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大气气溶胶对于云和降水形成的辐射和微物理特性的影响

O. Alizadeh-Choobari * , M. Gharaylou

摘要

气溶胶通过改变云滴浓度和大小，对云辐射和微物理特性有着复杂的影响，并由此影响降水过程。为了研究中纬度对流云系统中气溶胶和云的相互作用，使用天气研究和预报（WRF）模型中的气溶胶微物理体积感知方案，进行了三个具有初始相同动量和热力学条件但气溶胶浓度不同的灵敏性实验。气溶胶浓度的增加会导致云滴总体体积变小，由此导致云的光学性质发生改变。虽然污染实验中短波云强迫显著增强，但气溶胶浓度的变化对长波云强迫的影响却几乎可以忽略不计。通过实验发现，污染实验由于有较高的短波云强迫以及较为干燥的中边界层，使污染云层有着更高的云底高度，从而导致更多云层表面被冷却。由于作为冷凝核的吸湿性气溶胶浓度较高而导致水蒸气冷凝核数量增加，所以污染实验也与较高的液态水含量（LWC）相关。在污染和清洁的大气环境下，区域平均累积降水几乎没有变化。然而，不同实验的降水率的变化量是不同的，在污染大气条件下轻度雨的发生概率降低，而中度和大雨发生概率提高，这证实了如果有充足的水蒸汽存在，则吸湿性气溶胶的增加可以提高降水率。

1. 介绍

大气气溶胶通过改变云滴的数量浓度和大小对云微物理产生了复杂的影响 (Andreae et al.,2004;Khain et al.,2004),改变了云的反照率(Twomey,1977; Menon et al.,2002;Quaas et al.,2004;Fan et al.,2013),液滴的凝结效率(Albrecht,1989;Rosenfeld and Lensky,1998;Rosenfeld et al.,2001),潜热的释放和云对流的强度(Andreae et al.,2004; Khain et al.,2004; Koren et al., 2005),云顶高度(Andreae et al.,2004;Koren et al.,2005),冰川高度(Rosenfeld and Lensky,1998),冷池强度（Lebo,2014;Lebo and Morrison,2014;Grant and van den Heever,2015)以及降水的形成过程 (Albrecht,1989;Rosenfeld,1999;Rosenfeld and Woodley,2000;Khain et al.,2004;Zhang et al.,2005;Seifert and Beheng,2006;Thompson and Eidhammer,2014;Wang,2015)。所有这些变化被称为气溶胶的间接效应（或结果），这种效应被认为是气候研究中最不确定的强迫之一(Zhang et al.,2015)。气溶胶对云层的影响包括对云滴尺寸的“第一直接”影响或者“Twomey”影响(Twomey,1977)，而由此产生的液体水含量（LWC）的变化，和对云的生命周期和降水过程的影响被称为“第二间接”效应(Ackerman et al.,2000)(Zhang et al.,2005; Seifert and Beheng,2006)。

Twomey（1977）首先指出，对于固定的液态水路径，气溶胶浓度的增加可以增加液滴浓度并减小云滴的平均尺寸，这增加了液滴的总体横截面积，从而增加了云反照率，加快了气候系统的冷却。云层反射率的增强则可以通过污染云层(Coakley et al.,1987)和洁净的海洋性云的对比可以看出(Stefan and Iorga, 18-23 July,2004)。然而，应该指出，由于液滴尺寸的增大导致云的反照率减少的现象在浅云中最明显，由于它们的液滴尺寸，深度和浓度,云层反射了大部分的太阳辐射(PlatnickandTwomey,1994)。

污染云中液滴尺寸的减小抑制了碰撞和凝结过程（Albrecht,1989;Rosenfeld and Lensky,1998; Rosenfeld et al.,2001)，从而减缓了云滴向降雨的转化，达到完全抑制暖雨的程度(Rosenfeld, 1999)。与大陆云相比，气溶胶浓度的增加导致暖雨减少的现象在浅云中更加明显(Ludlam,1980; Muuml;lmenstauml;dt et al.,2015)。通过观测和模拟表明液滴浓度和层状云中小雨频率之间呈显著的负相关关系 (Albrecht et al.,1988; Rosenfeld et al.,2001) (Saleeby et al.,2015)。浅云中的降雨导致云的生命周期和覆盖率的增加(Albrecht,1989),使得全球反照率的增加程度比“Twomey”效应大得多 (Sekiguchi et al., 2003; Kaufman et al.,2005)。

