氣溶膠濃度對暖云不同生長階段物理特征影響的模擬研究

余國行 楊素英 胡成戎 劉炫炫 李婭茹 龍祉怡

(南京信息工程大學,江蘇 南京 210044)

引言

大氣氣溶膠目前已經被公認為是影響氣候變化的最重要的因子之一[1-2]。雖然大氣氣溶膠在大氣中占有的比重很低，但其對于氣候的影響具有重要的研究意義。大氣中的氣溶膠不僅通過直接效應影響氣候，而且還會間接對氣候造成影響。 氣溶膠間接效應指當氣溶膠作為云凝結核或者冰核影響云和降水的生成與發展過程[3]，當前氣溶膠間接氣候效應存在很大不確定性[4-5]。國內外學者開展了大量有關氣溶膠對不同類型云和降水影響的研究，氣溶膠影響云降水過程的方式是通過影響云微物理過程和云中液滴粒徑大小進而影響云的生消演變。當前研究表明氣溶膠數濃度(Na)增大會導致云滴粒子尺度減小，云滴粒子譜變窄，抑制碰并過程，從而抑制暖性降水過程[6]。大氣中云凝結核(CCN)濃度增加引起小云滴數濃度(N)增加，碰并效率降低，抑制暖云降水[7]。Rosenfeld等[8]通過衛星觀測資料也證實增加沙塵氣溶膠使云滴半徑減小，抑制降水。另外，一些其他的觀測資料顯示增加氣溶膠濃度會抑制降水形成[9-12]。氣溶膠濃度增加后,因為活化產生了更多尺度較小的云滴,抑制了云雨的自動轉化,使大氣中滯留了更多的云水,暖云降水減小[13]；一些新的研究還提出了氣溶膠對云的“半直接效應”，如黑碳或煙塵等吸收性氣溶膠，由于具有較強的吸收太陽輻射并向外釋放熱輻射的能力，從而加熱大氣和云團，使得云滴蒸發，云量減少，云生命期縮短，云體平均反照率減小[14-15]。由此可見，氣候效應的不確定性受氣溶膠影響很大，因此研究氣溶膠對云微物理特征的影響十分有必要。但現有研究多將氣溶膠對云降水的影響作為一個整體來考慮，系統展開氣溶膠對云體不同發展過程影響的研究較少,而暖云不同發展階段云微物理特征區別較大。因此，基于以上研究背景，系統性開展氣溶膠濃度對暖云不同發展階段影響的研究非常必要。

云滴譜離散度(ε)是描述云微物理特征的重要參數。不同氣溶膠背景下發展出來的云體在不同發展階段云內ε有較大差異，而在中尺度模式中，ε與N的相關性關系不同對模式結果有較大影響[16]。當前對于非降水性暖云開展氣溶膠等因素對ε及ε-N相關關系的研究工作開展較多[17-20]，但是對于暖性降水云的研究開展相對不足。近十幾年來，國內外相繼開展一些研究工作，但由于研究地區不同、觀測實驗不同、模擬方法不同，ε-N的相關性關系存在很大的不確定性。觀測資料分析顯示，ε既有隨N增加而增加的[18]，也有隨N增加而減小的[19]，還有觀測研究表明ε隨著N的增加呈收斂趨勢[21]?，F有的N與ε之間的關系主要是基于觀測給出的相關性關系,所以進一步地給出ε與N的聯系很有必要。暖云是一種重要的降水云系，因此本文基于暖云為研究對象，通過微物理機制完善的云模式開展模擬研究，探討不同氣溶膠濃度對暖云微物理特征的影響并給出ε與N聯系的影響機制，該研究能夠為更好地評估氣溶膠的間接氣候效應和提高中尺度氣象模式及全球氣候模式的預報能力提供背景支持。

1 資料與方法

1.1 模式介紹

本文采用以色列特維拉夫大學研發的二維面對稱非靜力分檔氣溶膠—云模式(TAU-2D)研究不同氣溶膠背景對暖云不同發展階段微物理特征的影響。模式包含液滴(w)、冰晶(i)、雪花(s)及霰粒(g)4種水成物，考慮了比濕、各水成物的質量、垂直位溫擾動、CCN濃度等因素。利用渦度方程和流體函數求解風場的垂直和水平運動。

