微物理效应确定气溶胶对深对流云团的宏观物理响应外文翻译资料

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微物理效应确定气溶胶对深对流云团的宏观物理响应

Jiwen Fana,1, L. Ruby Leunga, Daniel Rosenfeldb, Qian Chena,c, Zhanqing Lid,e, Jinqiang Zhangf, and Hongru Yane,g

aAtmospheric Sciences and Global Change Division, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA 99352; bInstitute of Earth Sciences, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, 91904 Israel; cKey Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; dState Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; eDepartment of Atmospheric and Oceanic Science and Earth System Science Interdisciplinary Center, University of Maryland, College Park, MD 20742; fKey Laboratory of the Middle Atmosphere and Global Environmental Observation, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; and gCollege of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou, China

Edited by Mark H. Thiemens, University of California, San Diego, La Jolla, CA, and approved October 22, 2013 (received for review September 10, 2013)

深对流云（DCCs）在气候系统的一般循环，能量和水文循环中起着至关重要的作用。气溶胶颗粒可以通过改变云性质，沉淀方案和辐射平衡来影响DCCs。以前的研究报告了气溶胶对DCCs的激活和抑制，但很少有人关心DCC的整个生命周期。通过进行多个月长的云解析模拟与谱分档云微物理学，捕获观察到在热带和中纬度地区的宏观物理和微物理性质的夏季对流云和降水，这项研究提供了一个气溶胶如何影响云覆盖，云顶部高度和辐射强迫。我们发现，尽管由于气溶胶的热力学效应（从更大量的云水的冻结释放额外的潜热）可以在生长阶段期间广泛接受DCC迁移的理论，但是它是由气溶胶影响的微物理效应，即使没有对流的热力学恢复，在成熟和耗散阶段通过诱导更大量的更小但更持久的冰粒在DCC的层/砧中增加云覆盖，云顶高度和云厚度。热力学调节效应贡献高达总云量增加的约为27％。整体气溶胶间接效应的影响是大气辐射变暖（3-5W·m-2）和表面冷却（-5约为-8W·m-2）。模拟结果是由对在不同环境的三个地点进行的大量测量的分析来确定的。

深对流云（DCCs），特别是与热带对流有关的那些，是重要的降水来源，并在水文和能源循环以及区域和全球循环中发挥关键作用（1）。 DCCs被组织成一个或多个对流核心，其特征在于在成熟期合并的强上升气流和由刚好低于对流层顶的对流核心上升气流的分散产生的砧云，并且扩散到大面积上。 云顶高度（CTH），云厚度和微物理性质是DCCs的重要性质，影响它们的辐射效应。 卫星雷达观测显示了对流强度和砧的寿命，尺寸和深度之间的相关性（2）。 由于它们的覆盖面积大和寿命长，砧主导DCC的辐射效应。

大气气溶胶颗粒可以通过其对云的物理和宏观物理过程的影响而影响云的性质和降水机制，从而改变气候系统的辐射平衡。 这些所谓的气溶胶间接效应在理解当前和未来气候方面仍然是一个关键的不确定性的方面（3）。 量化气溶胶对DCCs的影响的方面是非常具有挑战性的，因为云微物理学（液体，冰和混合相），辐射和大气动力学之间的相互作用非常复杂，并且覆盖广泛的空间和时间尺度（4）。

先前对气溶胶-DCC相互作用的模拟研究（关于气溶胶如何改变对流强度和降水（4））显示了符号和幅度的差异（5-14）。通过明确地解决对流，云解析模型可以产生更真实的DCC结构，而不是依赖于对流参数化的粗尺度模型。云解析模型（CRM）模拟已经确定环境条件的作用，如垂直风切变和相对湿度（RH）（5-10，14）作为确定气溶胶是否增强或抑制对流强度的关键因素。一个月的理想化双参数云物理2-D模拟在热带显示更高的CTH尽管在受污染的环境中具有较弱的对流（15），并建议通过增加云凝结核（CCN）来观察对微物理变化的影响。最近利用热带对流的辐射对流平衡的理想化建模研究表明，CCN（16,17）的云量变化很小，大气顶部（TOA）的短波（SW）和长波（LW）通过CCN（17）减少。