气溶胶抑制暖雨过程会延迟降水的发生(Andreae et al., 2004),使得在混合相态云中，未沉淀的云滴可以在云层中达到更高的高度，导致更多云滴的冻结和潜热的释放，以及冷雨过程的增强(Rosenfeld and Woodley, 2000; Li et al., 2011)和偶尔更加强烈的雷暴(Andreae et al.,2004)，更多的潜热释放延长了对流云的生长；从而进一步激发云的发展和雷暴及大冰雹的形成(Andreae et al., 2004;Rosenfeld, 2006)，最终进而可能会影响水循环。此外，充当冰核的气溶胶的浓度增加也与过冷云的数量及固态降雨的增加相关(Lohmann andLesins, 2002)。

气溶胶间接效应在最近的几项基于观察性的研究中也被广泛讨论。Andreae et al（2004）经过原位测量，指出降水在污染云层中向更高的高度转移，导致气流上升、云顶升华、大冰晶的形成、强烈的雷暴和大冰雹形成。他们同时指出，气溶胶对云的发展的微物理效应同时抑制了它们的辐射冷却效应，这种抑制效应对边界云层的影响更为明显。Koren et al（2005）发现气溶胶浓度的增加与抑制凝结（被称为“热力学效应”）和增强云层对流相关联，从而也会导致云层覆盖面积和云顶高度的增加。在Fan等人的数值研究中也发现气溶胶浓度的增加与云对流的增加相一致(2007)。虽然他们指出，当空气已经严重污染时，气溶胶的进一步增加对对流过程的影响较小。Bell et al（2008）使用热带降雨测量卫星（TRMM）数据研究发现由于气溶胶的浓度增加，美国东南部的夏季下午雷暴数量显著增加。

虽然上面讨论的云微物理学的气溶胶效应能够很好的被接受，但最近的研究表明，要想完全理解这种影响，还需要考虑环境条件，如湿度或对流有效势能（CAPE）（Khain等人，2008;）、风切变（Fan等，2009; Lebo和Morrison，2014; Lee等，2012）和干层的高度（Grant andvan den Heever，2015）。例如，人们发现，气溶胶浓度的增加与热带海洋条件下的降水呈现正相关关系，但是与在干燥大陆条件下发生的降水呈现负相关关系（Khainetal.，2008）。这是由于在进入深层干燥空气时冰晶的升华和液滴的蒸发，干燥条件下的降水减少。

Analysis of Fan et al. (2007)指出，气溶胶间接效应在相对干燥的空气中可以忽略不计。Lebo and Morrison (2014) 研究了气溶胶浓度的增加对飑线强度和结构的动力学影响。他们的结果表明，在弱风切变下，气溶胶浓度的增加会导致冷池的弱化、对流质量通量的增强和降水的增强，而在强风切变条件下则会导致总体的降水减少。

最近在气象研究和预报（WRF）模型中应用了由气溶胶形成云滴和冰晶的显性成核方法。Li et al.(2008)首先在WRF模型中实施了能够预测气溶胶数量和质量浓度的双力矩微物理学方案，并且在不同的气溶胶浓度条件下进行模拟实验。他们发现，降水从清洁的海洋到大陆有增加的趋势，但在高度污染的情况下这种趋势显著降低并被完全抑制。在极高的气溶胶浓度下由于产生的冰量是最小的，因此水分子不能生长到足够大的尺寸来进行蒸发，降水被抑制。最近, Thompson 和 Eidhammer (2014)在WRF模型中实施了一个气溶胶体积感知微物理方案，来讨论气溶胶对大型冬季气旋中云的发展和降水的影响。他们发现，对于降水率较小的地区，气溶胶对降水的影响要大得多。他们还注意到由于气溶胶的抑制效应导致降水的位置发生了变化。Wang(2015)应用WRF模型与修改的莫里森体积微物理方案，他发现污染条件下，云的对流进程加强，混合过程也更高效。

尽管以现有的知识，尚不清楚气溶胶对云的辐射和微物理性质的组合效应是如何影响降雨的空间分布和降水速率的。但现在已经证明，气溶胶对于降雨的影响主要是对降雨强度的影响，例如在污染大气条件下降低或完全抑制小雨，而增强中雨或者大雨。

