巨核對暖云降水影響的模擬研究

房文 鄭國光

中國氣象科學研究院,北京 100081

巨核對暖云降水影響的模擬研究

房文 鄭國光

中國氣象科學研究院,北京 100081

利用耦合了新的暖云參數化方案的中尺度模式 (MM5),研究了暖云降水中巨核的作用。在這個暖云方案里,先假定一個三模態的氣溶膠正態對數分布,然后考慮對流、擴散、云滴和雨滴的核化 (非核化)過程,再由氣溶膠質量的預報量顯式地計算出氣溶膠的數濃度。選擇了華北地區2005年6月25～26日的一次弱冷鋒過程,并以此研究了巨核對云和降水的影響。研究表明,巨核具有增強雨滴的凝結、碰并和云雨自動轉化過程的作用,使得云滴數減少高達40%,云水減少達20%,云滴有效半徑增加高達30%左右。在污染和清潔環境下巨核均可增加降水。

暖云降水 巨核 模式

1 引言

早期關于云滴譜拓寬以及暖云中降水發展的假設是,氣溶膠中包含了巨核 (Giant Cloud Condensation Nuclei)和 (或者)超大核 (ultragiant CCN)。Johnson(1979,1982)利用一個氣塊模式模擬了云滴通過碰并過程在氣溶膠粒子上增長的過程,結果表明,一定量的 GCCN的加入可以迅速提高降水尺度粒子的發展,甚至在膠性穩定的大陸性云中也會出現這樣的結果。Woodcock et al.(1971)和Takahashi(1976)研究發現,在海洋性云中,大的海鹽核對暖云降水的啟動并沒有太大的貢獻。Feingold et al.(1999)分別用氣塊模式、雙參數分檔的三維大尺度渦旋模式對海洋性層積云的發展進行了模擬,研究巨核對層積云中毛毛雨形成的影響。結果發現,當云凝結核 (CCN)濃度在50～250 cm-3時,云中觀測到的巨核濃度在10-4cm-3到10-2cm-3,這個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果是一致的。

Yin et al.(2000)用一個二維粘性對稱模式對暖對流云的研究也得到了近似的結論,發現在CCN濃度為1700 cm-3左右,巨核濃度在0.02 cm-3的污染云中,降水過程比在CCN濃度為100 cm-3,沒有巨核的清潔云中更容易啟動。這個模擬結果得到了Eagan et al.(1974a,1974b)和Hindman et al.(1977)關于造紙廠對云微結構的影響的觀測研究和Rudich et al.(2002)關于鹽對咸海附近的云影響的觀測研究的證實。Wurzler et al.(2000)的研究結果表明,粒子表面覆裹了可溶性物質的沙塵在云的形成過程中能促進降水的形成。Rosenfeld et al.(2002)提出,巨核是控制降水的一個有效機制。數值試驗表明,在細小核 (＜0.11μm)濃度較高的大陸性云中,大的云凝結核的出現會對降水形成產生很大影響。因為在云底部位較大滴生長的初期,較大的CCN能夠加強水滴之間的碰并作用。在細小核較少的海洋性云中,較大的CCN的影響就比較小,降水的形成發展主要決定于大云滴的數量。Khain et al.(2004)利用一個混合積云分檔模式研究了大氣氣溶膠粒子對對流云的影響。研究云的發展對巨核的敏感性必須考慮一系列非線性相關的過程,巨核對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,對巨核的影響進行定量分析的。

巨核的重要性體現在用人工吸濕性核進行播云催化以增加降水的試驗中 (例如,Hindman et al.,1977;Cooper et al.,1997)。Saleeby and Cotton(2005)研究分析了科羅拉多地區冬季CCN和巨核濃度變化對地形云和降水的影響,發現高濃度的CCN形成了大量的小的云滴,凇附過程減少,這與Borys et al.(2000,2003)的觀測結果是一致的。地面總降水量減少。當CCN濃度較高時,巨核濃度的增加會提高地面降水;而當CCN濃度較低時,巨核濃度的增加使地面降水減少。Cooper et al.(1997)和Yin et al.(2000)的研究對此也有詳細的闡述。

在目前已有的較為成熟的中尺度模式 (如MM5V 3)中,云微物理過程的參數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、雨滴數濃度的預報量和尺度的診斷量。房文 (2008)北京地區飛機觀測資料擬合的氣溶膠譜,模擬了北京地區2005年的4次降水過程,模擬區域覆蓋了飛機探測試驗區。結果表明,耦合了新的暖云方案的區域模式不但能較好地模擬出環流場,同時對降水時空分布的模擬也與觀測十分吻合。另外,模式模擬的云滴有效半徑也與觀測值較接近,但對云水的模擬高于觀測值。模式的結果證明了氣溶膠對云的間接影響。

