气溶胶浓度对暖云不同生长阶段物理特征影响的模拟研究

余国行 杨素英 胡成戎 刘炫炫 李娅茹 龙祉怡

(南京信息工程大学,江苏 南京 210044)

引言

大气气溶胶目前已经被公认为是影响气候变化的最重要的因子之一[1-2]。虽然大气气溶胶在大气中占有的比重很低，但其对于气候的影响具有重要的研究意义。大气中的气溶胶不仅通过直接效应影响气候，而且还会间接对气候造成影响。 气溶胶间接效应指当气溶胶作为云凝结核或者冰核影响云和降水的生成与发展过程[3]，当前气溶胶间接气候效应存在很大不确定性[4-5]。国内外学者开展了大量有关气溶胶对不同类型云和降水影响的研究，气溶胶影响云降水过程的方式是通过影响云微物理过程和云中液滴粒径大小进而影响云的生消演变。当前研究表明气溶胶数浓度(Na)增大会导致云滴粒子尺度减小，云滴粒子谱变窄，抑制碰并过程，从而抑制暖性降水过程[6]。大气中云凝结核(CCN)浓度增加引起小云滴数浓度(N)增加，碰并效率降低，抑制暖云降水[7]。Rosenfeld等[8]通过卫星观测资料也证实增加沙尘气溶胶使云滴半径减小，抑制降水。另外，一些其他的观测资料显示增加气溶胶浓度会抑制降水形成[9-12]。气溶胶浓度增加后,因为活化产生了更多尺度较小的云滴,抑制了云雨的自动转化,使大气中滞留了更多的云水,暖云降水减小[13]；一些新的研究还提出了气溶胶对云的“半直接效应”，如黑碳或烟尘等吸收性气溶胶，由于具有较强的吸收太阳辐射并向外释放热辐射的能力，从而加热大气和云团，使得云滴蒸发，云量减少，云生命期缩短，云体平均反照率减小[14-15]。由此可见，气候效应的不确定性受气溶胶影响很大，因此研究气溶胶对云微物理特征的影响十分有必要。但现有研究多将气溶胶对云降水的影响作为一个整体来考虑，系统展开气溶胶对云体不同发展过程影响的研究较少,而暖云不同发展阶段云微物理特征区别较大。因此，基于以上研究背景，系统性开展气溶胶浓度对暖云不同发展阶段影响的研究非常必要。

云滴谱离散度(ε)是描述云微物理特征的重要参数。不同气溶胶背景下发展出来的云体在不同发展阶段云内ε有较大差异，而在中尺度模式中，ε与N的相关性关系不同对模式结果有较大影响[16]。当前对于非降水性暖云开展气溶胶等因素对ε及ε-N相关关系的研究工作开展较多[17-20]，但是对于暖性降水云的研究开展相对不足。近十几年来，国内外相继开展一些研究工作，但由于研究地区不同、观测实验不同、模拟方法不同，ε-N的相关性关系存在很大的不确定性。观测资料分析显示，ε既有随N增加而增加的[18]，也有随N增加而减小的[19]，还有观测研究表明ε随着N的增加呈收敛趋势[21]。现有的N与ε之间的关系主要是基于观测给出的相关性关系,所以进一步地给出ε与N的联系很有必要。暖云是一种重要的降水云系，因此本文基于暖云为研究对象，通过微物理机制完善的云模式开展模拟研究，探讨不同气溶胶浓度对暖云微物理特征的影响并给出ε与N联系的影响机制，该研究能够为更好地评估气溶胶的间接气候效应和提高中尺度气象模式及全球气候模式的预报能力提供背景支持。

1 资料与方法

1.1 模式介绍

本文采用以色列特维拉夫大学研发的二维面对称非静力分档气溶胶—云模式(TAU-2D)研究不同气溶胶背景对暖云不同发展阶段微物理特征的影响。模式包含液滴(w)、冰晶(i)、雪花(s)及霰粒(g)4种水成物，考虑了比湿、各水成物的质量、垂直位温扰动、CCN浓度等因素。利用涡度方程和流体函数求解风场的垂直和水平运动。

对于微物理过程，模式中分别考虑了暖云和冷云过程，暖云微物理过程包括：CCN的活化、凝结和蒸发、碰并和破碎机制，以及各种粒子的沉降过程。这些微物理过程均采用多维矩阵的方法通过动力学方程进行求解。关于云滴的活化，在空间上，特定尺度大小的CCN在过饱和度达到一定的阈值时活化为云滴，该临界阈值由Kohler方程计算得到。模拟时模式中各种水成物粒子为34档，第二档的水成物质量为第一档的两倍，各相态粒子的第一档和最后一档的质量分别为0.1598×10-13kg和0.17468×10-3kg，对应的液滴直径分别为3.12 μm和8063 μm。将气溶胶分为 57档，最小的半径为0.0041 μm。