對于微物理過程，模式中分別考慮了暖云和冷云過程，暖云微物理過程包括：CCN的活化、凝結和蒸發、碰并和破碎機制，以及各種粒子的沉降過程。這些微物理過程均采用多維矩陣的方法通過動力學方程進行求解。關于云滴的活化，在空間上，特定尺度大小的CCN在過飽和度達到一定的閾值時活化為云滴，該臨界閾值由Kohler方程計算得到。模擬時模式中各種水成物粒子為34檔，第二檔的水成物質量為第一檔的兩倍，各相態粒子的第一檔和最后一檔的質量分別為0.1598×10-13kg和0.17468×10-3kg，對應的液滴直徑分別為3.12 μm和8063 μm。將氣溶膠分為 57檔，最小的半徑為0.0041 μm。

1.2 模式初始化

本次研究的模擬水平范圍為10 km，垂直高度為4 km，分辨率為200 m×200 m，模擬時長為60 min，從第8 min開始輸出數據，輸出間隔2 min。模式輸入探空廓線參考陳麗[22]使用的探空廓線并在此基礎上進行了小幅度修改(圖1)，保證模式能正常運行。所有模擬均采用同一探空廓線，以單獨考慮氣溶膠和地面熱力擾動對于暖云微物理特征的影響。模擬過程考慮了暖云增長過程中的核化、凝結和碰并的作用。模式采用熱泡啟動，通過在模式初始發展階段邊界設置2 ℃的擾動[23]來觸發熱泡對流。為了更符合實際氣溶膠譜分布特征，模式輸入的氣溶膠初始譜參考余欣洋[24]所使用的2011年6月黃山光明頂WPS觀測數據均值(圖2)。模式初始輸入云凝結核譜的獲得參考Yin等[25]研究，每一檔云凝結核數濃度是根據每一檔氣溶膠數濃度乘以每一檔氣溶膠可溶性化學組分的百分含量獲得的。參考王啟花[26]對黃山化學成分的分析，模擬的化學成分設置為硫酸銨，與Yin等[25]研究一致。蒸凝過程步長為2.5 s，其他過程均為5 s，積分時間為60 min。

圖1 模式初始化使用的溫度和露點溫度垂直分布曲線

圖2 模式初始化使用的初始氣溶膠譜

1.3 實驗方案設計

本文主要研究不同氣溶膠數濃度對暖云微物理特征的影響，氣溶膠數濃度采用黃山觀測資料平均值2789個·cm-3為基礎，并將其作為控制實驗(方案2)，在譜型不變的條件下將方案2對應的氣溶膠譜進行一定程度的縮放,選取三個氣溶膠數濃度279 個·cm-3、2789 個·cm-3和4185 個·cm-3分別代表清潔背景、平均背景和污染背景，地面熱力擾動為2 ℃進行方案設計。通過與控制實驗的模擬結果進行對比分析，探究背景氣溶膠數濃度對暖云微物理特征的影響特征。具體模擬方案設計如下：

方案1： 根據黃山觀測資料中給出的觀測獲得的氣溶膠平均譜并保持氣溶膠譜形狀不變的情況下，將數濃度縮小到原平均譜的1/10,即數濃度為279 個·cm-3后，熱力擾動設置為2 ℃作為模式啟動初始場；

