榮艷敏 銀燕

南京信息工程大學(xué)中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,南京 210044

對(duì)流云對(duì)大氣氣溶膠和相對(duì)濕度變化響應(yīng)的數(shù)值模擬

榮艷敏 銀燕

南京信息工程大學(xué)中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,南京 210044

利用二維面對(duì)稱分檔云模式研究了氣溶膠顆粒物濃度和尺度譜分布對(duì)混合相對(duì)流云微物理過程和降水的影響,并重點(diǎn)討論了氣溶膠效應(yīng)隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化。結(jié)果表明,在初始熱力和動(dòng)力條件相同的情況下,相對(duì)清潔的海洋性云在發(fā)展和成熟階段能更有效地產(chǎn)生雨滴、冰晶和霰粒,形成更強(qiáng)的雷達(dá)反射率。隨著氣溶膠濃度增加,比如在本文模擬的污染大陸性云中,氣溶膠粒子數(shù)濃度的增加限制云滴增長,不利于降水粒子的形成。模擬結(jié)果也發(fā)現(xiàn),環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠效應(yīng)有顯著影響,即當(dāng)?shù)孛嫦鄬?duì)濕度從50%增大到70%時(shí),所模擬的云從淺對(duì)流泡發(fā)展為深對(duì)流云;氣溶膠對(duì)云微物理特性和降水的影響在干空氣中較小,但在濕空氣中表現(xiàn)非常顯著,這與前人結(jié)果一致。隨著相對(duì)濕度的增加,冰相粒子出現(xiàn)的時(shí)間提前,增長加快,云砧范圍擴(kuò)大,但相對(duì)來說,降水起始時(shí)間對(duì)相對(duì)濕度的變化比氣溶膠更敏感。

氣溶膠 云微觀結(jié)構(gòu) 降水 相對(duì)濕度

1 引言

氣溶膠通過云對(duì)氣候的影響(氣溶膠的間接氣候效應(yīng))是氣候變化與預(yù)測(cè)研究中的主要不確定因子。氣溶膠在大氣過飽和或接近飽和的情況下,可以作為云凝結(jié)核(Cloud Condensation Nuclei,簡稱CCN)和冰核(Ice Nuclei,簡稱IN)形成降水粒子胚胎,通過改變?cè)苾?nèi)的粒譜分布和云的微物理過程而改變降水過程。隨著人類活動(dòng)的加劇,人為污染物排放增加了大氣氣溶膠濃度。野外觀測(cè)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析顯示,云滴數(shù)濃度隨著氣溶膠濃度的增加而增加,但云滴有效半徑減小,一定程度上抑制了降水的發(fā)展(Rosenfeld,2000;Rudich et al.,2002;黃夢(mèng)宇等,2005;段婧和毛節(jié)泰,2008)。但在重污染的沿海城市以及熱帶對(duì)流云中,也有研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠能促進(jìn)降水(Shepherd and Burian,2003;Fan et al.,2007)。因此,目前對(duì)氣溶膠影響云和降水的問題上仍然存在很大分歧。