1.2 模式初始化

本次研究的模拟水平范围为10 km，垂直高度为4 km，分辨率为200 m×200 m，模拟时长为60 min，从第8 min开始输出数据，输出间隔2 min。模式输入探空廓线参考陈丽[22]使用的探空廓线并在此基础上进行了小幅度修改(图1)，保证模式能正常运行。所有模拟均采用同一探空廓线，以单独考虑气溶胶和地面热力扰动对于暖云微物理特征的影响。模拟过程考虑了暖云增长过程中的核化、凝结和碰并的作用。模式采用热泡启动，通过在模式初始发展阶段边界设置2 ℃的扰动[23]来触发热泡对流。为了更符合实际气溶胶谱分布特征，模式输入的气溶胶初始谱参考余欣洋[24]所使用的2011年6月黄山光明顶WPS观测数据均值(图2)。模式初始输入云凝结核谱的获得参考Yin等[25]研究，每一档云凝结核数浓度是根据每一档气溶胶数浓度乘以每一档气溶胶可溶性化学组分的百分含量获得的。参考王启花[26]对黄山化学成分的分析，模拟的化学成分设置为硫酸铵，与Yin等[25]研究一致。蒸凝过程步长为2.5 s，其他过程均为5 s，积分时间为60 min。

图1 模式初始化使用的温度和露点温度垂直分布曲线

图2 模式初始化使用的初始气溶胶谱

1.3 实验方案设计

本文主要研究不同气溶胶数浓度对暖云微物理特征的影响，气溶胶数浓度采用黄山观测资料平均值2789个·cm-3为基础，并将其作为控制实验(方案2)，在谱型不变的条件下将方案2对应的气溶胶谱进行一定程度的缩放,选取三个气溶胶数浓度279 个·cm-3、2789 个·cm-3和4185 个·cm-3分别代表清洁背景、平均背景和污染背景，地面热力扰动为2 ℃进行方案设计。通过与控制实验的模拟结果进行对比分析，探究背景气溶胶数浓度对暖云微物理特征的影响特征。具体模拟方案设计如下：

方案1： 根据黄山观测资料中给出的观测获得的气溶胶平均谱并保持气溶胶谱形状不变的情况下，将数浓度缩小到原平均谱的1/10,即数浓度为279 个·cm-3后，热力扰动设置为2 ℃作为模式启动初始场；

方案2:根据黄山观测资料中给出的观测获得的气溶胶平均谱和平均浓度2789 个·cm-3作为气溶胶初始场，热力扰动强度设置为2 ℃作为初始场输入到云模式；

方案3：在方案2基础上保持气溶胶谱形状不变、热力扰动强度保持不同的情况下，将数浓度增加至4185 个·cm-3后的初始场作为模式启动初始场。

2 结果分析

2.1 暖云不同生长阶段的确定

由图3和图4可知，在地面热力扰动的作用下，模式启动云体开始发展。从第10 min至第26 min，云顶高度由1.1 km发展到2.9 km，云厚从0.1 km增长至1.8 km，中心区域上升速度由1.34 m·s-1增长至6.99 m·s-1，液滴数浓度从100 个·cm-3增长至300 个·cm-3，液滴质量浓度由0.05 g·kg-1增长至1.70 g·kg-1。第10 min至第20 min时液滴数浓度迅速增长较液滴质量浓度增长缓慢，即云体内部主要是由于液滴的凝结效应起主导作用，在第20 min至第26 min时液滴数浓度进一步增大而液滴质量浓度增速也逐渐变大，这代表着凝结效应占主导地位以及碰并效应开始发生，将这凝结效应开始到碰并效应刚开始的这一时段定义为凝结阶段。

图3 方案2的液滴质量浓度在第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)随时间的变化

图4 方案2的液滴数浓度在第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)随时间的变化

从第28 min开始至第34 min，云顶高度从3.1 km发展至3.8 km处，云底高度从1.2 km上升至2.3 km处，云体厚度从1.9 km减至1.5 km，中心区域上升速度从7.47 m·s-1逐渐降低至4.23 m·s-1，其中第28 min时达到最大上升速度7.47 m·s-1，液滴数浓度从300 个·cm-3降至140 个·cm-3,液滴质量浓度从1.9 g·kg-1增长至2.5 g·kg-1，且中心液滴质量大值区不断扩大。这段时间内液滴数浓度不断降低但液滴质量浓度却不断增大，表明云内有强烈的碰并效应导致云滴因碰并而使得较大粒径液滴的生成，同时液滴浓度明显减小，将这一时段记为碰并阶段。

