引言

气溶胶粒子对云降水的影响主要是通过充当云凝结核(CCN)和成冰核(IN)来实现的。在云中，充当CCN的气溶胶粒子按大小分为三类，半径小于0.01μm的粒子通常没有活性，不影响云的微物理结构，半径在0.01μm~1μm的粒子会延缓雨水的形成而抑制降水^[1-3]，半径大于1μm的粒子将增加降水^[4-5]。Gunn和Phillips^[6]利用云室实验表明，大气气溶胶增加了云凝结核数量，使小云滴浓度增大，减缓了云滴间的碰并，从而抑制降水。Rosenfeld等^[7-9]通过卫星观测研究表明，城市和工业大气污染气溶胶会抑制对流云降水，对于云顶暖于-10℃的对流云，气溶胶会完全切断降水。Borys等^[10]指出在美国科罗拉多州洛矶山脉干净大气中加入1μgm^-3硫酸盐气溶胶，地形降雪减少达50%。Rosenfeld和Givati^[11-13]利用城市和工业区附近山区降水与海岸边降水比值R_o，研究了气溶胶对降水的影响，结果表明以色列和加利福尼亚中部、南部城市地区的R_o减少了15%~25%，加利福尼亚和俄勒冈州北部洁净区，R_o保持稳定，但在人口与工业密集的西雅图东部地区，R_o却明显降低，在对太平洋沿海地区的研究也得到了相似的结果。Lynn等^[14]通过显式微物理云模式模拟证明了当CCN浓度增加时，内华达地形云降水被抑制。Griffith等^[15]运用Rosenfeld的分析方法，验证了冬季气溶胶对地形云降水的抑制作用。

地形云主要是气流流经山脉时受地形强迫抬升而形成的，此时在迎风坡低层堆积的气溶胶粒子极易随气流被抬升入云，大大地增加了地形云中凝结核数量，使小云滴浓度增大，削弱了云滴间的碰并，推迟了云水向雨水的转化，抑制降水。而平原地区由于没有地形的强迫抬升，低层的气溶胶粒子只能通过湍流扩散或者热力抬升入云，加之云底一般离地有好几百米高度，大多在大气边界层顶以上，使得入云的气溶胶浓度较低，因此地形云比平原地区的云受气溶胶影响的程度总体上更高。故选取秦岭地形云受气溶胶影响程度较高的山顶华山站为影响站，将其周围平原云受气溶胶影响程度较低的华阴、渭南、西安为对比站，进行分析。

关中地区是陕西省乃至西北地区人口与城镇分布最密集、城镇化水平最高的地区，1950年代至1970年代就是我国工业建设的重点区域，特别是1980年以来，关中地区和我国的许多地方一样，城市化工业化发展进程明显加快，人口密集，其人口占全省的60%，国民生产总值占全省的73%。因此将1980年作为关中城市、工业快速发展的分界点，探讨城市污染气溶胶对地形云降水的影响问题。

1 研究区域

秦岭是我国一条重要的气候、地理分界线，在气候、水文、植被分布上南北之间有明显的差异。山脉以北气候比较干旱，以南温暖湿润。秦岭年降水量1000mm左右，是关中经济区的主要供水源区，也是“南水北调”中线的主要补水区。华山位于秦岭的东北部，山势陡峭，降水丰富，平均年降水量达830mm左右，关中平均年降水量550mm左右。因此开展秦岭地区云降水研究意义重大。

关中平原地处陕西的中部，城市化工业化发展水平较高，大气污染严重。其北有黄土高原，南有秦岭山脉阻隔，不利于气溶胶的输送扩散，造成该地区气溶胶浓度总体偏高。而关中的中心城市西安，自1980年开始进入城市化快速推进期，总人口由511.9万发展到2001年的694.8万，耕地面积由1970年的369.4×10³hm²减少到2001年的287.8×10³hm²，城市建设用地由1990年的120.7km²增加到2001年的183.7km²，2003年城市车辆已超过30万辆。随着经济活动、人口、车辆的增加，造成西安大气气溶胶浓度偏高，城市上空常出现气溶胶阴霾覆盖现象，成为中国北方典型的有显著大气污染问题的城市。与中国其它城市相比，西安的颗粒物负载与包头、兰州、北京、乌鲁木齐、成都相似^[16-17]，有机碳和碳元素水平高于亚洲大多数城市^[18]，污染严重，是开展气溶胶对云降水影响研究的较理想区域。故选取华山与关中平原为研究区域，讨论气溶胶对降水的影响问题。表 1列出了各站的地理信息。