本文利用耦合了新的暖云微物理參數化方案的中尺度模式 (Chen and Liu,2004;Fang et al.,2010),模擬了華北地區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不同背景氣溶膠條件下的暖云降水的影響。

2 新雙參數暖云方案

Chen and Lamb(1994,1999)發展了一個包含詳細云微物理過程的分檔氣塊模式,利用Lee(1989,1992)的物理統計方法統計分析了分檔氣塊模式的模擬結果,建立了一個新的雙參數的暖云微物理雙參數化方案 (簡稱C&L方案)(Chen and Liu,2004)。該方案先假定一個三模態的氣溶膠正態對數分布,然后考慮對流、擴散、云滴和雨滴的核化 (非核化)過程,再由氣溶膠質量的預報量顯式地計算出氣溶膠的數濃度。在這個參數化方案中,不需要對粒子尺度做任何假設,粒子的增長公式也不必像在總體水方案中對增長核函數要做簡單化處理。因此,這樣的方案既有詳細氣塊模式對水成物描述的準確性,又具備總體水方案計算效率高的特點。另外,該方案提供了一套計算群體落速、水成物沉降、雷達反射率以及云滴和雨滴的有效半徑的診斷公式,并采用模態法處理氣溶膠的分布。

C&L方案中以半徑50μm為標準將水成物分為云滴和雨滴兩類。在Chen and Lamb(1994)最早的模式中,所有的粒子,不論能充當云凝結核(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,應該用科勒曲線的臨界半徑來確定云凝結核(CCN)是否活化為云滴了,但是,一些尺度很大的CCN可能永遠都不能達到它的臨界半徑,而只能以“大霾粒子”的形態存在。在云形成的初始階段,它們通常就已經是最大的粒子,可以充當雨滴胚(Chen and Lamb,1999)。因此,在新方案中將云滴活化臨界半徑放寬到同時大于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”)在氣塊剛達到飽和就會即刻形成。而在傳統的總體水方案中,雨滴只能通過云雨自動轉化過程形成。

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、碰并和破碎而增長等過程,具體有:(1)云滴通過水汽凝結的增長過程;(2)雨滴通過水汽凝結的增長過程;(3)云滴之間的碰并過程;(4)云雨滴的自動轉化過程;(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)雨滴蒸發形成云滴的過程。

表1 三種背景條件下氣溶膠分布的三模態參量Table 1 Three aerosol size distribution types for differen t backgrounds

3 模擬試驗

3.1 個例選取和初始場設置

本文選擇了華北地區2005年6月25～26日的一次弱冷鋒過程的個例資料進行了模擬。該弱冷鋒過程在北京地區較低對流層產生了薄的層云和弱的降水。

模式采用的三套網格,采用了帶有平滑—非平滑開關的單點反饋雙重嵌套方案。模式頂設在100 hPa,垂直分成24層,在自由大氣中垂直分辨率為500 m左右,在邊界層約50～200 m。模式在第一、二套 (最外層和第二層)網格內采用了 Grell(1993)的積云參數化方案,關閉淺積云對流方案。實時輻射計算采用Dudhia(1989)的長波和短波云方案,診斷計算用美國國家大氣研究中心 (NCAR)氣候模式 (CCM3)的輻射方案。模式采用了美國國家環境預測中心 (NCEP)中期預報模式中采用的Hong and Pan(1996)的行星邊界層方案。五層土壤模式用于地面方案,對氣溶膠和云物質也用了水平擴散。

模式用1°×1°NCEP格點再分析的資料啟動運行。

采用新方案對該過程降水的模擬,參見Fang et al.(2010)。

3.2 不同氣溶膠背景下的模擬結果

對2005年6月25～27日的個例,我們分別用Whitby(1978)根據觀測統計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云形成發展過程,并進而發展成為降水的初始場。三種氣溶膠分布的三模態參量列于表1中。

