中國城市的云彩怎么了

葛江濤

美國馬里蘭大學大氣海洋系教授、北京師范大學千人計劃專家李占清，每天步行上下班——自北京師范大學東門往返于約兩公里外學清橋附近的一個小區。

在這個小區域之上，以及更廣闊的華北平原、乃至中國中東部地區，云層正因環境的變化——比如城市排放——而變得與過去不同。

“云是連接氣溶膠與降水的橋梁，是氣候變化最核心、最不確定的因素，也是我國氣候變化研究領域最薄弱的環節?！边@位“云、氣溶膠及其氣候效應”國家重大研究項目首席科學家、中美重大合作項目首席專家對《瞭望東方周刊》說。

氣溶膠，簡單說就是大氣中懸浮的固態、液態粒子。PM2.5描述的是大氣中直徑在2.5微米以下的微小顆粒，氣溶膠則不僅僅局限于這個尺度。

一位國際學術權威人士認為，李占清發現了“一個強有力的觀測證據，證明氣溶膠對不同云產生不同影響”。它顯示，如氣溶膠一般的大氣顆粒物——比如霧霾，可引起云特性的顯著變化，這可能在中國更加明顯，會深刻改變氣候和環境。

換句話說，近年來中國城市的兩個最具影響的天氣現象：霧霾和極端天氣，可能互相影響，而這可能是日益增多的旱澇災害以及南澇北旱趨勢日益明顯的重要原因之一。

增加一倍與減少50%

通過分析美國10年的大型氣候研究資料以及全球衛星觀測資料，李占清團隊的研究曾揭示，氣溶膠濃度對云和降水有顯著影響。

在濕潤地區或季節，地表氣溶膠濃度增加，云厚度和降水強度都有顯著增加，夏季影響最大——降水在高濃度時比低濃度時可高出一倍，顯著增加洪澇發生的概率。

相反，在干燥的季節或地區，氣溶膠又抑制云發展，極端情況下可使降水概率降低50%。

作為大氣中的顆粒，氣溶膠通常分為自然氣溶膠和人為氣溶膠?！白匀粴馊苣z包括天然的森林燃燒、沙塵暴等。人為氣溶膠中，最常見的就是城市中的工業排放、汽車尾氣等?！崩钫记逭f，人為氣溶膠有些是一次性形成，有些經過物理、化學作用二次形成。比如工業排放氣體可經太陽光照射形成粒子，成為氣溶膠。

很多以氣體形式排放的污染物——二氧化硫、二氧化氮等最后都形成氣溶膠，“在實驗中，很容易觀測到這些氣體變成新粒子，并很快長大。”李占清說，這些“長大的粒子”就是霧霾，這也解釋了一個常見現象：萬里晴空經過短短幾天就被霧霾取代。

在全球范圍內，氣溶膠分布以熱帶地區、低緯度地區為主。自然氣溶膠集中在沙漠地區，如撒哈拉沙漠、中東沙漠等。

人為形成的氣溶膠集中出現在人類活動密集的地區，特別是發展中國家的城市帶，比如中國東部，印度也有很大的范圍。

南美洲的亞馬孫地區、非洲中部地區，因為植物燃燒也存在大量氣溶膠。歐洲、北美洲比較少有。北美洲東部雖然也存在，但是相對很少。

地球的天氣與氣候主要取決于兩個循環：水循環和能量循環。水循環就是經過太陽照射之后，地面加熱，氣團上升，隨著高度升高，氣團逐漸變冷，本來并不飽和的水汽逐漸凝結，最終變成水滴，進而變成云，引起降水，進入下一次循環。

氣溶膠正是通過在這個循環過程中吸收和散射，對氣候、降水、溫度等帶來一系列影響?！皬娘w機上，我們可以看見北京上空白茫茫的，那是氣溶膠散射的反光。而站在北京的地面仰望，上空是暗灰的——經過氣溶膠的散射和遮擋，減弱了到達地面的太陽能。”李占清說。

氣溶膠產生的散射和吸收都剝奪了太陽照射到地面的能量，形成降溫作用。在空中，氣溶膠可以吸收太陽能，引起大氣增溫、地面降溫，大氣環境特別穩定，就不容易形成云，從而抑制了降水的形成。

