气溶胶对暖云云滴尺度分布的影响

论文总字数：20030字

目 录

摘要 1

Abstract 2

第一章 绪论 3

1.1 研究意义 3

1.2 国内外研究进展 3

1.2.1 成云过程的气溶胶效应 3

1.2.2 降雨过程的气溶胶效应 3

1.2.3 气溶胶对云降水过程的总体影响 4

1.3 研究内容 4

第二章 方法介绍 4

2.1 中尺度数值模拟WRF模式简介 4

2.2 谱分档微物理方案简介 5

第三章 结果与讨论 7

3.1 云雨滴平均数浓度随时间的变化分析 7

3.2 气溶胶浓度不同对云雨滴谱的影响分析 10

3.2.1 整个云区的影响情况 10

3.2.1.1 云滴谱的影响情况 10

3.2.1.2 雨滴谱的影响情况 10

3.2.2 核心区与边缘部分的比较分析 11

3.2.2.1 云滴谱的比较 11

3.2.2.2 雨滴谱的比较 12

3.3 气溶胶对碰并效率的影响分析 13

3.4 最优气溶胶浓度分析 14

第四章 总结 14

参考文献 15

致 谢 18

气溶胶对暖云云滴尺度分布的影响

高亮书

, China

Abstract: The effects of aerosols on size distribution of cloud droplets and rain drops and collision-coalescence efficiency as well as their differences between core and margin areas have been investigated using Weather Research Forecasting(WRF) mesoscale model coupled with the Spectral(bin) microphysics. The idealized warm cumulus clouds were simulated with the initial sounding data at 00:00 UTC on November 10, 2009. Results showed that the number concentrations of cloud droplets increase drastically with enhanced initial aerosol loading, with N(500 cm^-3) gt; N(100 cm^-3) gt; N(25 cm^-3) gt; N(5 cm^-3). While the number of raindrops decreases with increased initial aerosol concentration, and few raindrops appeared in the polluted condition. For the cloud droplet size distribution, the higher the initial aerosol loading was, the faster the condensation growth, and the narrower the spectral width was, the more the droplet radius was concentrated in the small value area. For the raindrop spectrum, the lower the initial aerosol concentration, the easier it is to form the rain. These effects were different in the core and the periphery area. Both cloud droplet number and collision-coalescence efficiency in the core region were larger than that in the periphery zone, thus, the raindrops in the core area were earlier formed and the concentration was also greater than that in the periphery zone. Collision-coalescence efficiency was determined by the number and size of the droplets. In the present study, the efficiency was the highest under clean condition (25 cm^-3).

Key words： Spectrum-bin microphysics size distribution collision-coalescence efficiency

第一章 绪论

1.1 研究意义

大气气溶胶通常指悬浮在大气中的液态或固态颗粒，它的尺度范围一般取10^-3~10¹ μm，在大气处于过饱和或者接近饱和的状态下，某些气溶胶可以作为云凝结核（CCN），形成液滴，并且作为冰核（IN），用于初始冰颗粒的形成。云凝结核的特性会影响所形成的云的性质，如云雨滴谱分布、是否可以产生降水以及云能够存在的时长等。气溶胶粒子的存在，可以改变云的宏观结构与微观特征，并间接影响云与大气辐射的相互作用，影响地球的能量平衡。

目前，研究表明气溶胶与云之间的相互作用是一种复杂的非线性过程^[1-4]，国内外已有大量学者对这一复杂的影响过程展开了研究，并得出了大量科学性的结论，本文也就气溶胶浓度变化如何影响云雨滴谱这类微物理特征的变化展开了研究分析。本次试验基于WRF中尺度模式结合谱分档微物理方案，并以夏威夷地区2009年11月10日00:00 UTC探空资料为模式初始场，分别开展了浓度为5个/cm^-3 、25个/cm^-3 、100个/cm^-3 和500个/cm^-3 四种不同气溶胶背景下，气溶胶对云微物理结构特征和降水变化影响的理想暖云模拟。分析不同气溶胶浓度下，云滴尺度谱，雨滴尺度谱的不同变化，以及这种变化在云发展中心区和云边界区的不同表现，从理解对微物理特征变化的影响出发，更好地为分析云降水宏观过程表现出的气溶胶效应提供科学合理的解释依据。