圖1為三種氣溶膠分布下的數值模擬結果,模擬值是在第二套網格內的平均。顯然,氣溶膠濃度越大,產生的云滴粒子在數濃度 (Nc)和云水質量(Qc)上也越多。例如,在云水最大的位置,清潔大陸背景、城市平均和飛機觀測值擬合的氣溶膠分布下模擬的云滴數濃度Nc分別為 100 cm-3、400 cm-3、1200 cm-3。云水混合比也表現了同樣的變化,只是數量上差別沒有Nc那么大,其對應最大值分別為0.7 g/kg、0.90 g/kg、1.2 g/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的5μm左右。

圖1 (a、d、g)清潔大陸、(b、e、h)平均大陸和 (c、f、i)以機載云物理探測值擬合的北京城市背景氣溶膠分布下模擬的云滴性質:(a-c)云滴數濃度;(d-f)混合比;(g-i)有效半徑Fig.1 Averaged values of cloud-drop(a-c)number concentration,(d-f)massmixing ratio,and(g-i)effective radius under(a,d,g)clean continental,(b,e,h)average continental,and(c,f,i)urban aerosol conditions

3.3 巨核的引入對暖云降水影響的模擬試驗

在我們以清潔大陸氣溶膠分布啟動模式的試驗中,云滴數濃度大多數高于50 cm-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。為了考察巨核的作用,我們簡單地將粗粒子模態的氣溶膠平均半徑改變到2.812μm,三種模態的氣溶膠數濃度都改變為0.5 cm-3。計算結果表明,每升有50個可以成為雨滴胚的巨核,而用表1中的三種氣溶膠分布計算的結果,這樣的巨核每升少于0.5個。比較含有巨核和沒有巨核情況下的模擬結果,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果與沒有巨核的模擬結果的比值,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間的變化。要說明的是,60 h以后的模擬值,實際上是沒有太多的意義,因為此時云雨幾乎完全消散了。

盡管巨核的數目比一般的云凝結核小幾個量級,但是卻能產生更多的雨滴 (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會 (如圖2a所示)。這個概念已應用于暖云催化,在暖云催化中播撒的人工巨核不僅促進碰并也減少云滴數濃度,使活化的 CCN長得更大 (Cooper et al.,1997;Mather et al.,1997)。Ghan et al.(1998)的研究中也發現,大尺度氣溶膠 (如海鹽)和小尺度氣溶膠 (如硫酸鹽)之間對水汽的競爭可以造成過飽和度降低和云滴數減少。

圖2 不同氣溶膠分布背景下柱積分云和雨特性含有巨核的模擬結果與沒有巨核的模擬結果的比值隨時間的變化:(a)云滴數濃度;(b)云水混合比;(c)雨滴數濃度;(d)雨水混合比;(e)地面累積降水;(f)地面累積降雨。短虛線:清潔大陸;實線:平均大陸;長虛線:城市氣溶膠分布Fig.2 Ratiosof simulated column integrated cloud and rain properties including giant nuclei to those without giant nuclei for different aerosol backgrounds:(a)Cloud drop number concentration;(b)cloud water mixing ratio;(c)raindrop number concentration;(d)rainwater mixing ratio;(e)accumulative surface precipitation;(f)accumulative surface rainfall.Dashed line:clean continental;solid line:averaged continental;long dashed:urban aerosols

當云滴變得較大,云雨自動轉化和碰并過程也可能增強,就會進一步使云滴數濃度減少。除這些作用之外,雨胚能通過碰并過程使云滴數濃度減少,但是在云形成后期,由于大多數巨核已由降雨沖刷落出,這個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濃度的比值是很接近,盡管它們最初的云滴數濃度有明顯的差別 (圖1a-c)。城市氣溶膠個例中,初始云滴數濃度最高,因而云滴數濃度減少的絕對值也是最顯著的。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了碰并過程,還是由于更多的雨胚增強了碰并過程占主導作用,還不是十分清楚。

巨核對減少云水作用較小,主要因為多數這樣的雨胚很快耗盡,水汽的凝結過程再占優勢。但是,我們注意到在模擬到35～45小時的時候,云已經消散 (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果出現較多的云水。這可能是因為大云滴的蒸發比小云滴慢,所以這段時間較多云水保持未蒸發,也可能通過雨滴蒸發轉化成云滴,使得云水Qc增加,這從圖2b中同一時段云滴數濃度略微增加可以得到驗證。