方案2:根據黃山觀測資料中給出的觀測獲得的氣溶膠平均譜和平均濃度2789 個·cm-3作為氣溶膠初始場，熱力擾動強度設置為2 ℃作為初始場輸入到云模式；

方案3：在方案2基礎上保持氣溶膠譜形狀不變、熱力擾動強度保持不同的情況下，將數濃度增加至4185 個·cm-3后的初始場作為模式啟動初始場。

2 結果分析

2.1 暖云不同生長階段的確定

由圖3和圖4可知，在地面熱力擾動的作用下，模式啟動云體開始發展。從第10 min至第26 min，云頂高度由1.1 km發展到2.9 km，云厚從0.1 km增長至1.8 km，中心區域上升速度由1.34 m·s-1增長至6.99 m·s-1，液滴數濃度從100 個·cm-3增長至300 個·cm-3，液滴質量濃度由0.05 g·kg-1增長至1.70 g·kg-1。第10 min至第20 min時液滴數濃度迅速增長較液滴質量濃度增長緩慢，即云體內部主要是由于液滴的凝結效應起主導作用，在第20 min至第26 min時液滴數濃度進一步增大而液滴質量濃度增速也逐漸變大，這代表著凝結效應占主導地位以及碰并效應開始發生，將這凝結效應開始到碰并效應剛開始的這一時段定義為凝結階段。

圖3 方案2的液滴質量濃度在第10 min(a)、第20 min(b)、第26 min(c)、第28 min(d)、第30 min(e)、第34 min(f)、第36 min(g)、第40 min(h)和第54 min(i)隨時間的變化

圖4 方案2的液滴數濃度在第10 min(a)、第20 min(b)、第26 min(c)、第28 min(d)、第30 min(e)、第34min(f)、第36 min(g)、第40 min(h)和第54 min(i)隨時間的變化

從第28 min開始至第34 min，云頂高度從3.1 km發展至3.8 km處，云底高度從1.2 km上升至2.3 km處，云體厚度從1.9 km減至1.5 km，中心區域上升速度從7.47 m·s-1逐漸降低至4.23 m·s-1，其中第28 min時達到最大上升速度7.47 m·s-1，液滴數濃度從300 個·cm-3降至140 個·cm-3,液滴質量濃度從1.9 g·kg-1增長至2.5 g·kg-1，且中心液滴質量大值區不斷擴大。這段時間內液滴數濃度不斷降低但液滴質量濃度卻不斷增大，表明云內有強烈的碰并效應導致云滴因碰并而使得較大粒徑液滴的生成，同時液滴濃度明顯減小，將這一時段記為碰并階段。

第36 min開始至第54 min，云頂高度在第36 min時達到最高4 km，此時云厚2 km，云中液滴數濃度與質量濃度開始迅速降低，到第40 min時，液滴數濃度從100 個·cm-3降低至30 個·cm-3,液滴質量濃度從2.3 g·kg-1降至1.2 g·kg-1，下沉氣流逐漸成為主導氣流，中心區域氣流上升速度由2.21 m·s-1降低至0.78 m·s-1，云底的逐漸下降和中心區域上升氣流的降低表示云內較大的水成物粒子開始下沉，在其拖曳作用下，下沉氣流逐漸增強，使得云體下移，第40 min時云體接地，地面降水過程開始，并在第54 min結束地面降水，云體逐漸消散。在下沉氣流的影響下，距中心2 km、高度1 km處出現了二次云體。定義沉降開始至地面降水開始時段為沉降階段。為了消除下沉氣流引起二次云體生成對統計云微物理量造成的干擾，二次生成的云體不作為本文研究對象。

同理，統計了其他兩個方案中三個生長階段的具體開始時刻和持續時長，詳見表1。通過表1可以看出，在熱力擾動一定時方案1、方案2、方案3對比可知，Na越大，凝結增長和碰并增長所需時間就越長，沉降發生的時間越晚，地面降水開始的時間越晚(表1中沉降階段的時段中間數值)，沉降持續的時間則較短，說明隨著Na的增加N會增多，但是云滴尺度越小，發生碰并的時間越晚，這樣凝結增長持續時間越長，另外這種情況下云滴碰并增長的能力變差，云滴通過碰并增長成為雨滴的時間就越長，這樣導致高Na背景碰并的時長增加，降水開始的時刻就越晚，而此時雨滴的尺度越小，地面降水持續的時間越短。比如在方案3中沉降開始的時刻是第40 min，地面降水開始的時間是第44 min，地面降水持續12 min，而方案1中沉降開始時刻為第34 min，地面降水開始于第36 min，地面降水持續時長24 min。