近年來,國內(nèi)外有關(guān)氣溶膠對(duì)不同類型云的影響用不同的數(shù)值模式進(jìn)行了大量研究。在污染地形云中,云滴濃度明顯的增長伴隨著有效半徑的顯著減小(Martinsson et al,1999;戴進(jìn)等,2008)。積云中降水率和降水量隨氣溶膠粒子濃度變化顯著(Reisin et al.,1996;Khain et al.,2004)。Yin et al.(2000)為了模擬不同尺度CCN粒子對(duì)降水形成的影響,建立了一個(gè)二維的分檔云模式,他們的數(shù)值試驗(yàn)表明,在細(xì)小核(r＜0.1μm)濃度較高的大陸性云中,CCN巨核(r＞1μm)的出現(xiàn)會(huì)對(duì)降水形成產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用,但在細(xì)小核較少的海洋性云中,CCN巨核的影響比較小,降水的形成發(fā)展主要決定于大云滴的數(shù)量。Feingold et al.(2005)發(fā)現(xiàn),暖積云中氣溶膠的增加導(dǎo)致降水明顯減少。Jiang et al.(2006)研究表明,從清潔到污染情況下,淺積云中氣溶膠濃度的變化能抑制降水但不改變?cè)粕?。有關(guān)熱帶深對(duì)流云的研究,金蓮姬等(2007)指出,當(dāng)云凝結(jié)核數(shù)濃度增加時(shí),對(duì)流云的爆發(fā)性增長階段的垂直速度減小,使得對(duì)流云從中低層向高層的水物質(zhì)輸送量減少,從而使云砧卷云冰晶的數(shù)量減少。Fan et al.(2007)發(fā)現(xiàn),隨著氣溶膠濃度的增加地面累積降水增加,在氣溶膠濃度超過某一臨界值時(shí),大多數(shù)云特性對(duì)氣溶膠不再敏感,并且在氣溶膠濃度極高的條件下,降水隨著氣溶膠的增加而減少?？梢?由于云過程的復(fù)雜性和其他環(huán)境條件的影響,氣溶膠在云和降水過程中的作用存在很大不確定性,有關(guān)氣溶膠和云的數(shù)值模擬也存在一些爭議。

相對(duì)濕度(Relative Humidity,簡稱RH)是影響云微物理和動(dòng)力過程的主要因素之一。在不同水汽含量的空氣中,氣溶膠對(duì)云發(fā)展和降水的影響可能存在明顯的不同。貝耐芳和趙思雄(2002)指出,初始水汽條件是影響降水發(fā)生發(fā)展過程的重要因子之一。氣溶膠對(duì)氣候的影響也依賴于氣溶膠與水汽的相互作用及其有效性。Khain et al.(2005)分析了云和降水在不同RH發(fā)展的試驗(yàn),他們的結(jié)果表明,氣溶膠對(duì)降水影響在很大程度上決定于RH。Altaratz et al.(2008)的模擬結(jié)果也表明,濕度和氣溶膠都影響著云體內(nèi)部和外部范圍,但影響方式不同,但他們只考慮了暖積云中濕度對(duì)氣溶膠效應(yīng)的影響,忽略了冰相過程。

由于緯度、地形、大氣環(huán)流等的影響,我國各地平均水汽含量的分布差異很大。鄒進(jìn)上和劉惠蘭(1981)指出,我國平均水汽含量南方大,西北方小,愈深入內(nèi)陸,水汽含量愈小。水汽含量的多少及其變化直接影響降水的形成,這也是造成我國降水南北差異的重要因子之一。盧萍等(2009)研究表明,初始水汽條件決定著降水強(qiáng)度。為考查我國南北方不同背景氣溶膠和濕度條件下,對(duì)流云的發(fā)生發(fā)展及其微物理過程和降水形成機(jī)理,本文采用二維混合相微物理分檔面對(duì)稱非靜力學(xué)模式,針對(duì)不同地區(qū)的氣溶膠顆粒物濃度、尺度譜分布及環(huán)境相對(duì)濕度,更細(xì)致地模擬氣溶膠對(duì)云和降水在不同環(huán)境相對(duì)濕度下的影響。本工作可以視為Yin et al.(2000)工作的繼續(xù)和延伸。

2 模式描述

本文采用以色列Tel Aviv大學(xué)的二維混合相微物理分檔面對(duì)稱非靜力學(xué)模式(Yin et al.,2000)。模式中的水平及垂直風(fēng)場(chǎng)由流函數(shù)和渦度方程計(jì)算得到,考慮了風(fēng)場(chǎng)、垂直位溫?cái)_動(dòng)、比濕擾動(dòng)、CCN濃度、各種水成物的比濃度及比質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)過程。模式中考慮的水成物主要有水滴、冰晶、霰、雪花4種,微物理過程詳見Yin et al.(2000)。各種水成物粒子均分為34檔,第2檔的水成物質(zhì)量為第1檔的2倍,依次類推。液、冰相的第1檔和最后1檔的質(zhì)量分別為0.159×10-13kg和0.174 68×10-3kg,對(duì)應(yīng)的直徑為3.125μm和8063μm。氣溶膠分為57檔,最小粒子半徑為0.004μm。模式分辨率為300 m×300 m,水平范圍為30 km,垂直為12 km,蒸凝過程時(shí)步為2.5 s,其他過程時(shí)步均為5 s,積分時(shí)間80 min。