第36 min开始至第54 min，云顶高度在第36 min时达到最高4 km，此时云厚2 km，云中液滴数浓度与质量浓度开始迅速降低，到第40 min时，液滴数浓度从100 个·cm-3降低至30 个·cm-3,液滴质量浓度从2.3 g·kg-1降至1.2 g·kg-1，下沉气流逐渐成为主导气流，中心区域气流上升速度由2.21 m·s-1降低至0.78 m·s-1，云底的逐渐下降和中心区域上升气流的降低表示云内较大的水成物粒子开始下沉，在其拖曳作用下，下沉气流逐渐增强，使得云体下移，第40 min时云体接地，地面降水过程开始，并在第54 min结束地面降水，云体逐渐消散。在下沉气流的影响下，距中心2 km、高度1 km处出现了二次云体。定义沉降开始至地面降水开始时段为沉降阶段。为了消除下沉气流引起二次云体生成对统计云微物理量造成的干扰，二次生成的云体不作为本文研究对象。

同理，统计了其他两个方案中三个生长阶段的具体开始时刻和持续时长，详见表1。通过表1可以看出，在热力扰动一定时方案1、方案2、方案3对比可知，Na越大，凝结增长和碰并增长所需时间就越长，沉降发生的时间越晚，地面降水开始的时间越晚(表1中沉降阶段的时段中间数值)，沉降持续的时间则较短，说明随着Na的增加N会增多，但是云滴尺度越小，发生碰并的时间越晚，这样凝结增长持续时间越长，另外这种情况下云滴碰并增长的能力变差，云滴通过碰并增长成为雨滴的时间就越长，这样导致高Na背景碰并的时长增加，降水开始的时刻就越晚，而此时雨滴的尺度越小，地面降水持续的时间越短。比如在方案3中沉降开始的时刻是第40 min，地面降水开始的时间是第44 min，地面降水持续12 min，而方案1中沉降开始时刻为第34 min，地面降水开始于第36 min，地面降水持续时长24 min。

表1 暖云演变阶段的时间分布特征统计

2.2 Na对云滴浓度空间分布的影响

综合图5和图6可以看出，在凝结阶段(第18 min)云滴质量浓度较低，低于0.5 g·kg-1，Na的变化对该阶段云滴质量浓度的影响差异不明显，但是对该阶段N的影响很大，Na越高N越高，但对最大数浓度和质量浓度出现的高度无影响，其中方案1最大云滴数浓度20—30 个·cm-3，方案2则为200 个·cm-3左右，方案3则为350 个·cm-3左右。由此可以看出，低气溶胶浓度时云滴尺度比高气溶胶浓度时尺度大，因此低气溶胶背景形成的云滴间易于发生碰并增长，云体垂直发展旺盛，在第28 min时云滴质量浓度更高，但此时N低于第18 min时的浓度，说明已经发生碰并增长，碰并增长比高浓度气溶胶背景形成的云更加旺盛，因此在第38 min时已经在地面产生降水，而随着Na的增加云滴的碰并增长变弱，碰并增长成为雨滴的时长越长，地面降水发生的时刻越来越晚。综上可见，Na明显影响暖云不同生长阶段的时长，同时对N和云滴平均尺度影响很大，进而对地面降水发生的时刻影响很大。当Na低时，液滴数浓度也比较低，云体发展更为迅速，降水发生更早，云体生命周期相对更短。Na较大时，由于水汽一定，初始液滴数浓度更多，平均液滴粒径也就越小，云体发展成熟所需时间也就越长，形成降水的时刻就越晚。

图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液滴质量浓度空间分布

图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液滴数浓度空间分布

2.3 Na对不同生长阶段云物理特征影响

为了更好地研究气溶胶对暖云的影响，排除暖云边界夹卷效应的影响，本小节只选择中心格点主上升气流中心区域作为研究对象，探讨气溶胶对暖云不同发展阶段的影响。从图7可以看出，整体上中心区域上升气流呈现先增大后迅速减小的趋势，在云的中部均存在上升气流的最大值。其中，凝结阶段的上升速度相对较小，云体不厚，碰并阶段云中气流为上升气流，且最大值发生在该阶段，在沉降阶段云中垂直上升气流变弱，然后转为下沉气流，云体变薄。对比发现当Na增加时，云中的上升气流随着Na的增加而略减弱，原因可能是由于N高，在云中下落的过程中对上升气流有拖曳作用，导致上升气流略减少，而云中下沉气流(沉降阶段)则随着Na的增加而略减弱，原因可能与云滴尺度大小有关。低气溶胶背景的云滴尺度大，下落末速度大，云体下沉蒸发冷却和云滴下落拖曳的共同作用更强即低气溶胶背景时云体较低(1—2 km)，高气溶胶背景此阶段云体较高(2—3 km)。

