源地输送到降水地区，即水汽输送条件；②水汽在降水地区辐合上升，在上升中绝热膨胀冷却凝结成云，即垂直运动条件；③云滴增长成为雨滴下降，即云滴增长的微物理条件(朱乾根等，2000).大气气溶胶作为影响降水的重要因子与后两个条件密切相关，大气气溶胶是指悬浮在空气中的固体和(或)液体微粒与气体载体组成的多相体系，包括大气中悬浮着的各种固体和液体粒子，如烟粒、尘埃、微生物，以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子(盛裴轩等，2003).气溶胶的来源可以分为自然源和人为源两大类，自然源有火山喷发、森林火灾和生物排放等，人为源是由人类的各种生产活动引起的，如机动车排放、煤炭燃烧、金属冶炼和工业烟尘粉尘等，这些粒子不会影响空气的动力学特性，但又具有独立于空气的物理化学性质，在降水的形成过程中起着非常重要的作用.大气气溶胶的成分非常复杂，它一方面可以通过吸收和散射太阳辐射而直接影响地气系统的辐射平衡，即直接辐射气候效应；另一方面，气溶胶粒子又可以作为云的凝结核影响云的光学特性、云量及云的寿命，产生间接效应.气溶胶的气候效应也很复杂，不仅与气溶胶的成分(Kanfman et al.,2002；Jacobson，2001)和混合程度有关(Jacobson，2001)，还与下垫面性质、云及气溶胶的垂直分布有关(Keil et al.,2003).

近年来，国内外学者对于气溶胶对降水的影响开展了大量研究.例如，Qian等(2009)解释了大量气溶胶的存在抑制了中国地区夏季小雨日数的发生；龚道溢等(2006)利用1979—2002年194个站日降水资料分析了我国东部地区夏季日降水频次的周内变化，发现降水频次存在明显的周末效应；陈思宇等(2012)通过研究得出气溶胶浓度的增加是导致中国中东部地区秋季降水减少的重要原因；侯灵等(2012)通过分析环北京地区一些主要台站的API和气象要素的周循环特征说明了气溶胶对降水的可能影响机制；吴伟等(2011)研究了硫酸盐气溶胶对长江中下游夏季降水年代际转型的影响；王志立等(2009)对黑碳气溶胶直接辐射强迫对中国夏季降水的影响进行了模拟研究；Huang等(2006)认为沙尘气溶胶可以增加云滴蒸发，减少云含水量，从而抑制降水的发生.目前，关于气溶胶对降水影响的研究并无定论，气溶胶的变化对于降水发生日数有怎样的影响？对于不同量级的降水有怎样的影响？这些问题都亟待解决.

湖北省黄石市是一个冶金工业为主的城市，也是一个暴雨频繁的地区，对于研究气溶胶与降水的关系也有典型意义.因此，本文通过反演地面观测资料建立湖北省黄石市近60年气溶胶光学厚度(AOD)的时间序列，采用气候趋势分析、相关分析等方法，研究AOD与降水之间的关系.

利用黄石市气象台1954年1月1日—2013年12月31日共60年的地面观测资料，选取每日14：00的能见度、水汽压、相对湿度和天气现象资料作为研究对象来估算气溶胶光学厚度.之所以选择14：00的资料是因为8：00的能见度容易受到清晨大雾的影响，而20：00和2：00的资料是在夜间观测的，与白天的观测资料会存在不一致性；同时，剔除了可能对能见度造成较大影响的天气现象(如降水、雾等)及高湿度(RH>90%)天气条件下的能见度资料，而保留了灰霾天气下的能见度资料，降水资料选取当日20：00至次日20：00的逐日降水资料.

1980年前的能见度资料和1980年及以后的能见度资料在格式上不是统一的，1980年前能见度资料是等级(10个等级)，从1980年起，能见度资料为能见度距离(km)，因此，需要对1980年以前的能见度等级赋予合理的能见度距离才能计算气溶胶光学厚度.为了更科学地将能见度等级转换为距离，首先将1980—2013年的能见度距离资料换算成所对应的等级，再对每个等级下的能见度距离进行平均，从而得到每个能见度等级所对应的距离的替代值(估算值)，用这个估算值取代1954—1980年的能见度等级资料.能见度等级所对应的距离区间范围和估算值如表 1所示.从表 1中可以看到，能见度距离的估算值更靠近距离范围值的下限，特别是能见度等级值较大时更为显著.

