中国城市的云彩怎么了

葛江涛

美国马里兰大学大气海洋系教授、北京师范大学千人计划专家李占清，每天步行上下班——自北京师范大学东门往返于约两公里外学清桥附近的一个小区。

在这个小区域之上，以及更广阔的华北平原、乃至中国中东部地区，云层正因环境的变化——比如城市排放——而变得与过去不同。

“云是连接气溶胶与降水的桥梁，是气候变化最核心、最不确定的因素，也是我国气候变化研究领域最薄弱的环节。”这位“云、气溶胶及其气候效应”国家重大研究项目首席科学家、中美重大合作项目首席专家对《瞭望东方周刊》说。

气溶胶，简单说就是大气中悬浮的固态、液态粒子。PM2.5描述的是大气中直径在2.5微米以下的微小颗粒，气溶胶则不仅仅局限于这个尺度。

一位国际学术权威人士认为，李占清发现了“一个强有力的观测证据，证明气溶胶对不同云产生不同影响”。它显示，如气溶胶一般的大气颗粒物——比如雾霾，可引起云特性的显著变化，这可能在中国更加明显，会深刻改变气候和环境。

换句话说，近年来中国城市的两个最具影响的天气现象：雾霾和极端天气，可能互相影响，而这可能是日益增多的旱涝灾害以及南涝北旱趋势日益明显的重要原因之一。

增加一倍与减少50%

通过分析美国10年的大型气候研究资料以及全球卫星观测资料，李占清团队的研究曾揭示，气溶胶浓度对云和降水有显著影响。

在湿润地区或季节，地表气溶胶浓度增加，云厚度和降水强度都有显著增加，夏季影响最大——降水在高浓度时比低浓度时可高出一倍，显著增加洪涝发生的概率。

相反，在干燥的季节或地区，气溶胶又抑制云发展，极端情况下可使降水概率降低50%。

作为大气中的颗粒，气溶胶通常分为自然气溶胶和人为气溶胶。“自然气溶胶包括天然的森林燃烧、沙尘暴等。人为气溶胶中，最常见的就是城市中的工业排放、汽车尾气等。”李占清说，人为气溶胶有些是一次性形成，有些经过物理、化学作用二次形成。比如工业排放气体可经太阳光照射形成粒子，成为气溶胶。

很多以气体形式排放的污染物——二氧化硫、二氧化氮等最后都形成气溶胶，“在实验中，很容易观测到这些气体变成新粒子，并很快长大。”李占清说，这些“长大的粒子”就是雾霾，这也解释了一个常见现象：万里晴空经过短短几天就被雾霾取代。

在全球范围内，气溶胶分布以热带地区、低纬度地区为主。自然气溶胶集中在沙漠地区，如撒哈拉沙漠、中东沙漠等。

人为形成的气溶胶集中出现在人类活动密集的地区，特别是发展中国家的城市带，比如中国东部，印度也有很大的范围。

南美洲的亚马孙地区、非洲中部地区，因为植物燃烧也存在大量气溶胶。欧洲、北美洲比较少有。北美洲东部虽然也存在，但是相对很少。

地球的天气与气候主要取决于两个循环：水循环和能量循环。水循环就是经过太阳照射之后，地面加热，气团上升，随着高度升高，气团逐渐变冷，本来并不饱和的水汽逐渐凝结，最终变成水滴，进而变成云，引起降水，进入下一次循环。

气溶胶正是通过在这个循环过程中吸收和散射，对气候、降水、温度等带来一系列影响。“从飞机上，我们可以看见北京上空白茫茫的，那是气溶胶散射的反光。而站在北京的地面仰望，上空是暗灰的——经过气溶胶的散射和遮挡，减弱了到达地面的太阳能。”李占清说。

气溶胶产生的散射和吸收都剥夺了太阳照射到地面的能量，形成降温作用。在空中，气溶胶可以吸收太阳能，引起大气增温、地面降温，大气环境特别稳定，就不容易形成云，从而抑制了降水的形成。

