暖云降水中巨核作用的數(shù)值模擬

暖云降水中巨核作用的數(shù)值模擬

1ccn和巨核的影響云滴經(jīng)驗(yàn)的初步延伸和云空氣的降水發(fā)展假設(shè)包括云破骨碎片i和云破骨碎片（或云破骨碎片）。Johnson(1979,1982)利用一個(gè)氣塊模式模擬了云滴通過碰并過程在氣溶膠粒子上增長(zhǎng)的過程,結(jié)果表明,一定量的GCCN的加入可以迅速提高降水尺度粒子的發(fā)展,甚至在膠性穩(wěn)定的大陸性云中也會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果。Woodcocketal.(1971)和Takahashi(1976)研究發(fā)現(xiàn),在海洋性云中,大的海鹽核對(duì)暖云降水的啟動(dòng)并沒有太大的貢獻(xiàn)。Feingoldetal.(1999)分別用氣塊模式、雙參數(shù)分檔的三維大尺度渦旋模式對(duì)海洋性層積云的發(fā)展進(jìn)行了模擬,研究巨核對(duì)層積云中毛毛雨形成的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)云凝結(jié)核(CCN)濃度在50～250cm-3時(shí),云中觀測(cè)到的巨核濃度在10-4cm-3到10-2cm-3,這個(gè)濃度就足以使本來沒有降水的層積云變成有降水的過程。在CCN濃度較低的情況下,巨核的加入對(duì)毛毛雨的形成過程影響不大,這也與早期研究清潔積云的結(jié)果是一致的。Yinetal.(2000)用一個(gè)二維粘性對(duì)稱模式對(duì)暖對(duì)流云的研究也得到了近似的結(jié)論,發(fā)現(xiàn)在CCN濃度為1700cm-3左右,巨核濃度在0.02cm-3的污染云中,降水過程比在CCN濃度為100cm-3,沒有巨核的清潔云中更容易啟動(dòng)。這個(gè)模擬結(jié)果得到了Eaganetal.(1974a,1974b)和Hindmanetal.(1977)關(guān)于造紙廠對(duì)云微結(jié)構(gòu)的影響的觀測(cè)研究和Rudichetal.(2002)關(guān)于鹽對(duì)咸海附近的云影響的觀測(cè)研究的證實(shí)。Wurzleretal.(2000)的研究結(jié)果表明,粒子表面覆裹了可溶性物質(zhì)的沙塵在云的形成過程中能促進(jìn)降水的形成。Rosenfeldetal.(2002)提出,巨核是控制降水的一個(gè)有效機(jī)制。數(shù)值試驗(yàn)表明,在細(xì)小核(<0.11μm)濃度較高的大陸性云中,大的云凝結(jié)核的出現(xiàn)會(huì)對(duì)降水形成產(chǎn)生很大影響。因?yàn)樵谠频撞课惠^大滴生長(zhǎng)的初期,較大的CCN能夠加強(qiáng)水滴之間的碰并作用。在細(xì)小核較少的海洋性云中,較大的CCN的影響就比較小,降水的形成發(fā)展主要決定于大云滴的數(shù)量。Khainetal.(2004)利用一個(gè)混合積云分檔模式研究了大氣氣溶膠粒子對(duì)對(duì)流云的影響。研究云的發(fā)展對(duì)巨核的敏感性必須考慮一系列非線性相關(guān)的過程,巨核對(duì)降水影響的定量研究是很困難的,目前的研究中還沒有考慮所有巨核影響參數(shù),對(duì)巨核的影響進(jìn)行定量分析的。巨核的重要性體現(xiàn)在用人工吸濕性核進(jìn)行播云催化以增加降水的試驗(yàn)中(例如,Hindmanetal.,1977;Cooperetal.,1997)。SaleebyandCotton(2005)研究分析了科羅拉多地區(qū)冬季CCN和巨核濃度變化對(duì)地形云和降水的影響,發(fā)現(xiàn)高濃度的CCN形成了大量的小的云滴,凇附過程減少,這與Borysetal.(2000,2003)的觀測(cè)結(jié)果是一致的。地面總降水量減少。當(dāng)CCN濃度較高時(shí),巨核濃度的增加會(huì)提高地面降水;而當(dāng)CCN濃度較低時(shí),巨核濃度的增加使地面降水減少。Cooperetal.