本研究的主要目的是调查以下气象要素与气溶胶间接效应的相关程度：（1）云的光学性质；（2）云底高度；（3）总降水量；（4）降水概率。为此，采用了由Thompson和Eidhammer（2014）开发的气溶胶体积感知微物理方案。

1. 模型描述

2.1 WRF模型

WRF中尺度模型（Janjic et al.，2003），用于研究气溶胶浓度变化对云性质的影响。

2.2气溶胶散度感知微物理方案

本研究中使用的是Thompson和Eidhammer（2014）开发的气溶胶体积感知微物理方案。这是Thompson等人（2008）最新发现的微物理方案，明确整合了云滴和冰晶凝结作用。在两段式体积感知微物理方案中，云滴的质量和浓度是固定的，而一段式的微物理方案只考虑了水分子的质量浓度。Thompson气溶胶识别方案计算水蒸气，云滴，雨滴，冰晶，雪和霰的质量混合比，以及云滴，冰晶和雨滴的数量。Kouml;hler激活理论（Kouml;hler，1936）适用于气溶胶的凝结以及云滴的形成，他假设云滴符合广义的伽马分布。

冰核是以矿物粉尘气溶胶为核心凝结的，因为灰尘是大气中最丰富的天然凝结核（Hoose等，2010; Murray等，2012）。DeMott等人在水汽饱和度以上相对湿度以下对将灰尘颗粒变为冰晶体的凝结和冷冻过程进行参数化，而Phillips等人在是对小于水汽饱和度的相对湿度以下的沉淀成核进行参数化。

2.3. 输入气溶胶数据集

初始气溶胶浓度是从（2001 - 2007年）戈德达化学气溶胶辐射和运输（GOCART）模型（Ginoux等，2001）进行全球模拟（Colarco等，2010）得到的。输入气溶胶数据包括硫酸盐，灰尘，黑碳（BC），有机碳（OC）和海盐的质量混合比，而在云凝结核（CCN）活化中忽略了黑炭的影响。就如Thompson和Eidhammer（2014）所指出的，大于0.5lum的灰尘气溶胶属于冰成核模式，而所有其他气溶胶种类属于云滴成核模式。通过假设对数正态分布和应用Chin等人的方法，（2002）针对气溶胶直径和几何标准偏差，将输入质量混合比率转换为浓度。为简单起见，实施了可变的下边界条件以基于初始近地面气溶胶浓度和平均地表风速来表示表面气溶胶的排放情况。然后在模型中应用以下公式以计算气溶胶的通量：dNwfa/dt=10^{[log(N wfa )minus;3.69897]}，其中Nwfa表示吸湿气溶胶数浓度。

2.4数值实验

2012年4月14日，对德黑兰对流云发展和降雨的观测情况进行了不同的初始和边界吸湿气溶胶浓度的三个敏感性实验。为了研究气溶胶对大气性质的影响，吸湿性冰凝结核气溶胶浓度（灰尘）在三次实验中保持不变。吸湿性参数假定为0.4，而气溶胶平均半径为0.04um，它们的改变可以代表不同的气溶胶脉冲。第一次模拟实验中的气溶胶数浓度设定为标准值，并且该模拟实验被称为对照实验。在第二次模拟中，吸湿性气溶胶数浓度减少到对照实验的五分之一，被称为清洁实验。为了研究高气溶胶浓度对云微物理和降水的影响，所有模型网格点的气溶胶浓度增加了5倍，这个实验被称为污染实验。如表1，在模拟期间清洁、对照和污染的实验中在垂直和水平方向上最内部区域平均吸湿气溶胶浓度分别为109.8,509.1和2656.6cm ^-3。在图1中还显示出了对照实验中地面处的初始气溶胶浓度的空间分布情况，而图2显示出了三个实验的初始区域平均吸湿性气溶胶浓度的垂直剖面。除了初始和边界吸湿气溶胶数量浓度的差异，三个实验的模型设置和气象初始和边界条件均相同。

表格1

在模拟期间所有垂直和水平方向上最内部区域的平均浓度（cm^-3）和具有云滴有效半径（um）的平均吸湿气溶胶浓度（cm^-3）。从2012年4月14日0000 世界时到2012年4月15日0000世界时清洁，控制和污染实验在模拟期内的累积降雨量（mm）。

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