表1 暖云演變階段的時間分布特征統計

2.2 Na對云滴濃度空間分布的影響

綜合圖5和圖6可以看出，在凝結階段(第18 min)云滴質量濃度較低，低于0.5 g·kg-1，Na的變化對該階段云滴質量濃度的影響差異不明顯，但是對該階段N的影響很大，Na越高N越高，但對最大數濃度和質量濃度出現的高度無影響，其中方案1最大云滴數濃度20—30 個·cm-3，方案2則為200 個·cm-3左右，方案3則為350 個·cm-3左右。由此可以看出，低氣溶膠濃度時云滴尺度比高氣溶膠濃度時尺度大，因此低氣溶膠背景形成的云滴間易于發生碰并增長，云體垂直發展旺盛，在第28 min時云滴質量濃度更高，但此時N低于第18 min時的濃度，說明已經發生碰并增長，碰并增長比高濃度氣溶膠背景形成的云更加旺盛，因此在第38 min時已經在地面產生降水，而隨著Na的增加云滴的碰并增長變弱，碰并增長成為雨滴的時長越長，地面降水發生的時刻越來越晚。綜上可見，Na明顯影響暖云不同生長階段的時長，同時對N和云滴平均尺度影響很大，進而對地面降水發生的時刻影響很大。當Na低時，液滴數濃度也比較低，云體發展更為迅速，降水發生更早，云體生命周期相對更短。Na較大時，由于水汽一定，初始液滴數濃度更多，平均液滴粒徑也就越小，云體發展成熟所需時間也就越長，形成降水的時刻就越晚。

圖5 方案1(a)、方案2(b)、方案(c)在第18 min，方案1(d)、方案2(e)、方案3(f)在第28 min,方案1(g)、方案2(h)、方案3(i)在第38 min以及方案1(j)、方案2(k)、方案3(l)在第44 min液滴質量濃度空間分布

圖6 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)在第18 min，方案1(d)、方案2(e)、方案3(f)在第28 min,方案1(g)、方案2(h)、方案3(i)在第38 min以及方案1(j)、方案2(k)、方案3(l)在第44 min液滴數濃度空間分布

2.3 Na對不同生長階段云物理特征影響

為了更好地研究氣溶膠對暖云的影響，排除暖云邊界夾卷效應的影響，本小節只選擇中心格點主上升氣流中心區域作為研究對象，探討氣溶膠對暖云不同發展階段的影響。從圖7可以看出，整體上中心區域上升氣流呈現先增大后迅速減小的趨勢，在云的中部均存在上升氣流的最大值。其中，凝結階段的上升速度相對較小，云體不厚，碰并階段云中氣流為上升氣流，且最大值發生在該階段，在沉降階段云中垂直上升氣流變弱，然后轉為下沉氣流，云體變薄。對比發現當Na增加時，云中的上升氣流隨著Na的增加而略減弱，原因可能是由于N高，在云中下落的過程中對上升氣流有拖曳作用，導致上升氣流略減少，而云中下沉氣流(沉降階段)則隨著Na的增加而略減弱，原因可能與云滴尺度大小有關。低氣溶膠背景的云滴尺度大，下落末速度大，云體下沉蒸發冷卻和云滴下落拖曳的共同作用更強即低氣溶膠背景時云體較低(1—2 km)，高氣溶膠背景此階段云體較高(2—3 km)。

從圖7可以看出，隨Na增大中心格點最大垂直上升速度逐漸減小且下沉氣流出現與維持的時間逐漸變短。從圖8可以看出，Na不同,液態水含量時空分布特征不同，最大值出現的高度存在差異，其中Na較低時，液態水含量最大值出現的高度明顯低于其他兩個方案，且出現在碰并階段，但數值大小相差不是很大，與圖7對照可以進一步看出，液態水最大值出現的高度在最大上升氣流之上。