(1997)和Yinetal.(2000)的研究對(duì)此也有詳細(xì)的闡述。在目前已有的較為成熟的中尺度模式(如MM5V3)中,云微物理過程的參數(shù)化方案采用的是總體水方案,可供選擇的云微物理過程參數(shù)化方案中沒有涉及氣溶膠—CCN—云(雨)的過程,其暖云方案中也沒有云滴、雨滴數(shù)濃度的預(yù)報(bào)量和尺度的診斷量。房文(2008)北京地區(qū)飛機(jī)觀測(cè)資料擬合的氣溶膠譜,模擬了北京地區(qū)2005年的4次降水過程,模擬區(qū)域覆蓋了飛機(jī)探測(cè)試驗(yàn)區(qū)。結(jié)果表明,耦合了新的暖云方案的區(qū)域模式不但能較好地模擬出環(huán)流場(chǎng),同時(shí)對(duì)降水時(shí)空分布的模擬也與觀測(cè)十分吻合。另外,模式模擬的云滴有效半徑也與觀測(cè)值較接近,但對(duì)云水的模擬高于觀測(cè)值。模式的結(jié)果證明了氣溶膠對(duì)云的間接影響。本文利用耦合了新的暖云微物理參數(shù)化方案的中尺度模式(ChenandLiu,2004;Fangetal.,2010),模擬了華北地區(qū)2005年6月25～26日的一次弱冷鋒過程,并以此研究了巨核的引入對(duì)不同背景氣溶膠條件下的暖云降水的影響。2云滴和雨間的增長(zhǎng)核函數(shù)—新雙參數(shù)暖云方案ChenandLamb(1994,1999)發(fā)展了一個(gè)包含詳細(xì)云微物理過程的分檔氣塊模式,利用Lee(1989,1992)的物理統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)分析了分檔氣塊模式的模擬結(jié)果,建立了一個(gè)新的雙參數(shù)的暖云微物理雙參數(shù)化方案(簡(jiǎn)稱C&L方案)(ChenandLiu,2004)。該方案先假定一個(gè)三模態(tài)的氣溶膠正態(tài)對(duì)數(shù)分布,然后考慮對(duì)流、擴(kuò)散、云滴和雨滴的核化(非核化)過程,再由氣溶膠質(zhì)量的預(yù)報(bào)量顯式地計(jì)算出氣溶膠的數(shù)濃度。在這個(gè)參數(shù)化方案中,不需要對(duì)粒子尺度做任何假設(shè),粒子的增長(zhǎng)公式也不必像在總體水方案中對(duì)增長(zhǎng)核函數(shù)要做簡(jiǎn)單化處理。因此,這樣的方案既有詳細(xì)氣塊模式對(duì)水成物描述的準(zhǔn)確性,又具備總體水方案計(jì)算效率高的特點(diǎn)。另外,該方案提供了一套計(jì)算群體落速、水成物沉降、雷達(dá)反射率以及云滴和雨滴的有效半徑的診斷公式,并采用模態(tài)法處理氣溶膠的分布。C&L方案中以半徑50μm為標(biāo)準(zhǔn)將水成物分為云滴和雨滴兩類。在ChenandLamb(1994)最早的模式中,所有的粒子,不論能充當(dāng)云凝結(jié)核(CCN)或直接成為雨滴胚的,或是霾和非吸濕性的氣溶膠粒子都用同樣的方法處理。因此,云滴和氣溶膠粒子的差別就不能直接反映出來。理論上,應(yīng)該用科勒曲線的臨界半徑來確定云凝結(jié)核(CCN)是否活化為云滴了,但是,一些尺度很大的CCN可能永遠(yuǎn)都不能達(dá)到它的臨界半徑,而只能以“大霾粒子”的形態(tài)存在。在云形成的初始階段,它們通常就已經(jīng)是最大的粒子,可以充當(dāng)雨滴胚(ChenandLamb,1999)。因此,在新方案中將云滴活化臨界半徑放寬到同時(shí)大于2.5μm和粒子的臨界半徑,還允許一些最大的CCN直接活化為雨滴。在新方案中,少量的雨滴(C&L方案中稱之為“雨胚”)在氣塊剛達(dá)到飽和就會(huì)即刻形成。而在傳統(tǒng)的總體水方案中,雨滴只能通過云雨自動(dòng)轉(zhuǎn)化過程形成。新的暖云方案中考慮的微物理過程有:云滴的活化,云雨滴通過水汽凝結(jié)、碰并和破碎而增長(zhǎng)等過程,具體有:(1)云滴通過水汽凝結(jié)的增長(zhǎng)過程;(2)雨滴通過水汽凝結(jié)的增長(zhǎng)過程;(3)云滴之間的碰并過程;(4)云雨滴的自動(dòng)轉(zhuǎn)化過程;(5)雨滴碰并云滴過程;(6)雨滴的碰并過程;(7)雨滴的碰撞—破碎過程;(8)雨滴破碎成形成云滴的過程;(9)云滴的退活化過程;(10)雨滴蒸發(fā)形成云滴的過程。