气溶胶对新疆地区强对流降水的影响

论文总字数：19848字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1 引言 3

2 模式介绍 4

3 个例概况及模拟方案设计 5

4 模拟结果分析及讨论 6

4.1 气溶胶对降水分布的影响 6

4.2 气溶胶对区域累积降水量和降水率的影响 8

4.3 气溶胶对水成物分布的影响 9

4.3.1对云水和雨水的影响 10

4.3.2对冰晶、雪晶和霰的影响 11

4.4 各水成物源汇项分析 12

4.4.1 雨水的源汇项 12

4.4.2 冰晶的源汇项 13

4.4.3 雪晶的源汇项 13

4.4.3 霰的源汇项 14

5 结论 14

参考文献 15

致谢 17

气溶胶对新疆地区强对流降水的影响

吕游

，China

Abstract: The annual precipitation in North China and Northeast China has decreased in recent two or three decades. However, the precipitation in Northwest China has increased in these years, and this increase is mainly convective precipitation. In order to study the influence of aerosol on microphysical properties of convective clouds and precipitation in Northwest China, a convective process in the southern region of Xinjiang is numerically simulated in the different cases of number concentration of cloud condensation nuclei(CCN) by using the WRF(The Weather Research and Forecasting Model). The results of this simulation show that: (1) The increase of aerosol concentration makes the precipitation area move downstream. In the simulated area, the total precipitation increases with the increase of CCN concentration at first, and then decreases. (2) The increase of aerosol concentration decreases the efficiency of the coalescences of cloud droplets, but is conducive to enhance the efficiency of the homogeneous freezing of cloud droplets and the collection of cloud droplets by graupel. (3) the change of the ice-phase process in convective clouds (mainly the growth of graupel and snow) is the main reason for the differences of the accumulated precipitation among three trials. (4) The conversion rate of all the source of the rain drops increases with the increase of aerosol concentration.

Key words: Aerosol; Convective clouds; Cloud condensation nuclei; Microphysical processes；Precipitation

1 引言

大气气溶胶是悬浮在大气中的固态与液态颗粒物的统称，其质量只占其大气总质量的十亿分之一，但是它对于大气中的辐射传输、水分循环和能量交换过程起着至关重要的作用^[1,2]。特别是对于成云与降水过程来说，气溶胶微粒可以作为云凝结核和冰核参与云过程。当气溶胶充当云凝结核时，它对云微物理和降水过程有一系列影响，所以气溶胶改变云和降水的作用一直是云物理和气候变化的研究中最重要的问题之一。为此，国内外研究人员在气溶胶与云的相互作用方面做了很多模拟研究。迄今为止，大多数文章都表明，在云中增加云凝结核（CCN）的浓度会导致更高的云滴浓度^[3]、更小的云滴有效半径和更长的云寿命^[4,5]。

随着工业生产和社会经济的发展，人类向大气中排放了更多的污染物，这导致了大气气溶胶浓度的增加。Warner和Twomey^[6]研究了焚烧甘蔗杆对下风向地区降水量的影响。尽管给出了气溶胶对云特性改变的影响，但这个研究没能对焚烧甘蔗杆和降水量之间的联系得出确凿的结论^[7]。在其他研究中，比如Woodcock和Jones^[8]指出烟尘的影响并不能在统计学上解释降水的减少，并且其他一些因素（如气象条件）可能一直对观测到的变化起作用。

另一方面，在云-气溶胶系统中，天然来源CCN对云和降水有什么样的影响也引起了许多人的重视。Hobbs等^[9]和Hindman等^[10,11]报告指出，暖云中小浓度CCN巨核的增加会导致大液滴的形成，并且有可能导致降水增加。

许多研究人员对CCN浓度对降水的影响进行了模拟研究^[12-15]。所有这些研究表明，云凝结核浓度的增加对降水有抑制作用。添加小浓度的巨凝结核（GCCN）会提高层积云和积雨云的降水量^[12,13,15]。从上面的研究中可以明显看出，人为空气污染对降水的影响差异可能与污染粒子的特性（化学、 浓度及大小分布）差异有关。然而，这不能排除诸如气象条件之类的因素的影响。

此外，在评价气溶胶对云的影响时，应该考虑上游地区云中冰核（如矿物尘埃）的贡献。这种冰核浓度的增加会导致降水的增加或减少。Rosenfeld等^[16]指出，采用遥感观测，含大量CCN和冰核（IN）的沙尘暴会使云顶部的粒子的有效半径减小，也会使降水量减小。van den Heever等^[17]测试沙尘粒子作为GCCN和IN对佛罗里达大对流云系的影响。利用区域大气模式系统（RAMS）进行模拟，他们发现云区下的地面累积降水在有GCCN和（或）IN的情况下比清洁情况下要大。然而在模拟的最后，在清洁状况下累积降水量是最大的，气溶胶浓度的增加与地面降水量的减少密切相关。这些结果表明，沙尘改变了地面降水的时空分布。除了对降水量的影响，气溶胶也影响云的空间形态，如云量 （通常云的命名根据其空间形状） 和云的高度。利用MODIS数据，Koren等^[18]和Kaufman等^[19]指出，气溶胶光学厚度的增加对应着夏季几个月的大西洋上空的气溶胶浓度的增加，这会导致对流云和层云的高度和云量增加，并导致云滴有效半径的减少。

