四川盆地氣溶膠變化對弱降水的影響：基于干能見度的氣候分析

王健穎，鄭小波，趙天良，馬曉燕*，郭曉梅，李躍清，羅磊

1.南京信息工程大學 氣象災害省部共建教育部重點實驗室//南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心//中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044；2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；3.中國氣象局成都高原氣象研究所，四川 成都 610072

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四川盆地氣溶膠變化對弱降水的影響：基于干能見度的氣候分析

王健穎1，鄭小波2，趙天良1，馬曉燕1*，郭曉梅1，李躍清3，羅磊3

1.南京信息工程大學 氣象災害省部共建教育部重點實驗室//南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心//中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044；2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；3.中國氣象局成都高原氣象研究所，四川 成都 610072

摘要：降水是氣候變化中最主要也是變化較大的因素，相對于較大量級的降水，小量級降水對增暖、氣溶膠等因素的變化更為敏感，但目前有關小量級降水與氣溶膠相互關系的研究較少。利用1973─2010年四川盆地及周邊46個氣象臺站逐日降水、能見度、相對濕度等資料，分析了弱降水（0～1 mm）日數和干能見度資料替代的氣溶膠濃度變化趨勢及二者可能的關系。結果表明，（1）近38年來，四川盆地的平均年弱降水日為72.2 d，年平均弱降水日數呈減少趨勢，減少率達3.3 d/10 a，盆地的中南部和西部經濟發達區域減少明顯。（2）盆地半數以上站點的消光系數變化與弱降水日數變化呈負相關，弱降水日數的減少在干能見度低值區（即氣溶膠高值區）比干能見度高值區更顯著；（3）借鑒降水地形強化因子（Orographic enhancement factor）的概念，提出弱降水變化因子R0（干能見度低值區弱降水日與干能見度高值區弱降水日比值），R0反映了氣溶膠濃度的差異影響弱降水日數相對變化的程度。弱降水變化因子R0有逐年減少趨勢，弱降水日R0在38年間減少了7%，即相較于干能見度高值區，干能見度低值區的弱降水的發生頻率較少，這說明氣溶膠對于降水的抑制作用在氣溶膠高值區較明顯。

關鍵詞：氣溶膠氣候效應；弱降水；四川盆地；干能見度

引用格式：王健穎，鄭小波，趙天良，馬曉燕，郭曉梅，李躍清，羅磊.四川盆地氣溶膠變化對弱降水的影響：基于干能見度的氣候分析［J］.生態環境學報，2016，25（4）:621-628.