相比之下，观测研究一直显示在大的地区（18-22）和全球（23）在长时间尺度（月和年）污染环境中的CTH和云量增加并且降水率更高。 为了解释在受污染的环境中观察到的更高的云顶和更大的云量，这些研究中提出的共同假设是，由于云滴尺寸减小，气溶胶延迟云水向温暖雨水的转化，允许更大量的云水被提升到上层，当冻结时，释放更多的潜热和激发对流（24）。 这种广泛观察到的对流的气溶胶增生对应于增强上升速度的动力学效应显然与云解析建模研究相矛盾，这表明只有弱的垂直风切变和相对湿度条件有利于气溶胶对流的增强和增加降水（6-8,10）。

【Significance

深对流云（DCCs）在大气环流和水文和能量循环中发挥关键作用。对于气溶胶颗粒如何影响DCCs的了解很少，这使得很难了解当前和未来的天气和气候。我们的工作表明，除了对流的激发，这已被一致地引用解释观察到的结果，在污染的环境气溶胶诱导的微物理效应是观察到云量，云顶高度和云厚度增加的一个根本原因，即使没有激活。这一结论要求我们增强关注于理解与对流生命周期相关的层状/铁砧的变化。

Author contributions: J.F. designed research; J.F. performed research; J.F., Q.C., J.Z., and H.Y.analyzed data; and J.F., L.R.L., D.R., and Z.L. wrote the paper. The authors declare no conflict of interest.

This article is a PNAS Direct Submission.

Freely available online through the PNAS open access option.

To whom correspondence should be addressed. E-mail: jiwen.fan@pnnl.gov.

This article contains supporting information online at www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10. 1073/pnas.1316830110/-/DCSupplemental.】

为了协调观测和建模结果，并研究气溶胶如何通过微物理学和对流的变化来改变云的宏观物理性质，我们在热带和中纬度的多个夏季对流系统上对两个嵌套域进行了一个月的3D模拟（图1）。外部域的大小为约为1400千米，内部域在云解析规模为约为2公里的网格，分辨率超过约为600times;600公里（图1）。我们进行了两组模拟，仅在初始气溶胶浓度方面不同，以6倍来表示清洁和污染的环境。为了明确模拟云微物理过程及其与气溶胶和动力学的相互作用，我们对云使用了谱分档微物理（SBM）参数化，其中气溶胶和水汽物质用尺寸为33的谱（13,25,26）表示。这些模拟使用了天气研究和预报（WRF）模型的动力学框架（27）。有关模型设置的更多详细信息，请参见材料和方法。这些长期模拟明确确定了对流和云微物理过程以及覆盖不同的夏季对流系统是必要的，这使对DCC的气溶胶效应的理解更深刻，包括辐射反馈。在本研究中，我们通过关注CCN来关注气溶胶效应。不考虑气溶胶直接辐射效应。

模拟在热带西太平洋（TWP），中国东南部（SEC）和美国南部大平原（SGP）进行，分别代表热带，中纬度沿海和中纬度内陆夏季对流云。在大多数模拟阶段（图1）（SGP云层通常由正面系统组织），在TWP和SEC上，大气通常是湿的，具有弱垂直风切，但是SGP相对干燥，具有强垂直风切。 在SGP中的第21天之后，空气更湿润，并且与第21天之前的时段相比，垂直风切变略微弱一些。使用基于地面的观测来评估基本云结构和对流时间，其比卫星检索更准确。材料和方法中提供了观察数据的详细信息。

结果

在SGP和TWP位置，大气相对干净，气溶胶光学深度（AOD）在0.1-0.25的范围内，而SEC的AOD通常大于6倍（图S1）。在清洁条件下，在TWP和SGP中更接近现实的模拟云垂直结构（图2，左栏）和云频率的日变化（图3）非常好地与在那里的观测一致。与污染状态相比，模拟结果与观测值相比预测了更多的上层云和更少的低云。此外，通过污染模拟预测的云日变化模式与观测以及来自干净模拟的观测一致。在这两个地点的干净模拟和观测之间，也观察到时间序列每小时降水率更好的解释了这一点（图S2）。在SEC中，没有可用的云性质的观测数据，但是可以比较密集雨量计网络的每小时降水数据。平均降雨率不受气溶胶增加的影响（本节最后一部分将更详细讨论降水）。然而，在污染条件下，这在中国更接近现实，模拟略胜于模拟清洁条件。获得云的日变化和降水的时间序列是分割SW和LW辐射强迫和确定净辐射效应的关键。