从图7可以看出，随Na增大中心格点最大垂直上升速度逐渐减小且下沉气流出现与维持的时间逐渐变短。从图8可以看出，Na不同,液态水含量时空分布特征不同，最大值出现的高度存在差异，其中Na较低时，液态水含量最大值出现的高度明显低于其他两个方案，且出现在碰并阶段，但数值大小相差不是很大，与图7对照可以进一步看出，液态水最大值出现的高度在最大上升气流之上。

图7 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同气溶胶背景水平中心格点的垂直速度的高度—时间变化特征

图8 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)液态水含量的高度—时间变化特征

图9给出了不同气溶胶背景下主上升气流中心区域碰并阈值随时间和高度的变化特征。碰并阈值用来反映云中云滴间的碰并情况，碰并阈值处于0—1之间，数值越小越代表云中碰并发生的可能性小，反之越大时则发生碰并的可能性越大[27]。如图9所示，方案1由于云体发展快，凝结增长作用较弱，很快进入了碰并阶段，碰并阈值可以达到1附近，是由于本文定义的凝结阶段是凝结增长起主要作用，同时碰并开始发挥其作用。而当Na增加时，通过讨论方案2与方案3的结果对比给出。对方案2而言，凝结效应发生的高度范围在1—2 km高度之间碰并阈值小，间接表明该阶段主要以凝结增长为主，且在该阶段的后期发生了一点碰并增长，而方案3凝结效应发生的高度范围在1—2 km高度上，凝结增长的特征更为显著，即Na越高暖云中凝结增长所需时间也就越长，凝结增长特征越显著。

图9 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同气溶胶背景云中碰并阈值的高度—时间变化特征

图10给出了不同气溶胶背景下水平中心格点区域N随时间和高度的变化特征。由图10可知，N呈现出先增大后迅速减小的趋势，而Na越大，N也就越高。同时还可以看出，在凝结阶段N最高，然后随着云体不断增厚，云中上升气流的不断增强，云滴进入碰并增长，从图中不同方案可以看出，碰并增长较凝结增长明显降低了云滴的数浓度。随着云滴的长大变为雨滴，云中进入沉降阶段，由于雨滴的降落，云中N明显变小。

图10 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同气溶胶背景水平中心格点区域N的高度—时间变化特征

ε为云滴谱标准差与云滴平均半径的比值，描述云中云滴尺度分布均匀程度，数值越小，云滴尺度分布越均匀，反之越不均匀[28-29]。图11给出了不同气溶胶背景下水平中心区域云滴谱ε时间高度的分布,发现ε大值区一般出现在云底和云顶，云内ε一般较小，在0.3左右。Na较大时，云体最大ε普遍低于Na较小的个例，这是由于Na较高时，N较多，云滴谱较窄，云滴尺度分布的均匀性较好。同时还可以看出，在凝结阶段ε随高度总体上呈现由大变小的特征，而此时N随高度的变化受Na的影响，其中低气溶胶背景(方案1)呈现由多变少的特征，高气溶胶背景(方案2和方案3)则表现为由少变多的特征，因此间接表明凝结阶段，低气溶胶背景下N和ε间呈现正相关关系，而高气溶胶背景下两者为负相关关系。在碰并阶段，ε随高度呈现由小变大的特征，说明碰并增长使得云滴谱不断拓宽，云滴尺度的均匀性变差，ε增加，而此时N随高度是减小的特征，因此在碰并阶段ε与N的相关性关系为负相关，且随着Na的增加，负相关程度减弱。沉降阶段，ε随时间增加，而N随时间减少，此时N和ε间为负相关关系。

图11 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同气溶胶背景水平中心格点的ε的高度—时间变化特征

云中云滴半径随高度逐渐增加。最大云滴半径出现在碰并阶段，凝结阶段和沉降阶段的云滴尺度明显小于碰并阶段的。Na对云滴平均尺度的贡献很大，云滴平均尺度基本上随着Na的增加而减小。同时Na越大，云中最大云滴平均半径出现的时间越晚，数值也就越小，其中方案1最大半径为25 μm，方案2中则为13 μm附近，方案3中为10 μm左右(图12)。

图12 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同气溶胶背景水平中心格点的云滴平均半径的高度—时间变化特征