巨核直接活化成為雨胚,產生大量雨滴 (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。雨滴數目的增加與氣溶膠類型的關系不大,因為在三種氣溶膠分布背景下,巨核的數量設定為一樣多的。不過雨滴數濃度的確存在差異 (見圖2c),這主要是因為當云滴尺度變大時,云雨自動轉化過程更為活躍。例如在模擬的最初5小時期間,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,云雨自動轉化率在云滴有效半徑re=3μm時,增大80%左右;re=6.5μm時,增大9%左右;re=10μm時,增大15%左右。同時在城市氣溶膠背景 (平均大陸)個例中,引起云雨自動轉化過程的增強 (減弱)。另外,在云水較少的城市氣溶膠的例子中對碰并過程的增強更有效,因為有更多云水和云滴可供碰并。

4 結論

總體看來,對三類氣溶膠分布,巨核的存在會略微增加降水 (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。這個結果與 Yin et al.(2000)相似,他們的結果表明暖云人工催化效果在污染環境中更顯著。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,絕對值達0.28 mm,比城市背景氣溶膠分布下的例子 (累積降水量也增加15%左右,絕對值小于0.2 mm)要高,意味著降水對巨核的敏感性不是簡單地取決于碰并和云雨自動轉化過程的加強,也與雨水沉積增長的加強有關。這些因素的綜合效果非線性地決定于氣溶膠分布類型,因而無論氣溶膠濃度高低,巨核引起的降水增加在三種氣溶膠分布背景條件的模擬中都有體現,至少在我們模擬的條件下是這樣。

在所有模擬中,雨胚的凝結增長率都類似,因為加入的是同樣的巨核量。然而它們與云滴凝結增長過程競爭水汽的能力在CCN數濃度較低的情況下相對更強。給定雨滴胚的數濃度是50 L-1,在云形成初期半徑為15μm,雨水凝結增長與云水凝結增長之比在城市、平均大陸型和清潔大陸型氣溶膠下分別為5%、10%和40%。因此,雨水凝結增長在清潔氣團中對降水的貢獻比在污染氣團情況下大得多。此外雨滴增加引起的水汽消耗,能降低最大過飽和度和云滴濃度,造成云粒子尺度變大,促進了云雨自動轉化過程。

除增加降水外,巨核也能減輕氣溶膠的間接效應,因為云水和云滴數都減少了 (見圖2a、b),而云滴尺度增大了。在城市氣溶膠個例下云滴數濃度和云光學厚度的減少較大,而在清潔大陸性氣溶膠個例下,巨核對輻射的影響稍強。因為輻射響應在較薄的光學厚度的云中更敏感,這就解釋了為什么短波輻射強迫的變化在清潔環境中較大,此時反照率能減少達3%。在17～19 h(接近正午的時候)城市氣溶膠個例中,巨核引起反照率減少1%,這減少氣溶膠的間接效應15%左右。

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即使價格促銷給予實用性利潤，重視商品的效用與價值，那么價格促銷會在遠心理距離前提下的購買力發生良好作用。贈送式促銷給予大量的感知性利潤，感知性利潤會重視購買者，其是會隨著時間改變的自我感知。

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The Effect of Giant Cloud Condensation Nuclei on Warm-Cloud Precipitation

FANGWen and ZHENG Guoguang

ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081

A warm cloud microphysical parameterization was inco rpo rated into a regionalmodel to study the sensitivity of cloud-radiative properties and precipitation to aerosols.Assuming a tri-modal logno rmal aerosol size distribution,the aerosol numbers are exp licitly calculated from prognostic aerosolmasses,considering advection,diffusion,and cloud and rain drop activation/deactivation processes.Sensitivity experiments of a cold front passing through no rthern China during 25-27 June 2005 with different initial conditions for clean,continental,and urban types of aerosols were then conducted to study the Giant Cloud Condensation Nuclei(GCCN)'s effects.It is found that the presenceof giant nucleienhances the condensation,collection,and cloud-rain auto-conversion process,leading to the decrease of cloud drop numbers and cloud water by 40%and 20%respectively,to the increasesof cloud drop radius by 30%,and increases accumulated precipitation both in polluted and clean environment.

giant nuclei,warm cloud,regionalmodel

1006-9895(2011)05-0938-07

P426

A

房文,鄭國光.2011.巨核對暖云降水影響的模擬研究 [J].大氣科學,35(5):938-944. Fang Wen,Zheng Guoguang.2011.The effect of GCCN on warm-cloud precipitation[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),35(5):938-944.

2010-05-20,2011-05-12收修定稿

國家“十一五”科技支撐計劃項目2006BAC12B003

房文,女,1969年出生,博士,副研究員,主要從事云降水數值模式、氣溶膠對云和降水的影響及人工影響天氣的研究。E-mail:fangw en@cam s.cma.gov.cn