3 模式初始化及數(shù)值試驗(yàn)

3.1 初始熱力學(xué)條件

大氣層結(jié)和氣溶膠對(duì)云和降水的發(fā)生發(fā)展均起重要作用。本文采用理想的探空曲線來描述夏季對(duì)流云的平均溫濕層結(jié)(Yin et al.,2002)(圖1),云底溫度8～10℃,云頂溫度-25℃。采用熱泡擾動(dòng)方式,在水平均一的初始環(huán)境場(chǎng)中觸發(fā)對(duì)流的產(chǎn)生,即在t=0時(shí),在水平區(qū)域中心600 m高度處加一個(gè)1℃的瞬間擾動(dòng),為了避免受邊界影響而引起計(jì)算不穩(wěn)定,取離地面最近格點(diǎn)為擾動(dòng)中心。由于探空曲線所表征的大氣狀況具有較弱的風(fēng)切變,本工作中尚未考慮環(huán)境風(fēng)切變的影響。

3.2 數(shù)值模擬方案

模擬中考慮了海洋性氣溶膠(簡稱MR)、清潔大陸性氣溶膠(簡稱CN)和污染大陸性氣溶膠(簡稱PC),在保證初始熱力和動(dòng)力條件不變的情況下,討論了三種不同背景氣溶膠下云的宏微觀結(jié)構(gòu)和降水的發(fā)展,MR、CN和PC中初始?xì)馊苣z總濃度分別為200 cm-3、1000 cm-3和3000 cm-3。假定氣溶膠標(biāo)高為2500 m,濃度隨高度呈e指數(shù)遞減。模式中不考慮氣溶膠粒子的化學(xué)成分,根據(jù)Take and Kuba(1982)研究,CCN的化學(xué)成分對(duì)云滴譜分布影響不大。假定所有氣溶膠都為水溶性的,CCN粒子化學(xué)組成為硫酸銨,與Yin et al.(2000)的研究一致。

圖1 模式所采用的溫度和露點(diǎn)垂直廓線Fig.1 Vertical profiles of temperature and dew point used in the model

為了考慮RH對(duì)積云發(fā)展的影響,保持其他初始條件不變,地面RH選擇50%、60%和70%,其中RH隨高度按同一比例變化,例如,地面RH為70%時(shí),1.5 km處RH為90%,討論三類云團(tuán)在不同RH下的宏微觀結(jié)構(gòu)及其降水演變規(guī)律,以及積云特性對(duì)氣溶膠和低層RH的不同敏感度。

4 結(jié)果分析

4.1 氣溶膠效應(yīng)

4.1.1 對(duì)云宏微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖2給出了MR、CN和PC三類云發(fā)展過程中云內(nèi)各參數(shù)隨時(shí)間的變化情況。從圖2a可以看出,在云形成和發(fā)展階段,三類云的最大上升速度基本一致,由于所有模擬采用相同的熱泡啟動(dòng)。28 min以后最大上升速度快速增加,是由于云滴凝結(jié)核化釋放潛熱導(dǎo)致對(duì)流增強(qiáng)。40 min時(shí)凝結(jié)率達(dá)最大,上升速度繼續(xù)增大是冰晶形成過程中釋放潛熱造成的。MR、CN和PC中最大上升速度分別為13.0 m/s、13.2 m/s和12.7 m/s,污染大陸性云中最大上升速度較小。Cui et al.(2006)分析指出,相對(duì)污染云中云滴較小,有利于云滴在云邊界處的蒸發(fā),使云的垂直發(fā)展受到限制。50～60 min之間出現(xiàn)顯著差異,MR和CN中首先出現(xiàn)小峰值,主要是因?yàn)橐旱蝺鼋Y(jié)和液滴與冰晶碰撞過程中不斷釋放潛熱。70 min以后的小幅度增加,是由于降水粒子沉降導(dǎo)致的下沉氣流,促發(fā)對(duì)流再次發(fā)展。