3模擬測(cè)試3.1模式1:熔噴式水氣溶膠+深度輻射模型本文選擇了華北地區(qū)2005年6月25～26日的一次弱冷鋒過程的個(gè)例資料進(jìn)行了模擬。該弱冷鋒過程在北京地區(qū)較低對(duì)流層產(chǎn)生了薄的層云和弱的降水。模式采用的三套網(wǎng)格,采用了帶有平滑—非平滑開關(guān)的單點(diǎn)反饋雙重嵌套方案。模式頂設(shè)在100hPa,垂直分成24層,在自由大氣中垂直分辨率為500m左右,在邊界層約50～200m。模式在第一、二套(最外層和第二層)網(wǎng)格內(nèi)采用了Grell(1993)的積云參數(shù)化方案,關(guān)閉淺積云對(duì)流方案。實(shí)時(shí)輻射計(jì)算采用Dudhia(1989)的長(zhǎng)波和短波云方案,診斷計(jì)算用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)氣候模式(CCM3)的輻射方案。模式采用了美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)中期預(yù)報(bào)模式中采用的HongandPan(1996)的行星邊界層方案。五層土壤模式用于地面方案,對(duì)氣溶膠和云物質(zhì)也用了水平擴(kuò)散。模式用1°×1°NCEP格點(diǎn)再分析的資料啟動(dòng)運(yùn)行。采用新方案對(duì)該過程降水的模擬,參見Fangetal.(2010)。3.2氣溶膠分布的影響對(duì)2005年6月25～27日的個(gè)例,我們分別用Whitby(1978)根據(jù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)得出的清潔大陸背景下的氣溶膠分布、平均大陸背景下的氣溶膠分布和城市背景條件下的氣溶膠作為啟動(dòng)云形成發(fā)展過程,并進(jìn)而發(fā)展成為降水的初始場(chǎng)。三種氣溶膠分布的三模態(tài)參量列于表1中。圖1為三種氣溶膠分布下的數(shù)值模擬結(jié)果,模擬值是在第二套網(wǎng)格內(nèi)的平均。顯然,氣溶膠濃度越大,產(chǎn)生的云滴粒子在數(shù)濃度(Nc)和云水質(zhì)量(Qc)上也越多。例如,在云水最大的位置,清潔大陸背景、城市平均和飛機(jī)觀測(cè)值擬合的氣溶膠分布下模擬的云滴數(shù)濃度Nc分別為100cm-3、400cm-3、1200cm-3。云水混合比也表現(xiàn)了同樣的變化,只是數(shù)量上差別沒有Nc那么大,其對(duì)應(yīng)最大值分別為0.7g/kg、0.90g/kg、1.2g/kg。隨氣溶膠濃度的增加,云滴濃度增加,含水量增大,但云滴平均半徑減小。從圖1中可以看出,云滴粒子的有效半徑從清潔大陸背景的大于10μm減小到污染的北京地區(qū)的5μm左右。3.3云凝結(jié)核的雨胚活化在我們以清潔大陸氣溶膠分布啟動(dòng)模式的試驗(yàn)中,云滴數(shù)濃度大多數(shù)高于50cm-3,而云水含量類似于海洋層積云,這樣我們模擬的云仍在“巨CCN有效”的范圍之內(nèi)。為了考察巨核的作用,我們簡(jiǎn)單地將粗粒子模態(tài)的氣溶膠平均半徑改變到2.812μm,三種模態(tài)的氣溶膠數(shù)濃度都改變?yōu)?.5cm-3。計(jì)算結(jié)果表明,每升有50個(gè)可以成為雨滴胚的巨核,而用表1中的三種氣溶膠分布計(jì)算的結(jié)果,這樣的巨核每升少于0.5個(gè)。比較含有巨核和沒有巨核情況下的模擬結(jié)果,在三種氣溶膠分布背景下(清潔大陸、平均大陸和城市氣溶膠)的模擬結(jié)果展示在圖2中。為了說明巨核的作用,圖2給出的是含有巨核的模擬結(jié)果與沒有巨核的模擬結(jié)果的比值,是模擬不同氣溶膠分布背景下由于巨核的作用引起的柱積分云和雨特性隨時(shí)間的變化。