Ackerman等^[20]对印度洋上空的云进行了模拟，并且发现吸收性气溶胶浓度（如黑炭）的增加会使云量减少（半直接效应）。另一方面，Norris^[21]研究了在同一地区的历史天气记录，研究表明云量不受空气污染的影响。此外，Mcfarquhar等^[22]指出，在印度洋，污染云的云量和云顶高度低于原始情况下的云。

在上述提及的研究中，一些文章的结论明显相抵触，这说明在污染（即高气溶胶浓度条件下）对云形态和降水的影响等方面有许多问题需要解决。

Teller与Levin^[23]中的研究在这方面比较系统。他们利用特拉维夫大学的二维云模式对地中海地区同一个云模型用不同的方案（不同的CCN浓度和是否加入少量的GCCN与IN）进行了模拟。他们指出，在同一气象条件下，污染云（高CCN浓度）比清洁云（低CCN浓度）产生更少的降水，降水时间也更晚一些。污染云的寿命比清洁云更长。在同一CCN浓度下，加入少量GCCN会提高污染云的降水量，但对清洁云无影响。总体而言，GCCN带来的降水增加比因污染带来的降水减少要小很多。除此之外，污染云云顶高度比清洁云高。

大气热力稳定度与气溶胶对对流云系统的影响有密切关系。由于不同的地区大气稳定度与气溶胶浓度不同，气溶胶对降水等方面的影响可能随着地区的变化而变化。在混合相云中，大量的小云滴被上升气流运输到高空，并且通过微物理过程加强对降水的影响。降水量的多少与冰晶的核化与淞附和冰晶与液滴的下落速度等众多因素有关。气溶胶影响云中各种水凝物（液滴、冰晶、霰粒、雹和雪等）的生成效率，从而影响地面降水量^[24]。

冰雹云是发展得特别旺盛的对流云，是一种特殊的混合相云，具有粒子半径大、破坏力强的特点。气溶胶对对流云的影响过程，尤其是对我国半干旱地区的对流云宏观与微观结构的影响得到了国内一些研究人员的关注。其中，杨慧玲等人利用RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）数值模式，模拟不同CCN浓度对冰雹云降水与微物理过程的影响，并研究了气溶胶数浓度的改变对春季华北地区（模拟区域属于半干旱地区）一次大范围的降雹天气降水过程和云微物理特性的影响^[24-26]。模拟结果表明，气溶胶浓度的改变对云中的液态含水量的垂直方向的分布有显著影响。气溶胶浓度的增加可导致云中云滴数量增多，云滴尺度减小且容易被云中心的上升气流输送到更高的高度。气溶胶浓度的增加会导致雨滴浓度变小，但是雨滴尺度增大。相应的，当气溶胶浓度增加时，地面累积降水量减少。与清洁云相比，污染云的降水时间和区域平均降水率最大值出现的时间更早。

研究显示，近二、三十年来我国华北和东北地区年降水量有减少趋势，但我国西北地区降水在增加，而且增加的降水以对流性降水为主^[27]。为了了解大气气溶胶对我国西北地区对流云微物理特性和降水的影响，本文通过对2012年6月2日发生在我国新疆地区一次对流天气过程进行不同CCN数浓度下的模拟，以此来分析气溶胶浓度的改变对对流云的地面累积降水量、降水分布、云中水凝物分布及物理过程的影响。

2 模式介绍

本文采用WRF模式（The Weather Research and Forecasting Model），模拟CCN数浓度的改变对对流云的降水及云微物理过程的影响。本模式中的水平及垂直风场由流函数和涡度方程计算得出，考虑了风场、垂直位温扰动、比湿扰动、气压扰动和各种大气辐射过程。模拟微物理参数化方案采用Milbrandt 2-mon（MY）双参数方案，长波辐射采用RRTM长波辐射方案，短波辐射采用Dudhia方案，边界层方案采用Yonsei University方案。本模式对云微物理过程的模拟非常详尽，其中考虑的主要水成物有水汽、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、霰粒和雹粒。模拟过程中，考虑了蒸发、凝结、核化、碰并和云雨自动转化等物理过程，所以模式可以定量计算模拟过程中各个层次各种水成物的质量混合比与数浓度。Milbrandt 2-mon方案不仅对冰相水成物的种类描述的相对全面，而且对所有冰相水成物都采用了双参数方案。用此方案模拟的粒子谱演变更加接近自然变化，物理基础更为合理。因此，该模式适合研究气溶胶对对流云和降水的影响。

本文中的模拟采用三重嵌套，第一层模拟的水平格距为27000米，格点数为101×101；第二层模拟的水平格距是9000米，格点数是151×151；第三层模拟的水平格距是3000米，格点数是211×211。以此来对此次对流天气过程进行高分辨率的模拟。第一层模拟区域覆盖了我国西部地区、俄罗斯南部及中亚地区。第二层模拟区域覆盖了新疆大部分地区。第三层模拟区域覆盖了新疆西部地区。

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