毛毛雨為何減少

“氣溶膠──云──降水──氣候”相互作用的過程，隨著中國城市排放對生產、生活的影響加大而逐漸引起關注。

2004年起，李占清開始參與大氣研究項目，并利用來自美國的研究資金、設備，協助中國科學院開展氣溶膠的觀測實驗研究。

該項目陸續得到科技部、氣象局、國家自然科學基金委等的支持?！斑@是中美兩國在氣候變化領域最主要的一個合作，開始美國能源部投入500多萬美元，并安排多個國家實驗室的科學家和工程師參與協助實驗。中國學者利用這次機會學習了解了許多新的觀測技術，比如最尖端的毫米波云雷達觀測?！崩钫记逭f。

從2013年開始的第三期項目，中國方面加大投入，僅科技部就投入3000萬元，使觀測網點進一步擴大，觀測內容更加豐富，觀測技術更加先進 。

至此，實驗已達分子級、納米級，可詳細分析每個粒子的具體化學成分、物理結構，可望最終揭示氣溶膠與氣候、云、降水等錯綜復雜的關系。

以陜西為例，李占清說，在華山山頂，由于氣溶膠少，溫度變化與全球變暖的大趨勢基本一致。但在附近的西安，由于長期污染，地面最高溫度——該溫度受氣溶膠影響最顯著——反而呈現下降趨勢。

云層的厚度、高度，與氣溶膠的含量、污染物的濃度均有密切關系，通常污染物越多，對流性云層越厚。

“這樣的云通常不容易產生降水，隨著向上升起的過程，氣溶膠越積越多，云也越來越厚，越來越難下小雨?！崩钫记逭f。

這是一個較為復雜的過程。

一方面，氣溶膠在空中吸收陽光的能量，導致地面變冷、空中變熱，阻止了對流的產生，形成相對穩定的氣流環境。

另一方面，氣溶膠吸附水汽，是形成云和降水的根本要素。如果大氣中沒有氣溶膠，讓水汽分子隨機碰面，就不可能產生云和降水。

反過來，如果氣溶膠太多而水汽含量較少的話，氣溶膠互相競爭水汽，雨滴就長不大，也不容易降水。

但這樣的云積累到一定階段，不斷凝結水汽，最終可能產生極端的風暴云和暴雨天氣。

于是，在干燥的地區或季節，氣溶膠的增加會進一步抑制降水；而在濕潤的地區或季節，氣溶膠的增加則會增加降水的頻率和強度。

這樣，在污染較為嚴重的城市，要么不降水，要么就是暴雨，過去常見的蒙蒙細雨現在很稀罕。

此外，工業排放產生的硫酸鹽、硝酸鹽等是一種更加容易吸水的氣溶膠，所以更容易引起云特性的改變，因而會改變天氣，比如加強雷暴天氣等。

研究表明，從上世紀60年代至今，國內的“毛毛雨”每10年減少5天，暴雨天氣則每10年增加2天。極端天氣顯然不利于雨水存儲，李占清說，氣溶膠通過云層的影響，加劇了南澇北旱的狀況。

減弱的風速，降低的光合作用

氣溶膠除了影響溫度、云和降水，也減弱了地面風速。50年來中國的平均風速大大降低，幅度甚至達到30%?！帮L速慢當然受大氣環流改變的影響很大，但氣溶膠使得近地面大氣穩定度增加，也就更容易出現霧霾了。”李占清說。

目前，全球的氣溶膠平均光學厚度在0.1到0.15之間，在西方發達國家和地區是0.2到0.3之間。而在中國的中東部大部分地區，這個數字變成0.6到0.8?！暗届F霾天氣，會上升到4到5之間。”李占清說，當氣溶膠的光學厚度達到10，將完全遮住太陽的光芒，站在地面上只能看到灰蒙蒙的一片。

除了影響降雨，氣溶膠還會減弱光合作用，“我們近年來沒有減產，但是化學肥料越用越多?！崩钫记逭f。

在香河的實驗發現，大氣污染大大減少了到達地面的太陽能，每平方米地面接受的太陽光輻射，全年平均減少24瓦。

在全國范圍內，這個數據是20瓦。氣溶膠對太陽能輻射地面的影響，全球平均值僅在4至5瓦。

“以環境污染的代價換取GDP增長，長遠看將得不償失?！崩钫记逭f，未來改善環境所需要消耗的財力，可能會降低生產效率和生活水平。endprint