要說明的是,60h以后的模擬值,實(shí)際上是沒有太多的意義,因?yàn)榇藭r(shí)云雨幾乎完全消散了。盡管巨核的數(shù)目比一般的云凝結(jié)核小幾個(gè)量級(jí),但是卻能產(chǎn)生更多的雨滴(圖2c),并在活化階段消耗更多水汽,這樣降低了空氣的過飽和度,也減少了較小尺度的氣溶膠活化變成云滴的機(jī)會(huì)(如圖2a所示)。這個(gè)概念已應(yīng)用于暖云催化,在暖云催化中播撒的人工巨核不僅促進(jìn)碰并也減少云滴數(shù)濃度,使活化的CCN長(zhǎng)得更大(Cooperetal.,1997;Matheretal.,1997)。Ghanetal.(1998)的研究中也發(fā)現(xiàn),大尺度氣溶膠(如海鹽)和小尺度氣溶膠(如硫酸鹽)之間對(duì)水汽的競(jìng)爭(zhēng)可以造成過飽和度降低和云滴數(shù)減少。當(dāng)云滴變得較大,云雨自動(dòng)轉(zhuǎn)化和碰并過程也可能增強(qiáng),就會(huì)進(jìn)一步使云滴數(shù)濃度減少。除這些作用之外,雨胚能通過碰并過程使云滴數(shù)濃度減少,但是在云形成后期,由于大多數(shù)巨核已由降雨沖刷落出,這個(gè)作用變得不是十分明顯。在圖2a中,在不同類型氣溶膠條件下模擬出的云滴數(shù)濃度的比值是很接近,盡管它們最初的云滴數(shù)濃度有明顯的差別(圖1a-c)。城市氣溶膠個(gè)例中,初始云滴數(shù)濃度最高,因而云滴數(shù)濃度減少的絕對(duì)值也是最顯著的。但是,到底是由于飽和度最大值較低引起活化過程減弱,云滴尺度的變大加強(qiáng)了碰并過程,還是由于更多的雨胚增強(qiáng)了碰并過程占主導(dǎo)作用,還不是十分清楚。巨核對(duì)減少云水作用較小,主要因?yàn)槎鄶?shù)這樣的雨胚很快耗盡,水汽的凝結(jié)過程再占優(yōu)勢(shì)。但是,我們注意到在模擬到35～45小時(shí)的時(shí)候,云已經(jīng)消散(見圖1),城市氣溶膠和平均大陸型氣溶膠分布背景條件下模擬結(jié)果出現(xiàn)較多的云水。這可能是因?yàn)榇笤频蔚恼舭l(fā)比小云滴慢,所以這段時(shí)間較多云水保持未蒸發(fā),也可能通過雨滴蒸發(fā)轉(zhuǎn)化成云滴,使得云水Qc增加,這從圖2b中同一時(shí)段云滴數(shù)濃度略微增加可以得到驗(yàn)證。巨核直接活化成為雨胚,產(chǎn)生大量雨滴(圖2c),從而在降水期的較早階段雨胚耗盡之前有較高的雨水含量和降水率。雨滴數(shù)目的增加與氣溶膠類型的關(guān)系不大,因?yàn)樵谌N氣溶膠分布背景下,巨核的數(shù)量設(shè)定為一樣多的。不過雨滴數(shù)濃度的確存在差異(見圖2c),這主要是因?yàn)楫?dāng)云滴尺度變大時(shí),云雨自動(dòng)轉(zhuǎn)化過程更為活躍。例如在模擬的最初5小時(shí)期間,巨核使云滴尺度增大大約1.35倍,使云滴尺度變大;在清潔大陸、平均大陸和城市氣溶膠分布背景下,云滴尺度分別從7μm增加到9.45μm、5μm增加到6.75μm以及從2.5μm增加到3.38μm。按C&L方案,云滴尺度每增加1μm,云雨自動(dòng)轉(zhuǎn)化率在云滴有效半徑re=3μm時(shí),增大80%左右;re=6.5μm時(shí),增大9%左右;re=10μm時(shí),增大15%左右。同時(shí)在城市氣溶膠背景(平均大陸)個(gè)例中,引起云雨自動(dòng)轉(zhuǎn)化過程的增強(qiáng)(減弱)。另外,在云水較少的城市氣溶膠的例子中對(duì)碰并過程的增強(qiáng)更有效,因?yàn)橛懈嘣扑驮频慰晒┡霾ⅰ?降水對(duì)巨核的影響總體看來,對(duì)三類氣溶膠分布,巨核的存在會(huì)略微增加降水(見圖2d-f)。城市氣溶膠中累積降水量可增加超過15%,而平均大陸性氣溶膠為5%左右。這個(gè)結(jié)果與Yinetal.(2000)相似,他們的結(jié)果表明暖云人工催化效果在污染環(huán)境中更顯著。然而,清潔大陸性氣溶膠中云水和云滴都較少,累積降水量增加15%左右,絕對(duì)值達(dá)0.28mm,比城市背景氣溶膠分布下的例子(累積降水量也增