1.2 国内外研究进展

1.2.1 成云过程的气溶胶效应

气溶胶作为液滴形成的CCN， 它的尺度分布决定了初始液滴的谱分布。在等同的大气湿度下，增加CCN的浓度可以产生更多更小近似均匀大小的液滴^[1][2]，而液滴的初始粒径分布是确定凝结效率的因素之一，对于给定的大气饱和度，较小液滴的总表面积较大，因此，凝结过程更有效（在较短的时间尺度内消耗过饱和度）^[3][4] ；另一方面，类似地，在云边缘区域（亚饱和状态），较小的液滴蒸发更有效，并且可以由于蒸发冷却诱导产生下沉气流而增强云与周围干空气之间的夹卷混合过程^[5][6]。这两个过程在云层及其周围的不同区域创造了一个有趣的竞争，由相对湿度（RH）和温度条件控制^[3-6]；液滴的初始粒径分布也影响碰撞并合过程的开始和效率，在污染云中，碰并过程的启动会延迟^[1][7-10]。这些微物理过程被认为与动力学过程耦合，其中高气溶胶浓度导致更广和更深的云产生^[11-13]。

1.2.2 降雨过程的气溶胶效应

雨是所有云反馈的最终结果。对于降雨过程中的气溶胶效应，之前也有些研究提出了证据。部分观测研究发现气溶胶对于暖云降水有抑制效应^[1][14-17]；数值模拟结果显示碰并启动延迟效应和污染暖对流云区雨量的减少，比如，Jiang and Feingold^[18]研究发现，温暖的浅层对流云区气溶胶含量的增加导致降水量减少。Xue et al^[19]在2008年研究发现增加气溶胶会导致云量减少并抑制降水，Jiang et al^[20]在2010年的研究中提出随着气溶胶含量的增加，降水单调减少。他们认为，对于给定量的饱和度，气溶胶含量的增加增加了云滴的数量，因此降低了液滴的平均尺寸，导致碰撞启动延迟或者难以开始。

1.2.3 气溶胶对云降水过程的总体影响

尽管早期，大量研究就证实了气溶胶含量增加导致诸如提高凝结效率，降低下落速度和延迟收集过程的一些关键要素确实在暖对流云中发挥重要作用^[4][21-22]，但气溶胶对云的物理性质的总体影响还存在不确定性，有相互矛盾的证据。Kaufman et al^[23]曾发现，在热带大西洋地区，浅积云在污染，烟雾和多尘的条件下云量增加。Dey et al^[24] 观测性研究显示，随着气溶胶光学厚度的增加，从清洁到轻微污染的条件变化，印度洋的云量随之而增加，随后在较高的污染水平时云量又下降。Jiang and Feingold^[18]的模拟研究发现，温暖的浅层对流云区气溶胶含量的增加导致降水量减少， 然而，云在一定的大气饱和度条件下，云量和云厚度方面不会发生显着变化。在上述等研究基础上，Dagan et al^[25]在最近研究中，就气溶胶对云降水宏观物理学属性的影响，提出最优气溶胶浓度的概念(N_op)。Koren et al^[26]在2014研究结果也显示，气溶胶浓度低于N_op时，云可认为是受到气溶胶限制状态，云体质量和云顶高度等属性是正相关于气溶胶浓度的。这种趋势在N_op时达到饱和，高于这个浓度时产生反转。因此，在过饱和条件下，从相对清洁的大气条件到轻微污染，会产生更有效的凝结，产生更多的潜热释放和积聚更厚的云层，气溶胶浓度高于N_op后，在云边缘的蒸发和夹卷过程可能起到更大的作用。

1.3 研究内容

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