论文总字数：16178字

目录

摘要： I

Abstract： II

1.绪论 1

2.模式介绍和试验设置 1

2.1 模式介绍 1

2.1.1 WRF模式 2

2.1.2 谱分档 2

2.2 实验内容 3

3.气溶胶对垂直速度影响的模拟研究 4

3.1 云量的变化特征 4

3.2 平均垂直速度的变化特征 6

3.2.1 云内平均垂直速度的变化特征 6

3.2.2 云内上升气流区域平均垂直速度的变化特征 9

3.2.3 云内下沉气流区域平均垂直速度的变化特征 14

3.3 垂直速度的频率分布特征 19

3.3.1 云内垂直速度的频率分布特征 19

3.3.2 代表高度上云内垂直速度的频率分布特征 20

3.4 浮力的变化特征 23

3.4.1 云内平均浮力的变化特征 24

3.4.2 云内潜热引起的平均浮力变化特征 27

3.4.3 云内平均液水负浮力的变化特征 29

4.结论 31

参考文献： 31

致谢 33

气溶胶对垂直速度影响的研究

唐锦鑫

,China

Abstract：

Aerosols can act as cloud condensed nucleus(CCN) to participate in cloud microphysical processes and affect the release and absorption of latent heat. Therefore, the change of aerosol concentration affects the vertical velocity,and thus affects the development and precipitation of warm clouds. This study employed WRF model coupled with the spectral bin microphysics to research the influence of aerosols on the development of warm cloud and the properties of vertical velocities.The following items have been investigated based on the simulations with 4 types of initial aerosol concentrations (500cm^-3,100cm^-3, 25cm^-3, 5cm^-3):the evolution of cloud fraction, the averaged vertical velocity over all cloudy area, updraft area,and downdraft area, and the frequency distribution of vertical velocity over all cloudy area and a given height to study the effect of aerosol concentration on vertical velocity in cloud.The results showed that, the cloud generate both stronger updrafts and downdrafts with enhanced aerosol loading, and meanwhile, the area with updraft and downdraft also increase with aerosols respectively. The analysis of buoyancy showed that, more aerosols led to enhanced latent heat release in the initial stage of cloud, which contributed to positive buoyancy and enhanced updrafts, whereas aerosols led to larger liquid water content in the mature stage and contributed to enhanced negative buoyancy, therefore generated stronger downdraft.

Key words：aerosol，vertical velocity，specctral bin，WRF model

1.绪论

气溶胶可作为云凝结核（CCN）影响云的形成和发展过程。大量的研究发现，对于暖云来说，气溶胶浓度越多，云滴数浓度越大，云滴尺度越小，凝结过程增强，并且由于受到抑制的碰并过程导致降水延迟并减少（Twomey.1977；Albrecht.1989；Khain et al.2005；Fan et al.2013）。

降水过程的变化会影响云中液水含量的大小，而液水的拖曳作用对垂直速度存在一定的影响。Storer和Van Den Heever对于深对流云的研究发现在污染环境中，强上升气流发生的频率增加，上升气流强度增强（Storer and Van Den Heever.2013）。

上升气流的增强反映了浮力的增加，浮力直接影响垂直速度的变化，而浮力主要由潜热引起的温度扰动和液水的负浮力所决定，因此，如果污染条件下受到促进的凝结过程引起释放潜热的增加，则意味着浮力增加，而浮力的增大会促使垂直速度增大。因此，初始气溶胶浓度的变化可能对暖云垂直速度的特征产生一定的影响。

本次实验通过研究4种不同气溶胶浓度（500cm^-3、100cm^-3、25cm^-3、5cm^-3）下的理想暖云云内云量、平均垂直速度的变化特征（包括云内平均垂直速度、上升气流区平均垂直速度和下沉气流区平均垂直速度）、云内垂直速度的频率分布（包括云内所有垂直速度的频率分布以及代表性高度上垂直速度的频率分布）以及云内浮力的变化特征来探索不同气溶胶浓度下垂直速度的变化。

2.模式介绍和试验设置

2.1 模式介绍

本文主要运用了WRF模式结合谱分档微物理方案，在X,Y,Z三个维度上分别有50个格点，每隔一分钟输出一次结果，模拟60分钟。本次实验模拟了4种不同的初始气溶胶浓度条件下暖云随时间的变化情况，初始气溶胶浓度分别是5cm^-3，25cm^-3，100cm^-3，500cm^-3。污染条件下气溶胶浓度为500 cm^-3，清洁条件下气溶胶浓度为100 cm^-3，比较清洁条件下气溶胶浓度为25 cm^-3，极度清洁气溶胶浓度为5 cm^-3。

2.1.1 WRF模式

天气研究与预报（WRF）模式是一种旨在满足大气研究和运行预测需求的数值天气预报（NWP）系统。该模式提供范围广泛的气象应用，范围从数米到数千公里。WRF模式允许研究人员进行反映真实数据（观测，分析）或理想大气条件的模拟。WRF模式提供了两个用于计算大气控制方程的动力解析器，分别称为WRF-ARW（高级研究WRF）和WRF-NMM（非静力中尺度模型），其中WRF（ARW）使用的是欧拉质量坐标，这一坐标是由NCAR所开发的；WRF（NMM）使用的是高度坐标，这一坐标是由NCEP所开发的。本次实验所用的是WRF（ARW）。

WRF有着许多通过不同的方式互相组合而成的物理参数化的方案选项，不论是简单有效，复杂多计算或是新开发的，以及广泛使用的参数化方案都有，包括微物理过程、长波短波辐射、地表过程、陆面过程、行星边界层、积云参数化以及其他物理方案等。

本研究采用谱分档微物理方案，由于考虑小尺度理想暖云的模拟，模式模拟过程中并未考虑积云参数化、辐射过程、陆面过程等过程。

2.1.2谱分档

本研究使用的谱分档微物理方案是由耶路撒冷希伯来大学开发的一种更先进的谱分档微物理云模型（HUCM），包括求解水滴和三种类型的冰晶（板，柱和树枝状）以及雪花，霰和冰雹/冰滴的尺寸分布函数的方程组（i=1，水滴；i=2-4，冰晶体；i=5，凝结；i=6，霰；i=7，冰雹/冰滴；i=8，云凝结核），由33个质量倍增的类别代表；由于本次实验是模拟的理想暖云，故对于冰相的粒子不予考虑。

对于液滴的成核，使用以观察或实验为依据的，其中是水的过饱和度，对于有核液滴的尺寸计算已经由Khain等人得出（Khain et al.2000）。对于融化过程，通过扩展Phillips等人的应用方案（Phillips et al.2003），在HUCM中实施了一个新的融化过程，该过程考虑了在融化过程中热量会扩散到融化的颗粒中，以及在熔化过程中颗粒的末速度的改变，以及在水的质量超过一定阈值情况下水的流出。液滴的扩散增长和蒸发过程计算由Pruppacher and Klett得出（Pruppacher and Klett.1997）。对于碰并的湍流效应，尽管在湍流/惯性效应方面存在显著的不确定性，但理论和实验结果表明，湍流中的碰撞速率可以比稳定大气高出几倍。Pinsky等人在研究的评估中考虑了对液滴内核碰撞的湍流影响（Pinsky et al. 1999, 2000)。对于碰并的解体，HUCM已经使用了一个新的碰并解体过程来描述较大雨滴的不稳定性和破碎。