气溶胶化学组分对边界层暖云滴谱离散度特征影响的模拟研究外文翻译资料

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大气研究53 2000 15-27。

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云顶行星的数值模型

边界层:气溶胶粒子物理化学性质对有效

层状云的半径

Andreas Bott)

德国美因茨大学约翰内斯·古腾堡大气物理研究所

摘要

本研究讨论了不同气溶胶类型对层状云有效半径值的影响。在用MISTRA微物理层模式进行的几项数值敏感性研究中，气溶胶成分从纯海洋气溶胶粒子线性变化到纯农村气溶胶粒子。数值结果表明，在纯海洋气溶胶环境中，有效半径通常比大陆地区大得多。有效半径的值也是随时间变化的，白天和晚上分别有最小值和最大值。在降水云中，有效半径可能大于30毫米，在大陆地区，有效半径相对较小，小于10毫米。数值结果还表明，农村气溶胶对总气溶胶数浓度的小贡献已经对有效半径的值有很大影响。根据这些发现，建议在大规模模型中使用受大陆气团影响的海洋所有区域的有效半径的较低大陆值。保留所有权利。

关键词:云微物理学；辐射；边界层云；云的有效半径

1.介绍

云对地球的辐射预算起着重要的作用，可以有效地吸收进入的太阳辐射，将热辐射发射回太空。晴空和多云大气辐射场之间的差异通常被称为云辐射力。这种辐射作用力对全球气候的研究特别有意义。通过比较19种不同的大气环流模型，Cess等人，1990年。发现对云的正确处理对于产生可靠的气候预测是至关重要的。

研究云对全球气候的影响是1984年地球辐射收支卫星实验埃尔比·巴克斯特罗姆和国际气象组织的目标。Ramanathan等人1989年从ERBE数据中发现，云，即大气的净冷却。Harrison等人，1990年，也利用了埃尔比数据集指出，在不同的云类型中，卷云和海洋层状云对辐射差额的影响最大。对于卫星测量的解释，了解几个云微物理参数是非常重要的，例如云含水量和云滴的有效半径r_e。岩崎和北川在1998年的个人交流中发现了一个明显的证据。气溶胶类型和云的辐射作用力之间的联系。通过将海洋和陆地上的不同气溶胶类型纳入日本气象厅的全球数值天气预报模型，他们获得了亚洲夏季风预报模型结果的明显改进。本文的目的是提高我们对气溶胶粒子物理化学性质对层状云有效半径影响的认识。为此，用微物理层进行了一些数值敏感性研究。MISTRA模式的敏感性研究由五个不同的模型运行组成，在每次模型运行中，所有初始数据都是相同的，唯一的例外是每次模型运行中气溶胶粒子的数量浓度和化学成分不同。在第2节中，将给出MISTRA控制模型方程的简短总结。第3节给出了五个模型研究的数值结果，第4节总结了敏感性研究的结果。

2.对MISTRA的描述

因为Bott等人已经对MISTRA进行了详细的模型描述。1996年以后简称为BTZ，这里将只给出控制模型方程的简短摘要。该模型是一维的，由一组水平风分量u和phi;、比湿q和位温u的整体平均值的预测方程组成。在这些方程中，考虑的最重要的过程是垂直平流、湍流混合、辐射加热、冷凝恢复和云滴碰撞。在模型的微物理部分，气溶胶粒子和云滴在一个联合的二维粒子谱中进行处理。半径为a的干气溶胶粒子的尺寸分布被细分为30个0.01-10微米的等级。在30个气溶胶等级中的每一个中，粒子都可能由于水蒸气的吸收而生长，从而形成加湿气溶胶粒子或在它们的活化云的情况下。总半径为r的液滴。沿着r坐标，粒子光谱被细分为100个水类别，alt;rlt;50微米，总共产生3000个粒子的谱分布。f(a,r)描述了气溶胶粒子和云滴的时间演变。除了上述过程，这些方程还考虑了粒子的重力沉降和液滴的碰撞目标。气溶胶粒子形成云滴的活化以及它们的扩散生长，通过根据粒子分布细分为30个气溶胶类别，在所有相对湿度下求解30个耦合的液滴生长方程来明确计算。辐射效应也包括在液滴生长方程中。