圖7 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點的垂直速度的高度—時間變化特征

圖8 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)液態水含量的高度—時間變化特征

圖9給出了不同氣溶膠背景下主上升氣流中心區域碰并閾值隨時間和高度的變化特征。碰并閾值用來反映云中云滴間的碰并情況，碰并閾值處于0—1之間，數值越小越代表云中碰并發生的可能性小，反之越大時則發生碰并的可能性越大[27]。如圖9所示，方案1由于云體發展快，凝結增長作用較弱，很快進入了碰并階段，碰并閾值可以達到1附近，是由于本文定義的凝結階段是凝結增長起主要作用，同時碰并開始發揮其作用。而當Na增加時，通過討論方案2與方案3的結果對比給出。對方案2而言，凝結效應發生的高度范圍在1—2 km高度之間碰并閾值小，間接表明該階段主要以凝結增長為主，且在該階段的后期發生了一點碰并增長，而方案3凝結效應發生的高度范圍在1—2 km高度上，凝結增長的特征更為顯著，即Na越高暖云中凝結增長所需時間也就越長，凝結增長特征越顯著。

圖9 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景云中碰并閾值的高度—時間變化特征

圖10給出了不同氣溶膠背景下水平中心格點區域N隨時間和高度的變化特征。由圖10可知，N呈現出先增大后迅速減小的趨勢，而Na越大，N也就越高。同時還可以看出，在凝結階段N最高，然后隨著云體不斷增厚，云中上升氣流的不斷增強，云滴進入碰并增長，從圖中不同方案可以看出，碰并增長較凝結增長明顯降低了云滴的數濃度。隨著云滴的長大變為雨滴，云中進入沉降階段，由于雨滴的降落，云中N明顯變小。

圖10 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點區域N的高度—時間變化特征

ε為云滴譜標準差與云滴平均半徑的比值，描述云中云滴尺度分布均勻程度，數值越小，云滴尺度分布越均勻，反之越不均勻[28-29]。圖11給出了不同氣溶膠背景下水平中心區域云滴譜ε時間高度的分布,發現ε大值區一般出現在云底和云頂，云內ε一般較小，在0.3左右。Na較大時，云體最大ε普遍低于Na較小的個例，這是由于Na較高時，N較多，云滴譜較窄，云滴尺度分布的均勻性較好。同時還可以看出，在凝結階段ε隨高度總體上呈現由大變小的特征，而此時N隨高度的變化受Na的影響，其中低氣溶膠背景(方案1)呈現由多變少的特征，高氣溶膠背景(方案2和方案3)則表現為由少變多的特征，因此間接表明凝結階段，低氣溶膠背景下N和ε間呈現正相關關系，而高氣溶膠背景下兩者為負相關關系。在碰并階段，ε隨高度呈現由小變大的特征，說明碰并增長使得云滴譜不斷拓寬，云滴尺度的均勻性變差，ε增加，而此時N隨高度是減小的特征，因此在碰并階段ε與N的相關性關系為負相關，且隨著Na的增加，負相關程度減弱。沉降階段，ε隨時間增加，而N隨時間減少，此時N和ε間為負相關關系。

圖11 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點的ε的高度—時間變化特征

云中云滴半徑隨高度逐漸增加。最大云滴半徑出現在碰并階段，凝結階段和沉降階段的云滴尺度明顯小于碰并階段的。Na對云滴平均尺度的貢獻很大，云滴平均尺度基本上隨著Na的增加而減小。同時Na越大，云中最大云滴平均半徑出現的時間越晚，數值也就越小，其中方案1最大半徑為25 μm，方案2中則為13 μm附近，方案3中為10 μm左右(圖12)。

圖12 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點的云滴平均半徑的高度—時間變化特征

從圖13可以看出，Na會明顯影響云滴譜標準差，其中Na較低時云滴譜標準差明顯高于Na較高時產生的云滴譜標準差，原因是低氣溶膠背景云滴尺度較大，碰并增長發動較早，云滴譜拓寬明顯，云滴譜標準差較大，而當Na繼續增加后，云滴尺度變小，云滴間的碰并增長發動較晚，云滴譜因碰并增長而實現的滴譜拓寬變得較弱，因此云滴譜相對較窄，云滴譜標準差較小。但就方案2可以看出，碰并階段的云滴譜標準差強于凝結階段和沉降階段，說明凝結階段和沉降階段的云滴譜相對更窄，其中凝結階段在云體演變過程中云滴譜最窄。