圖2 MR、CN、PC三類云中心各參數(shù)隨時(shí)間變化的情況:(a)最大上升速度;(b)最大雷達(dá)反射率;(c)最大液水含量;(d)液滴最大濃度(MNC);(e)冰晶最大含水量;(f)冰晶最大濃度(MWC);(g)霰粒最大含水量;(h)霰粒最大濃度Fig.2 Time evolutions of variables at the main updraft core in cases MR(marine aerosol),CN(clean continental aerosol),and PC(polluted continental aerosol):Maximum(a)vertical velocity and(b)reflectivity;(c)maximum liquid water content;maximum water contents(MWCs)for(e)ice crystals and(g)graupel particles;maximum number concentrations(MNCs)of(d)drops,(f)ice crystals,and(h)graupel particles

三類云都是在模擬初始化23 min以后開始迅速發(fā)展,43 min時(shí)MR中液水含量(LWC)首先達(dá)到最大值。在云發(fā)展階段,云中最大LWC相差不大(圖2c),PC中云滴數(shù)濃度大幅度增加(圖2d),是因?yàn)槲廴敬箨懶栽苾?nèi)較高的氣溶膠濃度導(dǎo)致更多云滴凝結(jié)。43 min后最大LWC開始減小,伴隨著冰晶和霰粒質(zhì)量的迅速增加,說明LWC向冰相過程轉(zhuǎn)變。由于大滴的碰撞和雨滴的形成,云滴數(shù)濃度快速減少,48 min時(shí)海洋性云最先開始降水(表1)。60 min以后最大LWC出現(xiàn)第二個(gè)峰值,此時(shí)云滴數(shù)濃度很小,對(duì)應(yīng)著最大降水率(表1)。

模擬34 min后冰晶開始形成,40 min之后冰晶質(zhì)量和濃度快速增長,在49 min時(shí)MR中冰晶數(shù)濃度首先達(dá)到峰值(圖2e和2f)。MR中冰晶質(zhì)量和濃度要高于PC,而CN介于兩者之間,這與不同云中生成冰晶的微物理過程不同有關(guān)。如表2,在海洋性云整個(gè)生命史中,冰晶形成以凝華過程為主,生成冰晶量為521 L-1,凍結(jié)過程只有在云的發(fā)展階段、上升氣流垂直速度較大時(shí)才產(chǎn)生較高的冰晶量(Yin et al,2002),共有24.5 L-1冰晶產(chǎn)生。對(duì)于污染大陸性云,凝結(jié)-凍結(jié)過程占主導(dǎo)地位,生成冰晶量為108 L-1,其次為凝華過程,生成冰晶量為40.0 L-1。在相同的初始條件下,40 min時(shí),MR、CN和PC對(duì)應(yīng)的冰面過飽和度分別為18.7%、16.7%和16.5%,MR中較低的云滴濃度導(dǎo)致較高的冰面過飽和度,有利于冰晶的核化和增長,PC中由于大量小云滴的產(chǎn)生和凝結(jié)增長消耗了云內(nèi)的大部分過飽和水汽,冰晶活化因此受到抑制,較多的小粒子隨上升氣流到達(dá)凍結(jié)層以上,凍結(jié)產(chǎn)生大量的冰晶。在清潔大陸性云中,冰晶開始形成時(shí)以凝華過程為主,最大生成率可達(dá)266.4 m-3/s,凝結(jié)凍結(jié)生成率不斷增加,在48 min時(shí)達(dá)最大184.9 m-3/s,隨后就迅速減小,仍以凝華過程為主,在云的整個(gè)生命史中,凝華和凝結(jié)—凍結(jié)過程冰晶生成量分別為62.5 L-1,53.0 L-1,冰晶總質(zhì)量最小。