一般来说，气溶胶粒子由不同比例的水溶性和水不溶性物质组成。重要的水溶性物质是氯化钠、硝酸铵和硫酸铵。水不溶性物质是矿物粉尘、有机物质等。气溶胶粒子的化学组成很大程度上取决于它的形成机制。例如，在遥远的海洋环境中，主要由硫酸铵或硫酸氢铵组成的气溶胶粒子源自海洋排放的二甲基硫醚的氧化。在各大洲，空气传播的粘土和其他被破坏的土壤颗粒很重要,气溶胶粒子的成分,除了它们的化学成分之外，总气溶胶数浓度也根据它们的来源有很大的不同。根据大西洋上空气溶胶尺寸分布的测量，霍普等人，1990年清楚地确定了从大陆型气溶胶粒子向海洋型气溶胶粒子的过渡，由此总浓度随着离大陆距离的增加而显著降低。

为了研究气溶胶粒子物理化学性质对层状云演变的重要性，第二节将介绍五个MISTRA模式运行的数值结果。在每次模型运行中，初始气象条件是相同的，唯一的例外是气溶胶大小分布不同。每个利用的气溶胶光谱由三个对数正态尺寸分布Bott给出，1997年:

在模型运行1中，将使用典型的海洋气溶胶光谱。在这种情况下，方程中出现的系数。2已被确定为符合。Hoppel和Frick 1990年对海洋气溶胶尺寸分布的测量。这些。系数由下式给出:

假设海洋气溶胶由纯硫酸铵组成，即它们完全是水溶性的。方程得到的气溶胶谱。2和3是。如图1中的曲线1所示。对于0.01至10毫米之间的选定尺寸范围，总数量浓度为181个颗粒。

在模型运行5中，将使用典型的农村气溶胶尺寸分布，方程式中的相应系数

农村气溶胶的化学成分被认为是硫酸铵和矿物粉尘的混合物，因此水溶性部分从最小的90%线性下降到最大的气溶胶颗粒的50%。水溶性和不溶性质量分数的这种依赖于尺寸的划分是基于温克勒1974年的测量。由此产生的农村气溶胶光谱总共有3842个颗粒，数量浓度由图1的曲线5给出。模型运行2、3和4被认为是模拟从遥远的海洋环境到大陆环境的过渡。在这些模型运行中，假设气溶胶谱包括

在农村和海洋的混合规模分布中，模型运行2 ，75%的海洋和25%的农村，模型运行3 ，50%的海洋和50%的农村，模型运行4，25%的海洋气溶胶和75%的农村气溶胶。得到的总浓度分别为1097、2012和2927个颗粒。粒子谱在图1中以曲线2、3和4给出。

这里，e _{a，r .}是粒子表面的平衡水汽压，e是平面水面上的饱和蒸汽压。A/r是所谓的曲率项，描述e _a，r的增加。由于粒子表面的曲率，开尔文效应，而B/(r -a³⁾。是由于粒子拉乌尔定律中溶解的盐而导致水汽压减少的溶液项。常数A和B取自普鲁普帕彻和克莱特1997年的文章。

模型运行将在本节中介绍，在模型模拟中，从当地时间午夜00:00开始。对于每个气溶胶尺寸分布，进行24小时运行。初始垂直温度分布由最低700米的干燥绝热分层大气给出，第一网格点的温度等于288.4K。在700米，应用8k的强逆温。在这个逆温层之上，温度直减率被设置为常数0.006/km。最低700米，最初的比湿是q=(min q_s，0.0085)kg.kg^-1。逆温层之上，q=0.004kg.kg^-1。大范围沉降速度为-0.006m/s。

图2显示了第一个模型在图中所示时间有效半径的垂直分布。液态水含量超过0.05g.m^-3的层定义了多云区域。在这些层r _egt;0。可以看出，在模型模拟期间，云顶保持在690米不变。与此相反，云的底部

逐渐减少，直到午夜云接触地面。这是由于毛毛雨的形成，此时毛毛雨已经到达地面。从图中还可以看出，r_e随着云中高度的降低而增加。这个的解释是，较大的毛毛雨的浓度在较低的云层中增加。在云底附近，主要液态水含量主要存在于半径超过50毫米的大水滴中。

模型运行1是毛毛雨到达地面的唯一案例研究。其原因是在遥远的海洋环境中，云凝结核的总浓度非常低，只产生很少但相对较大的云滴。这有利于通过碰撞过程形成毛毛雨，这在产生大云滴的情况下变得非常有效。

图3显示了与图2同时的r的垂直剖面，但现在是e型运行2，即75%海洋气溶胶和25%农村气溶胶的混合物。通过将该图与图2进行比较，很明显，有效半径现在明显低于模型运行1。请注意两幅图中横坐标的不同比例。除24.00小时曲线外，与r )15毫米的模型运行1相比，re值总是低于12毫米。在24.00小时，在云底再次观察到毛毛雨的形成。然而，毛毛雨现在比第一次模型运行时弱得多，因此，