2 研究方法

气溶胶对降水的影响较为复杂，全球和区域的大气环流也影响着降水，要想从对降水影响的诸多因素中找出气溶胶对降水的影响量，一种方法是在受气溶胶影响程度高的地方选择一个影响站，而在其附近受气溶胶影响程度低的地方选取若干个对比站(使分析结果具有更好的代表性)，当影响站与对比站的降水量高度相关(确保其它因素对降水量的影响是相似的)时，其比值R_o(地形强化因子：影响站与对比站的降水量之比)的变化主要反映出气溶胶对降水的影响，而其它因素对R_o的变化影响较小。

气溶胶排放到大气中数小时后，就能够活化成CCN，其CCN的活性主要取决于气溶胶的大小(以粒径小于2.5μm为主)，对气溶胶的化学成分不敏感^[19]。在研究气溶胶对降水的影响中，表征入云气溶胶特性的最理想资料是云底附近的气溶胶浓度与分布，但没有这方面的资料可用；其次也可以用地面PM_2.5资料，它可以直接反映出近地层起CCN作用的气溶胶(2.5μm)量，而入云的气溶胶量还取决于大气的湍流和热、动力状况等，PM_2.5也是一种间接反映；另外用云底附近(华山站距地面1600m左右)的水平能见度来表征入云的气溶胶量也是可行的，因为能见度主要受气溶胶、相对湿度、降水和沙尘暴的影响，而华山站受沙尘暴影响的天数非常有限，当对能见度进行相对湿度和降水的订正后，能见度就可以反映出入云气溶胶状况。因此，选取华山站的能见度作为反映对降水影响的气溶胶表征量，分析气溶胶对地形云降水的影响。研究中所用资料为华山站的降水、能见度及华阴、渭南、西安的降水资料，资料序列分别为西安及华山1954—2004年、渭南1959—2004年、华阴1970—2004年，对关中城市、工业快速发展的标志年份根据发展状况人为确定为1980年。

3 结果分析 3.1 降水相关性分析

首先检验影响站与各对比站的降水量是否相关，以确保对降水影响中，除气溶胶影响程度不同外，其它因素的影响相近。图 1为华山与3个对比站的相关图，由图可见：华阴与华山距离最近，相关最好，相关系数达0.84，华山与西安距离最远，相关较差，但相关系数也达0.75，均能满足相关性要求。

3.2 观测以来年降水的演变

图 2给出了影响站和各对比站的年降水量及R_o的变化趋势，图中P表示R_o变化的线性回归t检验的概率值，此值越小，说明相关越显著，这里各值均符合显著性要求。由图可见：(1)各站年降水量均呈递减趋势，华山降水的递减明显快于三个对比站，说明地形云降水递减明显大于平原地区；(2)以华阴、渭南、西安为对比站的3个R_o均呈现递减趋势，R_o递减斜率分别为-0.0062、-0.0072、-0.0061，各站R_o(2004年)与R_o(起始年)之比为0.80~0.86，反映出这些年R_o减小了14%~20%，也说明影响站相对于对比站降水量减少了14%~20%。

从影响站降水递减快、对比站递减慢的结果来看，降水的系统性变化不会导致这个结果，也很难解释这种现象，说明区域性降水的下降不会导致华山站的降水减少的这么多，存在着其它的局地因素影响使华山地形云降水递减比平原要大得多，这其中大部分原因可能是气溶胶增加引起的。为了分析R_o递减是否主要由气溶胶递增所致，进一步分析华山能见度(入云气溶胶表征量)的演变。

3.3 华山能见度演变

由于能见度观测方法在1980年做了调整，即：1980年前按等级观测，1980年后按距离观测，在分析中首先将能见度等级换算成距离，然后再进行相对湿度和降水的订正。如果相对湿度大于40%而小于99%，对能见度进行订正，订正公式^[20]为：

VIS/VIS(订正)=0.26+0.4285log(100-RH)

RH以百分数计，log为常用对数。

如果一天的4次观测期间，有任何形态的降水或雾出现，那么这一天的能见度将会从订正的能见度时间序列中剔除。图 3a给出了逐日能见度(4次平均)值，图 3b为订正的能见度值。由图可见：(1)能见度观测方法的调整带来了明显的系统差异，分析时分1980年前、后两个时间序列；(2)订正和未订正的能见度都呈现出明显的下降趋势，反映了此段时间内大气气溶胶的增加趋势^[21-22]；(3)1980年后、前未订正的能见度下降斜率分别为-0.203和-0.160，其比值为1.27，订正的能见度下降斜率分别为-0.321和-0.154，其比值达2.08，反映出1980年后比1980年前能见度递减更快、气溶胶递增更明显；(4)1980年前订正和未订正的能见度下降斜率分别为-0.154和-0.160，其比值为0.96，差异不大；1980年后订正和未订正的能见度下降斜率分别为-0.321和-0.203，其比值为1.58，差异明显，说明相对湿度对能见度贡献显著(尤其当空气质量较差时)，当用能见度作为气溶胶的表征量分析时，必须经相对湿度订正后才更加合理；(5)由第4.2节的分析看出，在同一时期，能见度与R_o的递减趋势一致，能见度的递减反映出空气污染程度增加、气溶胶浓度增大，由于R_o的变化主要反映气溶胶对降水影响，从这个意义上说，气溶胶的增加抑制了地形云降水，减小量为14%~20%。