分析霰粒增長的微物理過程,霰粒主要通過大滴凍結(jié)和液滴與冰晶碰撞生成的,如圖2g和2h所示,MR中霰粒大概在42 min開始形成,而CN為44 min,PC中最遲47 min,海洋性云中霰粒的提前出現(xiàn)是因?yàn)榇蟮蔚纳蓵r(shí)間早(Yin et al.,2000)。霰粒增長過程對(duì)過冷水滴的消耗使LWC迅速減小(圖2c),反過來有限的液滴含量又限制了霰粒質(zhì)量與濃度的增加。MR中霰粒質(zhì)量最大可達(dá)4.11 g/kg,遠(yuǎn)大于CN中的2.94 g/kg,但兩類云中霰粒數(shù)濃度卻十分接近,說明海洋性云中霰粒的粒徑尺度大于清潔大陸性云中。污染大陸性云中,冰晶尺度小,一個(gè)冰晶要吸附很多液滴才能轉(zhuǎn)換成霰粒,碰并效率低,使霰粒的質(zhì)量與濃度也因此維持低值,降水開始以后,霰粒數(shù)濃度基本不變,因?yàn)榱Ｗ影霃叫〔焕诔两刀鴾粼谠企w上部。

表1 MR、CN和PC三類云中心主要物理量的變化Table 1 The evolutions of the main parameters in cases MR,CN,and PC

表2 不同微物理過程中冰晶的生成率隨時(shí)間的變化(單位:m-3/s)Table 2 The maximum ice formation rate(m-3/s)at selected times in various microphysical processes

從雷達(dá)反射率隨時(shí)間的變化(圖2b)可以看出,MR中的雷達(dá)回波出現(xiàn)最早,55 min左右,即在云成熟階段,雷達(dá)回波強(qiáng)度最大,達(dá)到65.8 dBZ,回波頂最高,PC中出現(xiàn)最遲,最大雷達(dá)反射率為50.3 dBZ。在云發(fā)展和成熟階段,MR中能更有效地產(chǎn)生雨滴、冰晶和霰粒,導(dǎo)致MR中更強(qiáng)的總體雷達(dá)反射率,降水開始后,雷達(dá)反射率降低。

4.1.2 對(duì)地面降水過程的影響

圖3 MR、CN和PC個(gè)例中地面降水變化情況:(a)最大降水率隨時(shí)間變化;地面累積(b)降水量、(c)液相降水量、(d)冰相降水量Fig.3 (a)Time evolution of maximum precipitation rate,and the accumulated precipitation amount from(b)the total condensate,(c)liquid phase,and(d)ice phase in cases MR,CN,and PC

從圖3a中可以看出,MR中降水相對(duì)CN提早2 min,PC中降水會(huì)更晚一些,暖云降水和冷云降水類似(圖3c和3d)。隨著氣溶膠濃度的增加,最大降水率由268 mm/h下降到34.8 mm/h,地面累積降水量不斷減小(圖3d)。Jiang et al.(2006)研究表明,從清潔到污染情況下淺積云中氣溶膠濃度的增加能抑制降水。本文PC中幾乎沒有出現(xiàn)冰相降水,這是由于污染云中粒子尺度比較小,在降到地面之前已全部融化為液滴或蒸發(fā)。

4.1.3 對(duì)云中各水成物的質(zhì)量譜和濃度譜的影響

圖4、5、6給出不同云中模擬中心不同高度液滴和霰粒的質(zhì)量和濃度譜分布情況。在云底高度2.1 km附近,在云形成和發(fā)展階段(40 min),MR譜較寬,PC譜最窄,這說明初始?xì)馊苣z濃度的過量增加使得云滴的尺度變小,滴譜向小尺度方向移動(dòng)。上升速度達(dá)最大時(shí)(44 min),帶來豐沛水汽,促進(jìn)粒子凝結(jié)增長,質(zhì)量有所增加,MR中大粒子的增加,加速了碰并過程,使得降水粒子提前產(chǎn)生。Reisin et al.(1996)利用二維軸對(duì)稱積云模式模擬發(fā)現(xiàn),海洋性云能更有效地產(chǎn)生降水。到54 min時(shí)降水已開始,云滴群的碰并加速,小云滴質(zhì)量和濃度降低,達(dá)到降水尺度的液滴大為增加。