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水對人類生存至關重要，大氣降水是地表水和地下水的最終補給來源，也是水循環中重要的一環。降水是氣候變化中最主要也是變化較大的因素，降水頻率和降水量的變化對人類活動和整個地球生態系統都有著非常重要的影響。中國降水呈現東北—西南向的增-減-增的分布變化狀態，其中以西北地區及長江三角洲的增加趨勢和華北及西南、川東地區的減少趨勢較為顯著；降水減少呈季節變化，秋季降水減少較其他季節普遍明顯（寧亮等，2008；Liu et al.，2009；廖義善等，2014；葉金印等，2016）。研究表明中國區域平均小雨量顯著減少，大雨量和極端降水量有所增加；而小雨和中雨頻次逐步減少，大雨和極端降水頻次增加（李聰等，2012）。降水日數的減少主要是由于小雨日數減少造成，小雨的減少在華北、華東、西南地區最明顯（楊寶鋼等，2014；胡宜昌，2013）。大氣氣溶膠是由固體顆粒或微小液體在氣體介質中形成的懸浮體系。大量觀測和數值模擬研究都表明，大氣中的氣溶膠粒子可以通過影響云的微物理過程和大氣穩定度等影響降水過程。但相關氣溶膠觀測資料較少，其與降水之間的相互影響過程也相對復雜（郭學良等，2013）。對于其影響機制的認識主要有兩種，（1）氣溶膠顆粒可以作為云凝結核（CCN）和冰核（IN）對成云條件和降水具有重要影響，CCN濃度的增加能使小云滴半徑減小，云滴數濃度增多，從而有效減少雨滴的質量，延緩雨滴的形成（Fu et al.，2014）。另外，氣溶膠可以通過影響CCN 和IN改變云雨的類型，如可使非降水性云轉換成降水性云。這種機理稱為大氣氣溶膠的間接作用。通過間接作用能夠改變云的輻射特征、云量和生命期，從而也改變降水的分布和強度（Twomey，1977；Jiang et al.，2006；Rosenfeld，2000；丁一匯等，2009）。有研究指出（Li et al.，2011；Koren et al.，2008），氣溶膠濃度的增加可使積層混合云云頂高度增加，并且對于高云水含量的云，隨著CCN濃度的增加降水的頻次將增加，而對于低云水含量的云則相反。（2）氣溶膠的吸收效應能通過加熱近地面氣溶膠濃度較高大氣層，冷卻地表，改變大氣穩定度。這種效應可使近地面層更加穩定，抑制水循環過程（Ilan et al.，2004；Feingold et al.，2005）。部分學者（Qian et al.，2009；Zhao et al.，2006；高艷春等，2014）針對中國東部小雨頻數減少原因展開了研究，結果表明中國東部小雨及微量降水頻數的減少與東部地區人為氣溶膠的排放增多有很大關聯，對流層底部氣溶膠濃度的增加影響了大氣的輻射過程，減少了到達底層的大氣輻射，增大了大氣穩定度，抑制了該區域的大氣上升運動和降水，同時，降水的減少削弱了其對氣溶膠的清除過程，使氣溶膠增加，這種循環反饋機制加速了中國東部氣溶膠的濃度增加。到目前為止，氣溶膠對于大氣水循環的影響仍是亟待解決的問題。位于中國西南部的四川盆地，由于特殊的地形，盆地內降水區域性差異大，變化較復雜。近50年來四川盆地年降水發生日數總體呈減少趨勢（任小玢等，2012；周長艷等，2011）。盆地人口稠密，經濟相對發達，人為排放較高，加之四周山地阻擋不利于污染物的疏散，污染物長期堆積使大氣中氣溶膠含量較高。相對于較大量級的降水，小量級降水對于氣溶膠、增暖等因素的變化更為敏感（王暉等，2013）。然而，目前國內受到缺乏氣溶膠觀測資料的制約，只有少數學者關注到弱降水受氣溶膠變化的影響，而對于盆地弱降水變化與氣溶膠的關聯研究就更少了。本文用近38年來四川盆地及周邊氣象臺站的能見度（作為氣溶膠的替代資料）和降水觀測資料，分析兩者間可能存在的關系，進而分析大氣氣溶膠的變化對于弱降水的影響。

1　資料與方法

采用1973─2010年四川盆地及盆地周邊46個氣象臺站（包括四川省的14個站及重慶市32個站）的逐日降水、能見度和相對濕度等資料，研究了降水量在0～1 mm·d-1的弱降水變化趨勢（李冰等，2011）。

大量的研究表明，在排除了天氣現象（如降水、揚沙等）條件下，大氣能見度降低主要是氣溶膠細粒子濃度增加造成的，細粒子的消光作用對于總消光的貢獻可達一半以上，光散射系數與細粒子濃度有強相關性，顆粒物的消光效率在可見光范圍最大，而大氣能見度與大氣消光系數呈負相關，因此，使用能見度資料可表征氣溶膠粒子的濃度特征（Dzubay et al.，1982；Appel et al.，1985；Lee et al.，2005；Charlson，1969）。國內研究也表明，晴朗天空能見度的降低與大氣中氣溶膠的濃度增大有關（Wang et al.，2009），如陳靜靜等（2010）和楊琨等（2008）分別通過對青島等地氣溶膠資料及氣溶膠指數的分析和能見度資料的反演，發現氣溶膠的光學厚度與水平能見度呈負相關，即能見度受氣溶膠粒子濃度的影響，在大氣底層氣溶膠粒子較多時，大氣消光系數變大，氣溶膠光學厚度也隨之變大，導致能見度較小，反之亦然。由于中國的氣象臺站每天進行4次（2:00、8:00、14:00、20:00）能見度觀測，但2:00、8:00、20:00能見度觀測會受到非氣象觀測因素（如夜間燈光目標物強度、眼睛靈敏度等）的影響，從而對于當天能見度的判斷影響較大（郭曉梅等，2014），故本文選用氣象臺站14:00觀測資料代表當天的能見度。20世紀80年代以前，中國能見度觀測按照10個等級劃分，自1980年以后，能見度的觀測改為以千米為單位。為使資料統一，本文采用秦世廣等（2010）的方法，對1980年之前的能見度資料進行均一化處理，處理后的能見度年平均值估算誤差范圍為-0.15%～1.7%，使1973─2010年的能見度資料的時間序列具有一致性。因為影響能見度的因子不僅有氣溶膠，還包括水汽等濕度因子，為排除因氣象因素（如降水、霧等，另外四川盆地沒有揚沙天氣，故不考慮這一因素）和高濕度等天氣條件對能見度觀測的影響，在分析能見度資料時，剔除了相對濕度大于90%的能見度數據，并且對于相對濕度在40%～90%的能見度數據進行了濕度訂正得到所謂的“干能見度”（Rosenfeld et al.，2007），使其與較干空氣下的能見度一致，訂正公式如下：