综上分析发现能见度的变化趋势在1980年前后存在明显差异，因此，将1980年定为关中城市、工业快速发展的标志年份与能见度时间序列较为一致，可以以此年代划分来开展进一步的分析。

3.4 城市、工业发展污染气溶胶对地形云降水的抑制作用

由以上的分析，初步得到了1954年以来气溶胶抑制地形云降水的观测事实，为了进一步了解城市、工业快速发展气溶胶对地形云降水的影响，分1980年前、后两个时段进行分析。

3.4.1 1980年前后年降水演变

表 2列出了各站年平均降水量及R_o值。由表可见，华山1954—1979年的平均年降水量为901mm，1980—2004年的平均年降水量为769mm，1980年后比1980年前降水减少了15%，达132mm；对比站西安1954—1979年的平均年降水量为576mm，1980—2004年的平均年降水量为560mm，1980年后比1980年前减少了3%，仅为16mm；渭南1959—1979年的平均年降水量为551mm(华山同期平均年降水量为871mm)，1980—2004年的平均年降水量为573mm，1980年后比1980年前增加了4%，为22mm；华阴1970—1979年的平均年降水量为587mm(华山同期平均年降水量为876mm)，1980—2004年的平均年降水量为572mm，1980年后比1980年前减少了3%，仅为15mm。对比站多年平均年降水量在1980年前、后变化幅度不大，减少仅在3%以内，而影响站1980年后的平均年降水量比1980年前明显减少，减少程度15%，达132mm，R_o在1980年后比1980年前减少了10%~15%，与1980年后能见度的加速递减相吻合。

图 4给出了1980年前后各站年降水量及R_o的变化趋势，由图可见：(1)1980年前、后各站年降水量都呈递减趋势；(2)华山年降水量递减斜率与华阴、渭南、西安之比，1980年前分别为-1.26、-0.23和-1.03，1980年后分别为-2.18、-2.31和-3.42，反映出1980年后华山的年降水量递减比对比站快的多；(3)1980年前，R_o相对稳定略有增加，而1980年后R_o递减，2004年的R_o比1980年的R_o减小了11%~20%，反映出1980—2004年25年间华山降水相对平原地区减少了11%~20%，与4.2比较发现R_o递减主要是1980年后造成的。

综上所述，在1980年前，降水影响因子R_o基本保持稳定略有增加，之后R_o明显递减，1980—2004年25年间减小了11%~20%，气溶胶对地形云降水的抑制作用突显；平原地区1980年前后的年平均雨量变化幅度不大，仅减小了3%，气溶胶对平原地区云降水的影响较小；而对秦岭山脉地形云降水，1980年后比80年前的年平均雨量明显减少，减少15%，达132mm，说明了城市工业发展气溶胶对地形云降水的抑制作用明显。对于水资源短缺的西部来说，其影响很大，持续下去造成的危害也相当严重，应给予高度关注。

为了进一步了解气溶胶抑制地形云降水的物理过程，一是分析不同日降水强度时的影响状况，二是分析在热力、动力机制下抑制作用如何。

3.4.2 1980年前后降水发生概率的变化

图 5a、b分别给出了华山、西安的日降水发生概率(华山与西安的资料起始年份相同)，由图可见：(1)华山1980年后与80年前相比，中、小雨天出现概率明显减少，1mm以上的小雨天概率由1980年前的25%降低到80年后的21%，减少了16%，10mm以上的雨天发生概率由1980年前的8%降低到80年后的6.5%，减少了19%，30mm以上的雨天发生概率基本维持稳定；(2)西安1980年后与80年前相比，小雨天出现概率有所减少，但减少程度明显低于华山，1mm以上的小雨天概率由1980年前的18%降低到80年后的17%，减少了6%，2mm以上的雨天发生概率基本没有变化。

众所周知，日降水强度越大，云体相对越厚，生命期越长。结合以上分析表明：气溶胶抑制华山地形云降水主要是减少了发生中小雨的天数，即气溶胶对浅薄的生命期短的降水云作用更明显，这是由于此类云没有足够的时间使大量的云水转化为雨水而造成的。对于平原地区，如西安站由于入云的气溶胶量较小，只对1mm以下的降水云有抑制作用，而对2mm以上的降水云基本没有影响；对于秦岭山脉，如华山站由于地形的强迫抬升作用，使低层气溶胶随气流入云，随着入云气溶胶量的大幅增加，反映出对30mm以下的降水云抑制作用明显，说明入云气溶胶浓度越高，就有越厚的降水云会被气溶胶影响而减少降水。同时也表明，山区和平原地区由于气溶胶输送入云的机制不同，气溶胶抑制降水的程度也不同，对不同强度的降水云的影响也不同。

