北京大学环境科学与工程学院气溶胶研究小组联合国内外多个研究团队，基于冰川积雪样品和多源卫星观测数据，量化了青藏高原这一气候敏感地区的冰核浓度、成冰活性及其空间分布。研究发现，青藏高原的冰核浓度呈现出“北高南低”的空间分布特征，沙尘气溶胶对该地区的冰核浓度及其空间异质性起主导作用。进一步研究表明，春季沙尘作为冰核，导致青藏高原混合云中云冰数浓度出现季节性升高。自2007年至2019年，青藏高原春季沙尘减少引起的沙尘冰核减少，增强了该地区云的冷却效应。该研究从大气冰核的视角阐释了气候反馈机制，特别强调了沙尘在气溶胶-云相互作用中的关键作用。
该研究于2024年9月13日以《Decreased dust particles amplify the cloud cooling effect by regulating cloud ice formation over the Tibetan Plateau》为题发表于Science Advances。北京大学环境科学与工程学院陈景川博士为第一作者，上海交通大学/中国科学院西北生态环境资源研究院徐建中研究员为第二作者，北京大学吴志军研究员为通讯作者。北京大学俞妍研究员、赵传峰教授、李少萌教授、朱彤教授和胡敏教授，上海师范大学燕亚菲副教授，美国国家海洋和大气管理局Paul Ginoux高级科学家，科罗拉多州立大学Paul J. DeMott高级科学家共同参与了该研究工作。北京大学孟祥馨悦博士、博士生许睿和中国科学院西北生态环境资源研究院翟立翔博士也参与了该研究。
资助基金
国家自然科学基金创新研究群体（22221004）
国家自然科学基金委员会与瑞典科研与教育国际合作基金会合作交流项目(42011530121)
文章链接
Jingchuan Chen et al., Decreased dust particles amplify the cloud cooling effect by regulating cloud ice formation over the Tibetan Plateau. Sci. Adv. 10, eado0885(2024). DOI:10.1126/sciadv.ado0885
研究背景
大气冰核在云冰形成过程中扮演关键角色，通过改变云的微物理和光学特性，显著影响云辐射效应，进而对地球系统的辐射平衡产生重要影响。
青藏高原正在以两倍于过去50年全球平均升温速度的速度经历变暖，而云可能是促成这种快速变暖的重要因素。然而，大气冰核在青藏高原气溶胶与云相互作用中的作用经常被忽视，尤其是该地区大气冰核的来源、浓度和空间分布特征尚未得到充分研究。因此，大气冰核研究对于深入理解这一气候敏感地区的云微物理过程和辐射效应，以及提升模式模拟的准确性至关重要。
研究结果
本研究聚焦沙尘气溶胶占主导且人为活动影响相对较小的青藏高原地区，分析了5座冰川积雪样品的浸润冻结冰核特性，结合多源卫星遥感数据和再分析资料，明晰了青藏高原的冰核浓度、空间分布及其来源，阐明了青藏高原云冰数浓度季节性增高的机制，并深入探讨了该地区春季云辐射效应的长期变化趋势及其对潜在沙尘冰核的响应。
图1. 青藏高原地区云冰数浓度与气溶胶光学厚度的变化
基于2006年6月至2019年7月多源卫星观测数据的综合分析，本研究探讨了青藏高原沙尘气溶胶作为冰核对春季云冰形成的调节作用（图1）。从3月开始，青藏高原上空的大气水汽含量逐渐增加，同时气溶胶浓度也持续上升，其中沙尘气溶胶占据主导地位。这些气溶胶被上升气流抬升至混合云所在的高度，作为冰核参与云内的核化过程中，促进了大量一次冰晶的生成及其后续生长。这一过程在5月份达到高峰。上述结果表明，在青藏高原地区春季的混合云中，沙尘冰核参与的异质核化过程可能是云冰生成的主要驱动机制。
图2. 青藏高原地区5座冰川（LHG、TS、DKMD、AL和ZF）积雪样品的冰核浓度及其空间分布
本研究利用卫星遥感产品和再分析资料，分析了青藏高原地区云辐射效应的长期变化趋势，通过包括机器学习在内的4种不同方法，可信地识别了影响云辐射效应的关键因素，明确了沙尘（冰核）是该地区云辐射效应的主要驱动因素。此外，根据2007-2019年春季青藏高原沙尘光学厚度（DOD）与云辐射效应的长期下降趋势与强相关性，建立了云辐射效应随DOD变化的线性关系：DOD每降低0.01，青藏高原地区地表净云辐射效应减少1.98 ± 0.39 Wm-2。
研究意义
图3. 沙尘气溶胶作为冰核调节青藏高原云微物理过程和云辐射效应的机制示意图
本研究的主要贡献在于证实了青藏高原春季沙尘作为冰核导致云冰数浓度的季节性升高，进而显著改变了该地区的云辐射效应。进一步揭示了沙尘冰核在调节青藏高原云微物理过程和云辐射效应中的关键作用，为理解沙尘气溶胶在该地区气候系统中的作用提供了新的视角，也为未来相关气候模型的改进和精确预测提供了重要的科学依据。
吴志军课题组长期致力于大气冰核测量系统的研发，以及冰核浓度、来源、性质及其环境与气候效应的研究。近年来，课题组发表的相关研究成果如下：
1. Chen J.C., Wu Z, Meng X, Zhang C, Chen J, Qiu Y, et al. Observational evidence for the non-suppression effect of atmospheric chemical modification on the ice nucleation activity of East Asian dust. Science of The Total Environment 2023, 861: 160708.
2. Chen J.C., Wu Z, Chen J, Reicher N, Fang X, Rudich Y, et al. Size-resolved atmospheric ice-nucleating particles during East Asian dust events. Atmospheric Chemistry and Physics 2021, 21(5): 3491-3506.
3. Chen J, Wu Z, Gong X, Qiu Y, Chen S, Zeng L, et al. Anthropogenic Dust as a Significant Source of Ice-Nucleating Particles in the Urban Environment. Earth's Future 2024, 12(1): e2023EF003738.
4. Zhang C, Wu Z, Chen J.C., Chen J, Tang L, Zhu W, et al. Ice-nucleating particles from multiple aerosol sources in the urban environment of Beijing under mixed-phase cloud conditions. Atmospheric Chemistry and Physics 2022, 22(11): 7539-7556.
5. 吴志军, 陈洁, 陈景川, 顾文君, 唐明金, 丁德平, 等 大气冰核：研究进展与挑战. 大气科学 2021, 45(04): 759-776.
6. Chen J, Wu ZJ, Zhao X, Wang YJ, Chen JC, Qiu YT, et al. Atmospheric Humic‐Like Substances (HULIS) Act as Ice Active Entities. Geophys Res Lett 2021, 48(14).
7. Chen J, Wu ZJ, Wu GM, Gong XD, Wang F, Chen JC, et al. Ice‐Nucleating Particle Concentrations and Sources in Rainwater Over the Third Pole, Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 2021, 126(9).
8. Wu ZJ, Chen J, Wang Y, Zhu YS, Liu YC, Yao B, et al. Interactions between water vapor and atmospheric aerosols have key roles in air quality and climate change. Natl Sci Rev 2018, 5(4): 452-454.
9. Chen J, Wu ZJ, Augustin-Bauditz S, Grawe S, Hartmann M, Pei XY, et al. Ice-nucleating particle concentrations unaffected by urban air pollution in Beijing, China. Atmospheric Chemistry and Physics 2018, 18(5): 3523-3539.
供稿：陈景川