式中，VIS為實際能見度，VIS（dry）為干能見度，RH為相應時次的相對濕度值（%）。另外，為反映自1973年以來四川盆地區域氣溶膠的增減狀況，根據盆地內干能見度氣候傾向率（km/10 a）的大小按從負到正進行排序，將氣候傾向率為負且絕對值最大的前四分之一站點（11個）定義為“氣溶膠高值區”；選取其中排序靠后的11個站點，即能見度氣候傾向率為正值（10個站）和傾向率雖為負值但絕對值相對非常小的1個站，定義為“氣溶膠低值區”。這樣的劃分可以保證氣溶膠高值區站點的干能見度為同時期盆地內所有站點中，減少最快的，即該區域在研究期間氣溶膠濃度增加較明顯；而氣溶膠低值區站點的干能見度為同時期站點中幾乎不減少或相對增加的，即該區域在研究期間氣溶膠濃度增加相對較少。同時，本文采用線性傾向估計方法和相關性分析來研究氣溶膠和降水之間的關系。

2　結果與分析

2.1四川盆地弱降水年際變化特征

近38年來（圖1），四川盆地的平均年弱降水日數為72.2 d，并正在以4.1 d/10 a的速率呈顯著性減少（通過99%顯著性檢驗）。變化的規律是，上世紀80年代弱降水日數較多，最多可達84 d·a-1（1984年），之后弱降水日數迅速減少；到本世紀初，平均年弱降水日數小于70 d·a-1，最少只有62 d·a-1（2010年）。從空間分布看（圖2），弱降水的減少趨勢較明顯的地區主要集中在盆地的中部和西部，該區域為川渝地區的經濟發展中心，如涪陵、沙坪壩、南充，弱降水日變化率可分別達到-0.81、-0.58、0.78 d·a-1；而在盆地周邊地區，如廣元、綦江、巫山等弱降水呈增加趨勢，變率可達0.01、0.29、0.04 d·a-1。因此可以推斷，在相同大氣候背景下，四川盆地不同區域的弱降水日出現較大的差異可能是受到除氣候變化因子之外的其他因素的影響。

圖1　四川盆地年平均弱降水日年際變化及線性趨勢Fig.1 Interannual variation and trend in annual average of light rain days over Sichuan Basin from 1973 to 2010

圖2　四川盆地年平均弱降水日變化趨勢分布Fig.2 The variation trends of light rain days from 1973 to 2010 over Sichuan Basin