圖13 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點的云滴譜標準差的高度—時間變化特征

綜合上述分析將不同方案和不同生長階段云物理量進行了特征統計得到表3。由表3可以看出，凝結階段云中最大上升速度隨著Na的增加而增大，原因是水汽凝結相變釋放潛熱，加熱云內空氣，促進上升氣流的進一步增強；在碰并階段,云中最大上升氣流則隨著Na的增加而緩慢減弱，原因是當Na增加時，形成的云滴尺度較小，在碰并過程中更多的云滴會在云中下落，會對上升氣流起到拖曳作用，因此最大上升氣流會隨Na的增加而略減弱；在沉降三階段中，最大上升速度隨Na的增加明顯減弱，原因是Na越高，N越大，形成的云滴越小，大量較小尺度的云滴拖曳造成云在后期云中上升速度較弱。同時從表中還可以看到液態水含量(LWC)、數濃度、平均半徑和標準差受Na的影響顯著，其中LWC在凝結階段隨著Na的增加而略增大，原因是LWC受上升氣流的影響顯著，上升速度越大，云中過飽和度越大，凝結的水汽量越高，云中N越高、云中液態水含量越高，但此時受凝結增長的機制限制，云滴譜越窄(標準差越小)，云滴平均尺度越??；在碰并階段，液態水含量受Na的影響不大，但仍會對N產生明顯的影響，其數值會隨著Na的增加而增大，此時云滴譜標準差、云滴平均半徑也會隨著Na的增加而減小。在沉降階段，由于云雨滴下落過程中碰并并脫離云體，云中N相對其他生長過程會大幅度減少，但會隨Na的增加而增多。LWC、云滴平均半徑以及標準差也存在隨Na的增加而減小的特征。但云滴譜ε隨Na的變化特征并不是很明顯，其還會受到其他因素的影響，比如云中垂直氣流不同的特征、不同生長階段維持的時間等都有可能對云滴譜ε產生影響。

表3 不同氣溶膠背景下不同生長階段云物理量統計特征

Na影響云滴譜的分布特征明顯，從圖14可以看出，低氣溶膠背景下云滴譜更寬，比如碰并階段的最大云滴半徑可以達到20 μm，而方案2和方案3分別為16 μm和15 μm，說明高氣溶膠背景云滴碰并增長偏弱，云滴譜拓寬不明顯。凝結階段受Na的影響特征與碰并階段類似。同時從同一個方案不同生長階段的云滴譜進行對比也能發現，受凝結增長機制的控制，該階段云滴譜較窄，隨著碰并的發生，云滴譜拓寬，因此碰并階段的云滴譜明顯寬于凝結階段，這與張晉廣等[30]的觀測分析結果一致。沉降階段由于云體下沉蒸發作用，云滴變小，N變少，特別是小尺度云滴變少特別明顯，滴譜相對碰并階段反而有一定的拓寬，該拓寬是通過減少小尺度云滴來實現的。

圖14 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同方案各階段云滴譜變化特征

3 結論

(1)Na越低，云滴尺度越大，碰并增長發動越早，云滴譜拓寬更明顯，云滴譜標準差越大，云體發展越迅速，降水發生更早，云體生命周期越短； 而Na越高，云滴尺度也越小，碰并增長發動越晚，云滴譜拓寬變得越弱，云滴譜相對較窄，云滴譜標準差較小，云體發展更緩慢，形成降水的時刻也更晚，云體生命周期也越長。

(2)在暖云的生長演變不同階段中由于受不同機制影響，碰并階段云滴譜較凝結階段更寬，沉降階段由于云體下沉蒸發作用導致小尺度云滴減少進而導致云滴譜較碰并階段略有拓寬。在凝結階段，低Na時ε-N呈現正相關關系，而高Na時ε-N兩者為負相關關系；在碰并階段ε-N關系為負相關，且隨著Na增大，負相關程度減弱；在沉降階段，ε-N則呈現負相關關系。