毛毛雨为何减少

“气溶胶──云──降水──气候”相互作用的过程，随着中国城市排放对生产、生活的影响加大而逐渐引起关注。

2004年起，李占清开始参与大气研究项目，并利用来自美国的研究资金、设备，协助中国科学院开展气溶胶的观测实验研究。

该项目陆续得到科技部、气象局、国家自然科学基金委等的支持。“这是中美两国在气候变化领域最主要的一个合作，开始美国能源部投入500多万美元，并安排多个国家实验室的科学家和工程师参与协助实验。中国学者利用这次机会学习了解了许多新的观测技术，比如最尖端的毫米波云雷达观测。”李占清说。

从2013年开始的第三期项目，中国方面加大投入，仅科技部就投入3000万元，使观测网点进一步扩大，观测内容更加丰富，观测技术更加先进 。

至此，实验已达分子级、纳米级，可详细分析每个粒子的具体化学成分、物理结构，可望最终揭示气溶胶与气候、云、降水等错综复杂的关系。

以陕西为例，李占清说，在华山山顶，由于气溶胶少，温度变化与全球变暖的大趋势基本一致。但在附近的西安，由于长期污染，地面最高温度——该温度受气溶胶影响最显著——反而呈现下降趋势。

云层的厚度、高度，与气溶胶的含量、污染物的浓度均有密切关系，通常污染物越多，对流性云层越厚。

“这样的云通常不容易产生降水，随着向上升起的过程，气溶胶越积越多，云也越来越厚，越来越难下小雨。”李占清说。

这是一个较为复杂的过程。

一方面，气溶胶在空中吸收阳光的能量，导致地面变冷、空中变热，阻止了对流的产生，形成相对稳定的气流环境。

另一方面，气溶胶吸附水汽，是形成云和降水的根本要素。如果大气中没有气溶胶，让水汽分子随机碰面，就不可能产生云和降水。

反过来，如果气溶胶太多而水汽含量较少的话，气溶胶互相竞争水汽，雨滴就长不大，也不容易降水。

但这样的云积累到一定阶段，不断凝结水汽，最终可能产生极端的风暴云和暴雨天气。

于是，在干燥的地区或季节，气溶胶的增加会进一步抑制降水；而在湿润的地区或季节，气溶胶的增加则会增加降水的频率和强度。

这样，在污染较为严重的城市，要么不降水，要么就是暴雨，过去常见的蒙蒙细雨现在很稀罕。

此外，工业排放产生的硫酸盐、硝酸盐等是一种更加容易吸水的气溶胶，所以更容易引起云特性的改变，因而会改变天气，比如加强雷暴天气等。

研究表明，从上世纪60年代至今，国内的“毛毛雨”每10年减少5天，暴雨天气则每10年增加2天。极端天气显然不利于雨水存储，李占清说，气溶胶通过云层的影响，加剧了南涝北旱的状况。

减弱的风速，降低的光合作用

气溶胶除了影响温度、云和降水，也减弱了地面风速。50年来中国的平均风速大大降低，幅度甚至达到30%。“风速慢当然受大气环流改变的影响很大，但气溶胶使得近地面大气稳定度增加，也就更容易出现雾霾了。”李占清说。

目前，全球的气溶胶平均光学厚度在0.1到0.15之间，在西方发达国家和地区是0.2到0.3之间。而在中国的中东部大部分地区，这个数字变成0.6到0.8。“到雾霾天气，会上升到4到5之间。”李占清说，当气溶胶的光学厚度达到10，将完全遮住太阳的光芒，站在地面上只能看到灰蒙蒙的一片。

除了影响降雨，气溶胶还会减弱光合作用，“我们近年来没有减产，但是化学肥料越用越多。”李占清说。

在香河的实验发现，大气污染大大减少了到达地面的太阳能，每平方米地面接受的太阳光辐射，全年平均减少24瓦。

在全国范围内，这个数据是20瓦。气溶胶对太阳能辐射地面的影响，全球平均值仅在4至5瓦。

“以环境污染的代价换取GDP增长，长远看将得不偿失。”李占清说，未来改善环境所需要消耗的财力，可能会降低生产效率和生活水平。endprint