3.4.3 降水的季节分布

秦岭和关中地区的成云致雨过程在四季是不同的，春季主要以锋面过程为主，秋季存在着“秋淋”连阴雨天气过程，夏季以对流云降水过程为主，导致秦岭地形云降水在春秋季以动力强迫抬升为主，夏季则以热对流为主。因此，分析降水的季节变化趋势，寻找在热力及动力抬升作用下，气溶胶对地形云降水的影响状况，以进一步了解其影响的物理过程。

由于冬季干燥，降水少(仅占年降水5%以下)，雨量相关性差，所以不分析冬季的情况。表 3、图 6给出了华山与对比站1980年后春、夏、秋三季的降水及R_o演变，分析可见：各站夏、秋、春三季的降水占年降水量的比重分别是45%、30%左右及20%~22%，夏季R_o变化与春秋季明显不同，存在着不同的影响机制。

热对流为主的夏季，以华阴、渭南为对比站的R_o基本稳定、保持不变，R_o(2004年)与R_o(1980年)之比约为1，以西安为对比站的R_o存在着递减趋势(也许是相关性较差所致，相关系数0.63)，但明显小于春秋季。众所周知，热对流降水大多属局地过程，入云气溶胶主要靠热力上升或湍流扩散将局地气溶胶输送入云，此时山区与平原对流云的气溶胶入云机制相同，入云的气溶胶量相当，受影响程度也相当，反映出R_o的大小基本稳定、保持不变，抑制降水程度相当。另外，降水性对流云相比较云体较厚、雨强较大，据4.4.2分析可知，气溶胶抑制降水主要表现为减少了中、小雨的天数，且对浅薄的云抑制降水作用明显，对云体较厚雨强较大的云抑制降水作用较弱。

以动力强迫抬升为主的春秋季，R_o之比春季为0.70~0.77，即春季降水在25年间减少了23%~30%；秋季R_o之比为0.77~0.80，即秋季降水在25年间减少了20%~23%，秋季抑制降水作用弱于春季，可能是“秋淋”连阴雨对气溶胶冲刷清除作用所致。相对于平原地区，在动力作用下，秦岭低层堆积的气溶胶粒子随气流抬升入云，增加了云中凝结核数量，使小云滴浓度增大，削弱了云滴间的碰并，推迟了云水向雨水的转化，抑制了降水。

综上所述，热力作用下气溶胶对地形云降水的抑制作用与平原地区相当，动力作用下气溶胶对地形云降水的抑制作用明显强于平原地区，25年间减少降水达20%~30%，抑制作用也强于没有剔除热力作用的年降水变化(见第3.4.1节降水减小了11%~20%)。

4 讨论

选取秦岭华山站为影响站，其附近平原的华阴、渭南、西安为对比站，利用有观测以来的降水、能见度资料，通过对降水、能见度及R_o的分析，研究了气溶胶对地形云降水的影响。

首先自1954年以来R_o逐年递减，与能见度的递减、气溶胶的递增相吻合，说明气溶胶的增加抑制了地形云降水，降水相对减少了14%~20%。尤其是1980年后能见度递减加快、气溶胶递增明显，城市、工业快速发展的污染气溶胶对地形云降水的抑制作用突现，1980—2004年间R_o减小了11%~20%，华山1980年后比1980年前的年平均雨量减少了15%，达132mm，而平原地区降水量仅减少了3%，说明1980年后是造成观测以来R_o递减的主要时期。对于水资源短缺的西部来说，气溶胶抑制地形云降水会加重关中水资源的缺乏，持续下去会造成严重危害，应给予高度关注，并针对此类云实施人工催化，以减轻城市工业发展对环境带来的危害。

其次分析气溶胶抑制地形云降水的物理过程发现，气溶胶的增加主要是减少了发生中小雨(日雨量小于30mm)的天数，而对大于30mm的降水影响较小，即气溶胶对浅薄的生命期较短的地形云降水抑制更明显；在动力作用下，秦岭低层堆积的气溶胶粒子随气流抬升入云，增加了云中CCN数量，小云滴浓度增大，削弱了云滴间的碰并，推迟了云水向雨水的转化，抑制降水作用明显强于平原地区，1980—2004年25年降水减少达20%~30%(大于同期11%~20%)；在热力作用下，高山与平原地区入云气溶胶量相当，对地形云的抑制降水作用与平原地区也相当，R_o约为1。

以上研究结果仅为华山观测事实的分析结果，还需进一步深入研究，逐步完善。