从图13可以看出，Na会明显影响云滴谱标准差，其中Na较低时云滴谱标准差明显高于Na较高时产生的云滴谱标准差，原因是低气溶胶背景云滴尺度较大，碰并增长发动较早，云滴谱拓宽明显，云滴谱标准差较大，而当Na继续增加后，云滴尺度变小，云滴间的碰并增长发动较晚，云滴谱因碰并增长而实现的滴谱拓宽变得较弱，因此云滴谱相对较窄，云滴谱标准差较小。但就方案2可以看出，碰并阶段的云滴谱标准差强于凝结阶段和沉降阶段，说明凝结阶段和沉降阶段的云滴谱相对更窄，其中凝结阶段在云体演变过程中云滴谱最窄。

图13 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同气溶胶背景水平中心格点的云滴谱标准差的高度—时间变化特征

综合上述分析将不同方案和不同生长阶段云物理量进行了特征统计得到表3。由表3可以看出，凝结阶段云中最大上升速度随着Na的增加而增大，原因是水汽凝结相变释放潜热，加热云内空气，促进上升气流的进一步增强；在碰并阶段,云中最大上升气流则随着Na的增加而缓慢减弱，原因是当Na增加时，形成的云滴尺度较小，在碰并过程中更多的云滴会在云中下落，会对上升气流起到拖曳作用，因此最大上升气流会随Na的增加而略减弱；在沉降三阶段中，最大上升速度随Na的增加明显减弱，原因是Na越高，N越大，形成的云滴越小，大量较小尺度的云滴拖曳造成云在后期云中上升速度较弱。同时从表中还可以看到液态水含量(LWC)、数浓度、平均半径和标准差受Na的影响显著，其中LWC在凝结阶段随着Na的增加而略增大，原因是LWC受上升气流的影响显著，上升速度越大，云中过饱和度越大，凝结的水汽量越高，云中N越高、云中液态水含量越高，但此时受凝结增长的机制限制，云滴谱越窄(标准差越小)，云滴平均尺度越小；在碰并阶段，液态水含量受Na的影响不大，但仍会对N产生明显的影响，其数值会随着Na的增加而增大，此时云滴谱标准差、云滴平均半径也会随着Na的增加而减小。在沉降阶段，由于云雨滴下落过程中碰并并脱离云体，云中N相对其他生长过程会大幅度减少，但会随Na的增加而增多。LWC、云滴平均半径以及标准差也存在随Na的增加而减小的特征。但云滴谱ε随Na的变化特征并不是很明显，其还会受到其他因素的影响，比如云中垂直气流不同的特征、不同生长阶段维持的时间等都有可能对云滴谱ε产生影响。

表3 不同气溶胶背景下不同生长阶段云物理量统计特征

Na影响云滴谱的分布特征明显，从图14可以看出，低气溶胶背景下云滴谱更宽，比如碰并阶段的最大云滴半径可以达到20 μm，而方案2和方案3分别为16 μm和15 μm，说明高气溶胶背景云滴碰并增长偏弱，云滴谱拓宽不明显。凝结阶段受Na的影响特征与碰并阶段类似。同时从同一个方案不同生长阶段的云滴谱进行对比也能发现，受凝结增长机制的控制，该阶段云滴谱较窄，随着碰并的发生，云滴谱拓宽，因此碰并阶段的云滴谱明显宽于凝结阶段，这与张晋广等[30]的观测分析结果一致。沉降阶段由于云体下沉蒸发作用，云滴变小，N变少，特别是小尺度云滴变少特别明显，滴谱相对碰并阶段反而有一定的拓宽，该拓宽是通过减少小尺度云滴来实现的。

图14 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同方案各阶段云滴谱变化特征

3 结论

(1)Na越低，云滴尺度越大，碰并增长发动越早，云滴谱拓宽更明显，云滴谱标准差越大，云体发展越迅速，降水发生更早，云体生命周期越短； 而Na越高，云滴尺度也越小，碰并增长发动越晚，云滴谱拓宽变得越弱，云滴谱相对较窄，云滴谱标准差较小，云体发展更缓慢，形成降水的时刻也更晚，云体生命周期也越长。

(2)在暖云的生长演变不同阶段中由于受不同机制影响，碰并阶段云滴谱较凝结阶段更宽，沉降阶段由于云体下沉蒸发作用导致小尺度云滴减少进而导致云滴谱较碰并阶段略有拓宽。在凝结阶段，低Na时ε-N呈现正相关关系，而高Na时ε-N两者为负相关关系；在碰并阶段ε-N关系为负相关，且随着Na增大，负相关程度减弱；在沉降阶段，ε-N则呈现负相关关系。