2.2弱降水與氣溶膠變化關系

從整體來看，盆地內干能見度較低，盆地年平均干能見度低于20 km，為18.0 km，遠低于全國平均年均能見度26.9 km（Che et al.，2007）。盆地內平均干能見度的空間分布呈西南低東北高的分布趨勢（見圖3），這與盆地內氣溶膠光學厚度（AOD）的分布狀況較為一致（鄭小波等，2010）。盆地內年平均干能見度最大值位于重慶東南部山區的黔江，可達30 km；最小值位于重慶中部的北碚區，只有8.2 km。1973─2010年盆地干能見度平均變化趨勢為-0.07 km·a-1，從圖4知，大部分站點干能見度有較為顯著的降低趨勢，其中盆地西南部干能見度下降最為明顯，這種特征可能與盆地的地形、人口密集、人為氣溶膠排放較多有關。另外盆地內靜風頻率較高（趙素蓉，2003），年平均風速在1.0 m·s-1以下，低風速不利于污染物的擴散，因此造成能見度較低現象。而盆地北部和東南部干能見度有增加趨勢，干能見度增加的站點主要為一些盆地向山區過渡的區域，如廣元市、巴中市、達州市干能見度變化率分別為0.03、0.05、0.09 km·a-1，這些區域經濟相對不發達，當地污染排放較少，植被覆蓋率較高。

圖3　四川盆地1973─2010年間多年平均干能見度分布Fig.3 Distribution of annual average dry visibility from 1973 to 2010 over Sichuan Basin

圖4　四川盆地1973─2010年干能見度變化趨勢Fig.4 Distributions of variation trends of dry visibility from 1973 to 2010 over Sichuan Basin

大氣消光系數（Atmosphere optical extinct coefficient，AEC）是指大氣中的分子和顆粒物通過散射和吸收對通過單位距離的光產生的總削弱。研究表明，大氣中氣溶膠濃度與大氣的消光系數有較高相關性（姚青等，2012；李學彬等，2015；徐薇等，2015），可以使用Koschmieder公式通過能見度來計算大氣的消光系數：

式中，Bewt為消光系數，VIS為氣象能見度距離。有學者已經將該關系式應用于氣溶膠相關的氣候研究中（Deng et al.，2008；Tie et al.，2009），因此本文使用大氣消光系數來表征大氣中氣溶膠的濃度特征，并分析其與弱降水之間可能的關系。

結果表明盆地內有一半以上臺站（26個）的弱降水日與消光系數呈負相關，負相關較顯著區域主要位于盆地西部和中部（參見圖5），如成都、重慶北碚、重慶沙坪壩等，該區域本身經濟較發達，人口密集集中，人為排放污染物較多，大氣污染程度較嚴重；盆地北部和南部的弱降水日與消光系數呈正相關，如廣元市、巴中市、達州市，這些地區多為盆地與周邊山區接壤地區，人口相對稀疏，工業發展較落后，人為活動排放污染少，環境保護較好，影響弱降水日數變化的主要因素并非大氣中的氣溶膠。圖6給出了四川盆地消光系數與平均弱降水日數年際變化的時間序列，從圖中可以看到盆地消光系數與弱降水日變化的走勢呈相反趨勢，特別是在20世紀90年代后弱降水日有明顯減少趨勢，而消光系數有較明顯的增加趨勢，由此推斷四川盆地區域弱降水的減少可能與氣溶膠變化有關。

圖5　四川盆地消光系數與弱降水日相關系數分布Fig.5 Distributions of correlation coefficient of AEC and light rain days over Sichuan Basin

圖6　四川盆地消光系數與平均弱降水日年際變化Fig.6 Time series variation of AEC and light rain day

表1　不同區域弱降水降水變化對比Table 1 The comparison of light rain variation in different area

表1為根據各站點能見度氣候傾向率大小劃分的干能見度低值區（即氣溶膠高值區）和干能見度高值區（即氣溶膠低值區）弱降水變化的對比。干能見度低值區的平均干能見度和平均弱降水日平均值最低，分別為13.9 km和71.9 d，并呈顯著減少趨勢（均通過99%顯著性檢驗），而其消光系數較高，為0.24/km。干能見度高值區（即氣溶膠低值區）的平均干能見度和平均弱降水日數分別為19.8 km和75.1 d，明顯高于盆地整體平均及干能見度低值區，而其消光系數為0.20/km，低于全區域的平均消光系數。另外，該區域的干能見度呈較顯著上升趨勢，且弱降水日數的變率相對較小。在38年間，干能見度低值區平均干能見度減少了9.5 km，平均弱降水日數減少了15.7 d，相比四川盆地整體平均變化趨勢，高氣溶膠區域兩者的減少值都較大，且該區域的弱降水日數與消光系數呈顯著負相關，與干能見度呈顯著正相關，由此可以推斷，該區域由于受氣溶膠濃度增加的影響，弱降水可能被抑制。