圖4 MR、CN、PC三類云中心2.1 km高度液滴的(a-c)質(zhì)量濃度(M)和(d-f)數(shù)濃度(N)譜分布。D:粒子直徑;X:水平范圍Fig.4 Distribution functions of(a-c)mass concentration(M)and(d-f)number concentration(N)of drops at 2.1-km height at different times at the cloud centers in cases MR,CN,and PC.D:particle diameter;X:horizontal extent

圖5 同圖4,但為6 km高度Fig.5 As in Fig.4,but at 6-km height

圖6 同圖4,但為6 km高度霰粒的質(zhì)量濃度(a-c)和數(shù)濃度(d-f)譜分布Fig.6 As in Fig.4,but for(a-c)mass concentration and(d-f)number concentration of graupel particles at 6-km height

在云頂高度6 km附近,隨著上升速度的增加,較多的小粒子被輸送到高層,MR和CN中較大的粒子(44min)不僅能收集小粒子,還能促進(jìn)冰相粒子的凍結(jié)和液滴-冰晶碰并過程。液滴凍結(jié)對(duì)大小很敏感,一旦被抬升到凍結(jié)層,大粒子首先凍結(jié)。如圖6a,云發(fā)展到44 min時(shí),PC中還沒有霰粒生成,說明MR和CN中大粒子的出現(xiàn)使霰粒提前生成。54 min降水開始后云內(nèi)小滴濃度略有回升(圖5b),MR和CN中霰粒的譜均增寬,對(duì)應(yīng)的質(zhì)量和濃度相應(yīng)增加,PC中的譜相對(duì)要窄(圖6b)。隨著降水的發(fā)展,小滴的碰并減少及大滴的降落,到60 min三類云中液滴的質(zhì)量譜和濃度譜峰值明顯減少。MR和CN中霰粒不斷融化,質(zhì)量和濃度減少,PC中霰粒質(zhì)量和濃度沒有發(fā)生明顯變化。由于PC中霰粒尺度小,不利于沉降而滯留在云上部?？梢?大滴的出現(xiàn)有利于霰粒的形成和增長,背景氣溶膠濃度越高,霰粒越不易形成,形成的粒子尺度越小。

4.2 環(huán)境空氣相對(duì)濕度的影響

為了研究不同RH下氣溶膠對(duì)云特性的影響,這里選擇了MR、CN和PC三種不同背景氣溶膠濃度,分析地面RH為50%、60%和70%時(shí)積云的發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r。

云發(fā)展受環(huán)境RH影響很大,如圖7給出了MR在地面RH分別為50%、60%和70%時(shí),液滴、冰晶和霰粒的質(zhì)量濃度以及二維風(fēng)場(chǎng)在不同時(shí)刻的空間分布。在干環(huán)境下,云發(fā)展緩慢,只有淺的暖積云生成。隨著RH的增加,云迅速發(fā)展為深對(duì)流云。云底高度隨RH增加略有降低,而云頂高度迅速抬升,范圍延伸(云底和云頂范圍定義為各水成物的混合比大于等于0.01 g/kg的高度范圍)。Altaratz et al.(2008)模擬指出,云頂對(duì)RH的變化非常敏感。模擬云中各水成物質(zhì)量濃度受低RH的限制,但在高RH下快速增長,其數(shù)濃度同樣隨著初始時(shí)刻RH的增大而增大(圖略)。RH從50%增大到70%,豐沛的水汽有利于云滴的凝結(jié)核化,使得RH為70%時(shí)云開始發(fā)展時(shí)間提早15 min。RH為70%時(shí),最大上升速度為17.8 m/s,對(duì)流發(fā)展劇烈,能把低層豐沛的水汽輸送到高層,冰相過程快速發(fā)展,云中霰粒較早形成,降水提前產(chǎn)生。