表 1(Table 1)

表 1 能见度等级及其所对应的距离范围和估算值 Table 1 Visibility grade and the corresponding ranges and estimates

表 1 能见度等级及其所对应的距离范围和估算值 Table 1 Visibility grade and the corresponding ranges and estimates 能见度等级 能见度距离范围/km 能见度距离估算值/km 0 <0.05 0.025 1 0.05~0.2 0.1 2 0.2~0.5 0.35 3 0.5~1.0 0.75 4 1.0~2.0 1.54 5 2.0~4.0 2.67 6 4.0~10.0 6.39 7 10.0~20.0 13.64 8 20.0~50.0 24.66 9 ≥50.0 50

图 1给出了1954—2013年黄石站水平能见度的时间序列，其中，1954—1979的能见度值是用上述方法估算得到的，1980—2013年有两种结果，估算值是将能见度距离转换为对应的等级，再依照1954—1979年的资料处理方法获得的，这样就将1980年前后资料处理的方法统一起来，消除了处理方法不同可能引起的资料的不连续，保证了能见度资料在1980年前后的连续性.由图 1可知，通过该方法处理得到的估算值与观测值之间存在一定的误差，其误差范围为-1.9%~2.3%，对分析能见度的长期变化趋势影响很小.因此，为了保持资料的连续性，采用能见度估算值来计算气溶胶光学厚度.

图 1(Figure.1)

图 1 1954—2013年黄石市年平均水平能见度 Figure.1 Annual average horizontal visibility in Huangshi City from 1954 to 2013

对大气气溶胶光学厚度(AOD)的反演有多种方法，许多学者进行了相关的研究，本文采用利用地面观测资料进行反演的方法(邱金桓等，2001)，具体方法如下.根据气象能见度V(km)的定义，它与0.55 μm波长消光系数σ_0.55的关系为：

假设Junge气溶胶谱分布，即n(r)=cr^－(v*+1)，其中，n为气溶胶粒子的数量(个)，r为气溶胶粒子的半径(μm)，c为比例参数，v^*为常数，通常为2~4，本文取σ_λ=3，在这些假设和标准的地面大气温度(15 ℃)与气压(1013 hPa)条件下，在Z高度(m)λ波长(μm)的气溶胶消光系数σ_λ可表为:

式中，N^A(Z)和N^A(0)分别表示Z高度上和地面的气溶胶粒子浓度.

Elterman提出由海拔高度Z和此高度上的能见度V_Z来计算海平面高度上的能见度值V的公式：

由此可推得大气气溶胶的光学厚度AOD_E为：

式中，Z是站点的海拔高度值，H₁=0.886+0.022V km，H₂=3.77 km.对上式订正后得到：

式中，f是订正系数，该公式对中国地理分布有较大的敏感性，为此，通过与太阳直射表探测的光学厚度的对比，邱金桓做了订正，发展了一个适合中国特点的气溶胶光学厚度模式，对于东北以外的其他中国区域：f=e^{(0.42+0.0046P_w+0.015V_Zexp(0.0047V_Z2}/P_W)

式中，P_W为地面的水汽压(hPa).对于任意的Junge谱参数v^*的值，普遍适用的模式为：

根据此公式即可计算出气溶胶光学厚度(AOD).

本文利用公式(6)逐日计算AOD，再计算全年的平均值.对于该方法计算出来的AOD值的可靠性，许多学者和专家做出过相应的检验，Chen等(2009)对2002年中国4个地区(34°~40°N，112°~120°E；22°~25°N，104°~116°E；28°~32°N，108°~123°E；27°~32°N，102°~108°E)反演出来的AOD与MODIS中的AOD进行了相关性分析，结果表明，两种结果间的相关性很高，黄石站的经纬度为30.14°N、115.02°E，位于上述区域中.另外，宗雪梅等(2005)分析和比较了2001—2002年间北京地区采用该方法计算的AOD值与全球气溶胶探测网(AERONET)观测的AOD值，结果表明，在无云晴天的条件下，二者的相关系数达到了0.9以上.可见，该方法计算得到的AOD值具有一定可靠性.