圖7為干能見度低值區及高值區消光系數與弱降水日年際變化。干能見度低值區和干能見度高值區的弱降水日數的斜率分別為-0.41和-0.28，說明干能見度低值區弱降水日數的減少速率明顯快于干能見度高值區。從干能見度低值區弱降水日數變化與干能見度變化的關系來看，弱降水日數減少并非是降水的天氣系統變化造成的，而是有其他局地因素的影響。因為如果是由于天氣系統變化使四川盆地的微量降水日數減少，對盆地內各個臺站來說是隨機過程，降水減少的臺站不會與消光系數（即氣溶膠）的變化相關，所以可以認為干能見度低值區弱降水日數減少的主要原因可能是氣溶膠增加。

圖7　弱降水日數與消光系數年際變化（a）干能見度高值區，（b）干能見度低值區Fig.7 Time series variation of AEC and light rain days.（a） visibility high area and （b） visibility low area

為進一步分析這兩個區域相對弱降水日數變化的時間序列變化與氣溶膠變化相關的特征，借鑒了降水地形強化因子（Orographic enhancement factor）的概念。它是由Givati et al.（2004）提出的，強化因子R0是指高海拔山區降水與上風方向平原地區降水的比值。它是表示由于地形的抬升，氣流在爬升過程中，容易將平原底層堆積的氣溶膠粒子帶入山上的云中，使地形云中凝結核數量大大增加，從而影響高山的云和降水。Rosenfeld運用地形強化因子，研究了加利福尼亞和以色列冷季的地形云。研究表明，由于氣溶膠增加的影響，高山地形云的降水量減少了15%～25%。中國戴進等（2008）應用這一公式研究了陜西秦嶺地區干能見度（替代氣溶膠數據）對于地形云降水的影響。結果表明，隨著干能見度的下降，秦嶺地區的R0逐年遞減，減幅為14%～20%。氣溶膠對于云和降水的影響是一個較為長期的過程，基于四川盆地近年來氣溶膠增加的速率較為明顯，為初步研究氣溶膠增加對于降水的影響，借鑒該概念，設弱降水變化因子R0為干能見度低值區（即氣溶膠高值區）弱降水日數與干能見度高值區（即氣溶膠低值區）弱降水日數之比，若R0＜1則表明氣溶膠濃度的增加使降水日數減少；另外，R0的年際變化趨勢實際上還反映隨著氣溶膠濃度增加，氣溶膠對云微物理結構的影響，從而造成的降水日數相對變化的程度，若R0減小，則說明氣溶膠對弱降水有抑制作用。圖8是弱降水日數R0的時間序列分布，以及干能見度低值和高值區弱降水日時間序列。從圖中可以看出R0隨時間變化呈現較明顯的減少趨勢，在時間軸（x軸）上任意一點均有R0＜1。另外，2010年弱降水日R0與1973年的R0（1973）之比均值為0.93，也表明，隨著時間變化，相對于干能見度高值區，干能見度低值區的弱降水日數被相對較高濃度的氣溶膠抑制了。

圖8　四川盆地不同區域弱降水日R0時間序列Fig.8 Time series of R0of The light rain days over Sichuan Basin

3　結論與討論

3.1結論

利用近38年（1973─2010年）四川盆地各氣象臺站逐日能見度、降水、相對濕度等資料，對盆地弱降水變化特征進行了分析，并通過盆地表征氣溶膠濃度變化的大氣干能見度變化特征，初步探討了氣溶膠與微弱降水變化間可能的聯系，得出以下結論：

（1）近38年，四川盆地的多年平均弱降水日數為72.2 d。年平均弱降水日數呈減少變化趨勢，平均減少了12.5 d，弱降水日數平均減少率達3.3 d/10 a，其中在盆地的中南部和西部減少最為明顯。

（2）盆地內半數以上站點的弱降水日變化與大氣消光系數變化呈負相關，相關系數最大可達-0.61。弱降水日數的減少在干能見度低值區（即高氣溶膠區）比干能見度高值區（即低氣溶膠區）更顯著。可以推斷盆地大氣氣溶膠的增加可能對弱降水有抑制的氣候效應。