圖7 不同RH下MR云中液滴、霰粒和冰晶的質(zhì)量濃度以及二維風(fēng)場(chǎng)在36、44、50 min的空間分布(質(zhì)量混合比等值線分別為0.01、0.1、1、2、3、4 g/kg)Fig.7 Spatial distributions of mixing ratio for drops,graupel particles,and ice crystals,and wind vectors at time 36,44,and 50 min in case MR under different initial RH conditions(the contour values are 0.01,0.1,1,2,3,and 4 g/kg,respectively)

如圖8g,RH從50%增加到70%,液滴平均有效半徑只有小幅增加,但對(duì)氣溶膠濃度相當(dāng)。PC中平均有效半徑始終小于MR和CN,液滴大小由核化的液滴數(shù)量和云中過飽和度共同決定,而兩者具有相反的作用。云動(dòng)力過程隨RH變化非常明顯,如圖8h,最大上升速度隨RH增大快速增加,隨氣溶膠濃度變化只在濕空氣中表現(xiàn)明顯。濕空氣中更多的水汽能加速氣溶膠的凝結(jié)核化,增強(qiáng)氣溶膠對(duì)云微物理和動(dòng)力過程的影響。

三類云團(tuán)在不同RH下降水情況如圖9所示。在相同的初始熱力條件下,降水起始時(shí)間對(duì)RH非常敏感,氣溶膠影響相對(duì)較弱,Khain et al.(2005)發(fā)現(xiàn),大陸性云降水要比海洋性云有明顯的延遲。氣溶膠對(duì)最大降水率的影響在濕空氣中表現(xiàn)得更加明顯(圖9b),累計(jì)降水量受RH的影響同最大降水率類似,PC中降水最弱,同F(xiàn)an et al.(2007)結(jié)果一致。由此可見,濕環(huán)境為氣溶膠和降水之間的關(guān)系創(chuàng)造了有利條件。

圖8 不同RH下MR、CN、PC三類云中各參數(shù)的變化:(a)最大液水含量;(b)液滴最大濃度(MNC);(c)冰晶最大含水量(MWC);(d)冰晶最大濃度;(e)霰粒最大含水量;(f)霰粒最大濃度;(g)液滴平均有效半徑;(h)最大上升速度Fig.8 Variables in cases MR,CN,and PC under different RH conditions:(a)Maximum liquid water content;maximum water contents(MWCs)for(c)ice crystals and(e)graupel particles;maximum number concentrations(MNCs)of(b)drops,(d)ice crystals,and(f)graupel particles;(g)average effective radius;(h)maximum updraft

5 結(jié)論

圖9 不同RH下MR、CN、PC三類云中降水初始時(shí)間(a)和最大降水率(b)的變化Fig.9 (a)Rain initiating time and(b)maximum precipitation rate in cases MR,CN,and PC under different RH conditions

利用二維分檔云模式對(duì)氣溶膠顆粒物濃度和尺度譜分布對(duì)混合相對(duì)流云的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬,并重點(diǎn)討論了環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠效應(yīng)的影響。文中考慮了海洋性氣溶膠、清潔大陸性氣溶膠和污染大陸性氣溶膠,在初始熱力和動(dòng)力條件相同的情況下,云微物理特性和降水受氣溶膠濃度影響顯著。相對(duì)清潔的海洋性云中更有利于降水的形成,由于大粒子和較高的過飽和度,加速了云滴碰撞過程和冰粒子凝華增長,使得海洋性云能更有效地產(chǎn)生雨滴、冰晶和霰粒,形成更強(qiáng)的雷達(dá)反射率。隨著氣溶膠濃度的增加,比如在本文模擬的污染大陸性云中,氣溶膠濃度的增加將爭食有限的水汽,限制云滴的增長,生成的大粒子少且碰并效率低,不利于降水的形成,同時(shí)云滴的蒸發(fā)冷卻抑制了對(duì)流的發(fā)展。