趋势分析方法是对气象要素进行气候变化趋势分析常用的方法之一(黄嘉佑，2010)，用如下公式表示：

式中，t为时间;y(t)为气象要素;b为回归常数;a为回归系数，表示气象要素y(t)的趋势倾向，正为增加，负为减少，通常采用a×10来表示y(t)的变化速率，单位为：/10年.

由1954—2013年黄石市年平均AOD值与年总降水日数的变化趋势(图 2a)可知，1954—1991年黄石市年均AOD值总体呈显著增加趋势，1991—2013年呈减少趋势，最大值出现在1991年，近60年年均AOD值总体上呈波动增加的趋势，通过了99.9%的置信度检验.邱金桓(1997)研究认为，1991年6月15日菲律宾的皮纳图博火山爆炸式大喷发，向平流层中喷射了2000万t二氧化硫，可能是东亚上空大气气溶胶急剧增加的主要原因.从年总降水日数的变化趋势上看，1954—1969年黄石市年总降水日数呈波动增加趋势，1969—2013年呈减少趋势，最大值出现在1969年，随着AOD值的显著增加，年总降水日数呈波动减少的趋势，近60年年总降水日数呈减少趋势，通过了99.9%的置信度检验.虽然近60年黄石市年均AOD值总体上呈波动增加趋势，年总降水日数呈波动减少趋势，但从波动的位相上看，两者没有明显的同位相或反位相关系.另外，从相关性分析上看(图 2b)，两者的相关系数仅为0.179，因此，近60年黄石市年平均AOD值与年总降水日数并没有显著的相关性.

图 2(Figure.2)

图 2 1954—2013年黄石市AOD与年总降水日数变化趋势(a)及相关性分析(b) Figure.2 Variation trend(a) and correlation analysis(b)of AOD and annual total precipitation days in Huangshi City from 1954 to 2013

按照国际通用的24 h降水量级划分标准，即小雨(0 mm≤24 h雨量<9.9 mm)、中雨(10.0 mm≤24 h雨量<24.9 mm)、大雨(25.0 mm≤24 h雨量<49.9 mm)、暴雨(含大暴雨、特大暴雨，24 h雨量≥50.0 mm)，分别计算年平均小雨、中雨、大雨、暴雨日数占年均总降水日数的百分比，再分别求取各量级降水日数的气候变化趋势，结果如图 3所示.

由图 3可知，近60年黄石市年平均小雨日数总体上呈减少的趋势(图 3a)，通过了99.5%的信度检验，下降趋势显著；年平均中雨日数(图 3b)、年均大雨日数总体上呈增加的趋势(图 3c)，年平均暴雨日数变化趋势不明显(图 3d).从波动的位相上看，不同量级年平均降水日数与年平均AOD值在部分年代区段存在同位相或反位相的关系.从相关性分析上看(图 3e、3f、3g、3h)，小雨、中雨、大雨、暴雨年平均日数与年平均AOD值两者的相关系数分别为0.289、0.210、0.096、0.170，因此，近60年黄石市年平均AOD值与不同量级降水年平均日数也没有明显的相关性.

图 3(Figure.3)

图 3 1954—2013年黄石市年平均AOD值与年平均小雨(a)、中雨(b)、大雨(c)、暴雨(d)日数百分比变化趋势及与小雨(e)、中雨(f)、大雨(g)、暴雨(h)日数百分比相关性分析 Figure.3 Variation trend and correlation analysis of AOD and percentages of precipitation days in different levels in Huangshi City from 1954 to 2013

综上所述，近60年黄石市年平均AOD值总体上呈增加趋势，年平均总降水日数和年平均小雨日数呈减少趋势，年平均中雨日数、大雨日数呈增加趋势，年平均暴雨日数变化不明显.AOD值与年平均降水总日数、年平均小雨、中雨、大雨及暴雨日数之间没有显著相关性.

从年降水量与年均AOD值的变化趋势上看(图 4a)，近60年黄石市年降水量总体上没有明显变化，虽然有些年份AOD值增加，年降水量也增加，但两者的相关系数仅为0.296(图 4b)，因此，两者之间也没有明显相关性.另外，从不同等级降水的年雨量变化趋势上看(图 4c、4d、4e、4f)，近60年小雨雨量有减小趋势，中雨、大雨、暴雨的雨量变化趋势不明显.