（3）弱降水日數變化因子R0表明，低干能見度區域由于氣溶膠濃度增加使降水日數減少的趨勢明顯大于高干能見度區域。另外，R0呈逐年減少趨勢，弱降水日的R0在38年間減少了7%，說明隨著氣溶膠的增加，相較干能見度高值區的弱降水，干能見度低值區的弱降水被抑制了，也就是說由于氣溶膠的氣候效應，弱降水日數發生的頻率在減少。

3.2討論

由于國內缺乏長時間序列的氣溶膠觀測資料，本文使用目前國內外認可的干能見度數據作為氣溶膠濃度的替代資料，這一方法可能會對研究結果帶來一定的誤差。針對氣溶膠資料的缺乏，已經有學者提出使用地面氣象能見度和水汽壓數據來確定大氣柱氣溶膠光學厚度的參數化模式（邱金桓等，2001）和衛星遙感氣溶膠方法，但這些方法的準確性還需要長序列氣溶膠地面觀測資料來進行驗證或訂正。另外，由于降水與氣溶膠之間關系較復雜，影響降水變化的可能還有一些其他因素，如一些學者提出降水變化可能與溫度升高有一定關系（Zhao et al.，2006），也有學者認為與亞洲東部夏季風減少有關（Fan et al.，2011）。不過，鑒于四川盆地較高的氣溶膠值和明顯變化的弱降水趨勢，以及其較一致的相關性，氣溶膠變化對于該地區降水的影響不可忽視，但由于四川盆地地形的特殊性，其主要影響機理還需要更進一步的研究。

致謝：感謝國家自然科學基金項目（40475005；91544109）、江蘇省六大人才高峰高層次人才項目（2014JY019）、江蘇省高校優勢發展學科（PAPD）的資助，以及四川省和重慶市氣象局信息中心提供的氣象資料。

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The Effects of Aerosol Variation on Light Rain over the Sichuan Basin：Base on Dry Visibility

WANG Jianying1，ZHENG Xiaobo2，ZHAO Tianliang1， MA Xiaoyan1*，GUO Xiaomei1，LI Yueqing3，LUO Lei3
1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Education，Nanjing University of Information Science & Technology//Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science & Technology//Key Laboatory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing 210044，China；2.Guizhou Institute of Mountainous Environment and Climate，Guiyang 550002，China；3.Chengdu Institute of Plateau Meteorological，Chengdu 610072，China

Abstract：Precipitation is the major but more variable factor of climate change，light rain is more sensitive to temperature variation and aerosol.By using the daily data of precipitation，visibility and relative humidity observed at 46 weather stations over Sichuan Basin during 1973─2010，we analyzed the long term trend of light rain （0～1 mm） over Sichuan basin，and further discussed the possible relationship between light rain and aerosol variation.The results showed that，（1） precipitation contributed by light rain days exhibits a decrease trend over Sichuan Basin.The annual light rain days is 72.2 day，The decreasing rate of light rain days is -3.3 d/10 a，especially at west and north Sichuan Basin.（2） The variations of Aerosol optical extinct coefficients （AEC） are significantly positive-correlated with light rain days over most area of Sichuan basin，which is especially apparent in the areas with low visibility.（3） The variation factor of light rain days （R0） decrease 7% during the study years，while aerosol burden （represented by visibility in the study） increase，which implied that the reduction of light rain is probably related to the variation of aerosol，i.e.increasing of aerosol suppress light rain over Sichuan Basin.

Key words：climate effects of aerosol； light rain； Sichuan basin； dry visibility

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.011

中圖分類號：X16

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）04-0621-08

基金項目：國家自然科學基金重點項目（40475005；91544109）；江蘇省六大人才高峰高層次人才項目（2014JY019）；江蘇省高校優勢發展學科（PAPD）

作者簡介：王健穎（1991年生），女，碩士研究生，主要從事氣溶膠的氣候效應方面研究。E-mail:wangjyjane@126.com

*通信作者。馬曉燕，E-mail:xiaoyancloud@gmail.com

收稿日期：2015-12-30