氣溶膠對(duì)云宏微觀結(jié)構(gòu)和降水的影響很強(qiáng)地依賴于環(huán)境相對(duì)濕度,在濕空氣中表現(xiàn)得更加明顯。當(dāng)?shù)孛嫦鄬?duì)濕度從50%增大到70%時(shí),所模擬的云從淺對(duì)流泡發(fā)展為深對(duì)流云。從干空氣到濕空氣,冰相粒子出現(xiàn)的時(shí)間提前,增長加快,云砧范圍擴(kuò)大。云中各水成物的質(zhì)量和數(shù)濃度隨相對(duì)濕度的增加而增加,液滴數(shù)濃度和平均有效半徑對(duì)氣溶膠濃度更加敏感。氣溶膠對(duì)對(duì)流強(qiáng)度和降水強(qiáng)度的影響顯著,降水起始時(shí)間對(duì)相對(duì)濕度的變化比氣溶膠更敏感。

綜上所述,云特性和降水強(qiáng)度受氣溶膠濃度影響顯著,而初始大氣中水汽是否充沛,是影響云和降水的重要條件。我國南方的暖濕條件有利于對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和維持,氣溶膠效應(yīng)表現(xiàn)得更加顯著,尤其是在相對(duì)干凈的空氣中,更有利于降水的發(fā)生。這暗示了氣溶膠在潮濕海洋性環(huán)境中扮演重要的角色,在污染地區(qū),降水有所減少,而濕環(huán)境能加速云的發(fā)展和降水的形成。

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The Response of Convective Clouds to Aerosol and Relative Humidity:A Numerical Study

RONG Yanmin and YIN Yan

Key Laboratory for Atmospheric Physics and Environment of China Meteorological Administration,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing210044

Using a two-dimensional spectral resolving cloud model,the effects of number concentration and size distribution of aerosol particles and relative humidity on mixed-phase convective clouds are investigated,and the changes in aerosol's effects with relative humidity are discussed.The results show that,under the same initial thermodynamic and dynamic conditions,the clean maritime clouds produce raindrops,ice crystals,and graupel particles more effectively in both development and mature stages,resulting in a stronger radar reflectivity.With the increasing in aerosol number concentration,such as in the polluted continental clouds simulated here,excessive aerosol particles limit the growth of cloud droplets and the formation of precipitation particles.It is also found that the aerosol effect on cloud properties and precipitation is strongly dependent on the environmental relative humidity,that is,as rela-tive humidity increases from 50%to 70%at the surface,the cloud changes from shallow cumulus cell to a deep convective cloud.The aerosol effect is not as important in the dry air as in the humid air.This is consistent with the previous studies.The increase of relative humidity makes ice particles form earlier and grow faster,and the cloud anvil expands to a larger area.However,the rain initiating time is more sensitive to relative humidity than to aerosol particle concentration.

aerosol,microstructure of cloud,precipitation,relative humidity

1006-9895(2010)04-0815-12

P426

A

榮艷敏,銀燕.2010.對(duì)流云對(duì)大氣氣溶膠和相對(duì)濕度變化響應(yīng)的數(shù)值模擬[J].大氣科學(xué),34(4):815-826.Rong Yanmin,Yin Yan.2010.The response of convective clouds to aerosol and relative humidity:A numerical study[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese),34(4):815-826.

2009-08-19,2010-01-05收修定稿

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目2006CB403706,科技部公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)GYHY200706036,留學(xué)人員回國啟動(dòng)基金,江蘇省“333人才工程”項(xiàng)目

榮艷敏,女,1983年出生,碩士,主要研究方向?yàn)榇髿獬煞肿兓c區(qū)域氣候效應(yīng)。E-mail:minny-886@163.com

銀燕,E-mail:yinyan@nuist.edu.cn