图 4(Figure.4)

图 4 1954—2013年黄石市年平均AOD值与年降水量变化趋势(a)、相关性分析(b)及AOD值与小雨(c)、中雨(d)、大雨(e)、暴雨(f)雨量变化趋势 Figure.4 Variation trend(a)，correlation analysis of AOD and annual precipitation(b)，variation trends of AOD and different precipitation levels(c~f)in Huangshi City from 1954 to 2013

从月均AOD值和月均降水量的分布上看(图 5)，全年中1月平均AOD值最大，2月开始明显下降，7月降至最小，从8月开始回升，随着秋冬季的到来，AOD值又迅速增大.杨琨等(2008)利用地面观测资料对我国70个站1999—2003年1、4、7和10月AOD进行反演的结果表明，1月份鄂东南的AOD值在0.6~0.7之间，4、7和10月在0.5~0.6之间，本文计算所得的AOD值与其研究的结论是一致的.月均降水量从1月开始显著增加，6月为全年最大，7—12月显著减少，12月月均降水量为全年最小.从两者的波动趋势上看，月均AOD值与月均降水量呈显著负相关，相关系数为r=-0.59，通过了99.9%的置信度检验.但从气候规律上看，我国长江流域为典型“雨热同季”的季风性气候，夏半年降水量明显多于冬半年，因此，不能单纯从长时间序列的变化趋势上推断月均AOD值与月均降水量的相关性.

图 5(Figure.5)

图 5 1954—2013年黄石市月均AOD与月均降水量分布图 Figure.5 Distribution of AOD and monthly average precipitation in Huangshi City from 1954 to 2013

图 6为逐年小雨、中雨、大雨、暴雨5个等级降水总量与AOD值的相关性关系图.由图 6a、b、c、d可知，年平均AOD值与不同等级降水总量之间的相关系数分别为0.130、0.291、0.173、0.212，说明年平均AOD值与不同等级降水总量之间也不存在显著的相关性.为了更深入分析它们之间的相关性，计算了不同等级降水的逐年日平均雨量，如图 6e、f、g、h所示，在4个降水等级中日平均小雨雨量与AOD相关性更明显，但不同等级年平均AOD值与不同等级逐年日平均降雨量之间的相关系数分别为0.175、0.129、0.128、0.027，说明年平均AOD值与不同等级逐年日平均降雨量之间也不存在显著的相关性.

图 6(Figure.6)

图 6 1954—2013年黄石市AOD与小雨(a)、中雨(b)、大雨(c)、暴雨(d)、年平均小雨(e)、年平均中雨(f)、年平均大雨(g)、年平均暴雨雨量(h)相关关系图 Figure.6 Relationship between AOD and different precipitation levels(a~d) and annual mean precipitation in different levels(e~h)in Huangshi City from 1954 to 2013

综上所述，近60年黄石市年降水总量的变化趋势不明显，与AOD值之间相关性不显著，逐年小雨、中雨、大雨、暴雨等4个等级降水总量及日平均雨量与AOD值之间的相关性也不显著.

通过对均一性处理后的地面能见度等观测资料进行反演计算，建立了黄石市近60年气溶胶光学厚度(AOD)的时间序列，再对其与降水的关系进行研究，结果表明如下.

1)1954—2013年共60年湖北省黄石市AOD值总体上呈波动增加的趋势，其中，1954—1991年增加趋势显著，而1991—2013年呈减少趋势，AOD最大值出现在1991年.

2)近60年黄石市年总降水日数呈波动减少趋势，其中，1954—1969年总降水日数呈波动增加趋势，1969—2013年呈减少趋势，最大值出现在1969年.虽然年降水总日数的变化趋势与AOD的变化趋势总体上相反，但两者的相关性较小.

3)近60年黄石市年平均小雨日数呈减少趋势，年平均中雨日数、大雨日数呈增加趋势，年平均暴雨日数变化不明显.AOD值与年平均降水总日数、年平均小雨、中雨、大雨及暴雨日数之间相关性不显著.近60年黄石市年降水总量变化趋势不明显，AOD值与年降水总量、月平均降水量之间的相关性不显著.近60年黄石市逐年小雨、中雨、大雨、暴雨等4个等级降水总量与AOD值之间的相关性不显著.总之，近60年黄石市气溶胶光学厚度(AOD)的增加，对降水日数和降水量都有一定的影响，其相关性有待进一步深入研究.