Fig.1. 模型域和环境条件。

1. TWP，SEC和SGP的两个嵌套域和（B）温度（T），水蒸汽混合比，风力分量U（实线）和V（虚线）的垂直廓线，SEC（蓝色）和SGP（红色）在域2和模拟周期上平均。 在SGP中，21天后的时期具有比前一时期更高的RH（B，右）和更弱的风切变。 然而，与TWP和SEC相比，风切变仍然更强。

Fig. 2.（A）TWP，（B）SEC和（C）SGP的云分数的垂直廓线。左栏显示了来自干净（clean;黑色）和污染（Pollu;红色虚线）模拟和观察（Obs;蓝色虚线）的ARM位点在1个月期间的云发生频率（没有观察到的数据SEC）。通过1个月期间的阴天计数总数除以总计数来计算现场的云发生频率。中间列显示了在一个月模拟期间平均的云分数的垂直廓线。百分比变化显示为具有次y轴的蓝线

在相同的图。云量通过云点的数量除以域中的点的总数来计算。多云点由总冷凝水gt; 10-6 kg·kg-1来确定。右列显示了在来自清洁和污染条件的每个垂直高度处云百分比的变化的时间序列百分比。右列中的黑线是在0-7公里内计算为（最大U - 最小U）的区域（U）风切。

（扩大云覆盖范围，增加云顶部高度和云厚度）所有三个地区气溶胶浓度增加6倍，导致云对流层上部云量增加30％（图2），尽管该区域的动态和热力学环境有显着差异。在SGP中，当RH高于（图1）且垂直风切变相对较弱时（图1），在第21天之前云量的增加不显着（gt; 5％），而在第21天在TWP和SEC中;图1）。在所有三个地区云层比例都在对流层低层持续下降。在对流核心，层状/砧云和浅层状况下，云层的单独调查表明，对流层上层的云量增加主要发生在层状/砧云而不是对流状态（图4）。虽然RH和垂直风切变在两个时间段之间不同，但在SGP的第21天之前和之后都可以看到层状/砧云分数的增加。因为它们是域中云覆盖的非常小的一部分，在所有三个区域中，在干净的到污染的环境条件的模拟下，相对核心区域变化很小，除了TWP和SEC少量增加（具有相对变化分别为约为5％和1％）和SGP减少约为2％。

由于气溶胶抑制浅暖暖云（图4C），对流层低层云量减少。注意，较低水平的所有云的云覆盖率的百分比降低仅为5-10％（图2），小于浅暖暖云超过20％的减少，这是由于DCC的云量增加（如下所示）。 总体而言，对于夏季对流，气溶胶通过扩展层状/砧面积增加对流层上部的云量，但抑制对流层低层的浅云。根据我们对Li等人的研究的分析（19），我们分析了在SGP不同类型的云系统的云量10年的观测数据和显示结果与我们的模型模拟一致：砧状云分数与气溶胶浓度稳步增加，但没有观察到一致的对流核心的趋势（图S3）。 还观察到随着气溶胶的增加，浅云的云量减少。

随着上部环流中扩大的云量，CTH在所有三个地区也持续增加。图5左栏，清楚地表明在从干净到环境的模拟下，从低云向高云转移的频率。所有区域CTHgt; 12 km的云的发生频率显着较高。如CTH变化的时间序列所示（图5，右栏），TWP中的CTH增加是最显着的，并且经常超过2km。在SGP中，虽然在第21天之前CTH的增加不显着，但是确定的变化仍然是明显的。分别检查对流核心和层状/砧座状态CTH的变化，图6A示出了对流核心区域中的

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