图3

没有到达地面。还可以看到云顶随着时间的推移而增加。这是因为与模型运行1相比，云的微观结构不同，有许多但相对较小的云滴。结果，云的反射率在运行2中比运行1中更大，现在产生了入射太阳辐射的有效反向散射。

在模型运行3-5中，这一趋势继续参见图4-6。随着分数的增加。在农村气溶胶成分中，有效半径变小，从而同时毛毛雨的形成越来越受到抑制。从图5和图6中可以看出，在所有云层中以及在任何时候，有效半径都小于10毫米。此外，这些值在整个云层中保持更恒定，因为现在几乎不再观察到毛毛雨的形成。

图2-6显示，由于垂直网格距离为d10m的精细分辨率，在MISTRA可以获得关于云内r的垂直变化的非常详细的信息。因此，可以看出，在云内某些位置形成毛毛雨的情况下，有效半径可能达到超过50毫米的值，参见例如图2的24.00小时曲线。另一方面，在大尺度模型中，垂直分辨率要粗糙得多，因此通常只有有效半径的平均值用于确定云的辐射特性。

为了获得本研究的五个模型运行的该值，引入有效半径r_e的加权平均值似乎是合适的，由此液态水含量被作为加权函数。因此，r_e的定义是:

z₀和z₁分别是云的底部和顶部，m_w是高度z的云水含量。

图7显示了五个模型运行的r_e的时间演变。正如所预期的，e re在具有纯海洋气溶胶粒子的模型运行1中最大。此外，可以观察到r_e的强烈时间变化，其值在15至30毫米之间。当在云的下部区域形成毛毛雨时，在夜间观察到r_e的最大值。白天，太阳辐射会部分蒸发云，此时产生最小值r_e

与其他四个模型运行中使用纯海洋气溶胶的模型运行1相比，有效半径明显更小，时间变化不太明显。

图6

尽管农村气溶胶成分的比例从模型试验2的25%线性增加到模型试验5的100%，但在r_e值中没有观察到这种线性行为。从这些发现可以得出结论，在总气溶胶谱中，农村气溶胶成分的一小部分对有效半径值有很大影响。换句话说，只要海洋上某一特定位置的大陆气团有任何影响，与纯海洋情况相比，使用有效半径的较低大陆值似乎是合适的。

从目前的调查结果可以看出，在所有案例研究中，有效半径随着高度相对恒定，在较低的云层中有一个额外的峰值，这是由于毛毛雨的形成。这些发现与相应的观察结果形成对比，例如，尼科尔斯，1984。而高峰时。由毛毛雨引起的云底r_e似乎是真实的，现场测量表明，r_e通常以几乎线性的方式随高度增加。数值计算和观测之间存在差异的原因在于，MISTRA是云顶行星边界层的一维模型，该模型基于所有变量水平均匀性的假设。因此，只能计算所有热力学量的平均值。因此，模型中云滴的激活不会发生在。

相对湿度低于100%，因为它是云的上升和下降区域的平均值。然而，根据现场观测，云滴的活化发生在云底的上升气流区，那里过饱和最大。一维云模型这个问题的详细讨论可以在Bott等人1997年和Brown 1997年找到。目前的研究，也就是气溶胶物理化学性质对平均有效半径大小的影响，几乎不受这个模型假象的影响。其原因是，在所有云层中，r_e值以相同的方式随着气溶胶谱的特定选择而变化。目前，我们正在努力改善MISTRA，包括上升气流和下降气流区域对粒子谱微物理演变的影响。

4.总结和结论

本文用MISTRA微物理层模式进行了一些数值敏感性研究。目的是研究不同气溶胶类型对层状云有效半径值的影响。

从数值结果可以得出结论，在纯海洋环境中，r_e通常比整个大陆大得多。此外，观察到有效半径的时间变化，最小值在下午，最大值在晚上。如果云产生降水，r_e值可能超过30毫米。与整个大陆的纯海洋情况相比，有效半径仍然相对较小，数值低于10毫米。当然，如果在特定情况下大陆云也产生降水，这些数值也会更大。为了在三次模式运行中研究大陆气团到纯海洋气团过渡区域大陆气团对海洋的影响，农村气团成分从总气团浓度的75%线性下降到25%。相应的数值结果表明，即使是少量的农村气溶胶也已经对r_e值产生了强烈的影响，与纯海洋情况相比，re值明显降低。因此，建议首先使用海洋区域有效半径的低大陆值，这些区域甚至几乎不受大陆气团的影响。

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