云凝结核浓度对WRF模式模拟飑线降水的影响：不同云微物理参数化方案的对比研究

采用WRF模式模拟一次影响中国广东省的飑线过程, 分别选取Morrison、 Thompson07、 Thompson09和WDM6云微物理方案实施了四组试验, 每组试验包括不同云凝结核（CCN）浓度的三次模拟, 称为 “低浓度”、 “中浓度” 和 “高浓度”, 将模拟区域划分为深对流、 浅对流和层云区域, 对比分析四组试验中CCN浓度变化对模拟的总降水量、 不同区域降水率和不同区域面积的影响, 进一步分析了云微物理过程、 动力环流强度等受CCN浓度变化的影响。发现: （1） 由于不同云微物理过程与CCN浓度有着直接或间接的联系、 不同云微物理过程之间存在复杂的关联、 云微物理过程与动力环流之间发生非线性耦合, 采用不同的云微物理方案导致模拟的CCN—降雨影响既有相似、 也有差异; （2）模拟的CCN—降水影响在采用Thompson09和Thompson07方案时更显著, 采用WDM6方案时最小; （3）四组模拟试验均出现CCN浓度增加延迟降水产生、 初期降水减弱的情况, 在模拟后期降水量也随着CCN浓度增加而减小, 而飑线成熟阶段CCN—降水影响更加复杂。     

云在气候模式中参数化的普适幂律

云滴有效半径是气候模式中辐射参数化的一个云微物理量．在讨论现有处理方法的基础上,从基本概念出发,导出联系有效半径、含水量、总云滴数及湍流强度的普适幂律．该定律：（1）表明常用参数化公式的多样性源于人们选择数学模型的主观判断;（2）启示我们应该寻找有效半径与平均单位云滴含水量（含水量与总云滴数之比）之间的关系;（3）揭示出湍流在云参数化中的重要作用．通过本文的分析,建议人们要彻底了解人类活动对成云致雨（有意识人工影响天气）和全球变化的作用需研究“大气气溶胶─云激物理─湍流（动力）─辐射”系统．     

夏季硫酸盐和黑碳气溶胶对中国云特性的影响

利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）模式研究2006年8月1日—9月1日中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶对云特性的影响。模式验证利用了卫星和地面观测的气象要素、化学物质浓度、气溶胶光学特性和云微物理特性。模式性能评估表明该模式能较好地抓住气象要素（温度、降水、相对湿度和风速）的量级和空间分布特征。通过与地面观测和MODIS卫星数据对比发现,尽管模式模拟还存在偏差,但还是能较好模拟出气溶胶物种的地表浓度、气溶胶光学厚度（AOD）、云光学厚度（COD）、云量（CLDF）、云顶云滴有效半径（CER）和云水路径（LWP）。通过两个敏感性试验（分别增加二氧化硫和黑碳排放量至控制试验排放的3倍）与控制试验的对比发现硫酸盐比黑碳更易成为云凝结核,在中国东部云顶云滴数浓度和其它云特性参数对二氧化硫排放增加的响应均从北向南呈递增,这与地面湿度分布有关。云滴有效半径对硫酸盐气溶胶的响应符合气溶胶第一间接效应的定义,即硫酸盐气溶胶增多,云滴数浓度增加,云滴有效半径减少,但是对黑碳气溶胶的响应在各区域不尽相同。还发现黑碳对云量的影响远大于硫酸盐,主要原因是由于黑碳气溶胶直接辐射效应（对太阳光的吸收）导致的云的“燃烧”作用。      

Characterization of cloud microphysical properties in different cloud types over East Asia based on CloudSat/CALIPSO satellite products

利用CloudSat/CALIPSO卫星资料,本文揭示了东亚三个代表性区域的云微物理属性,为评估和改进模式云微物理过程提供重要的观测基础.研究的云微物理量包括云水/冰质量,数浓度和有效半径.研究表明:暖云中云水质量和数浓度随高度增加而减小,有效半径处于8-14μm范围.对于冰云,云冰质量和有效半径随高度增加而减小,而数浓度在垂直方向上变化不大.此外,云微物理属性在不同云型之间存在显著差异:积云的云水质量和数浓度最大,而卷云的云水质量和数浓度最小.从三个区域的对比结果来看,相比于华东和西北太平洋地区,青藏高原地区暖云的云水质量和数浓度较小,而冰云的则较大.     

理想地形下不同云微物理方案对登陆台风降水增幅影响的数值研究

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式,在理想岛屿地形条件下设计了云的微物理冰相过程中水凝物中有霰和无霰的两个对比试验,考察了台风登陆时复杂冰相和简单冰相对台风移动路径、强度和降水增幅的影响。结果表明：1）云微物理过程中有霰的复杂冰相过程时,具有更强烈的云“播撒”效应,因而对台风降水具有明显增幅作用。2）当台风受到理想地形作用时,地形对云“播撒”效应引起的增幅作用具有放大作用,此时台风眼墙非绝热加热量形成明显增强中心,使得台风降水增幅明显。3）当台风登陆时,云微物理冰相过程使得台风越山时存在向西北指向的涡度变化倾向。     

空气污染与气候变化

近50年来,全球气候变化主要由大气温室气体浓度的日益增加引起,而空气污染主要由悬浮于空气中的大气气溶胶粒子造成,它们都主要由矿物燃料的燃烧排放形成.近年的研究表明,大气气溶胶粒子也具有气候效应:一是通过散射和吸收太阳光,减少到达地面的太阳辐射而具有降冷作用,可抵消一部分由温室气体造成的变暖作用;二是可以作为云中凝结核改变云微物理过程和降水性质,改变大气的水循环.大气气溶胶对于经济社会的许多方面,如农业、水资源、人体健康、城市化等也表现出重要的影响.由于空气污染和气候变化在很大程度上有共同的原因,即主要都是由矿物燃料燃烧的排放造成,因而减轻和控制空气污染与减少温室气体排放保护气候在行动上应是一致的.为了从经济上得到最大的节约和获得双赢的效果,应该采取协同应对空气污染和气候变化的减排战略,即应该采取统一的而不是分离的科学研究和应对战略.     

北京城市化对一次降雪过程影响的数值模拟研究

利用中尺度数值预报（Weather Research and Forecast,WRF）模式,针对2018年3月17日05—17时（北京时）北京地区的一次降雪过程模拟分析了城市化对降雪的主要影响机制。结果表明,城市化使得北京五环以内降雪量减少,降雨量增加,这主要是由于城市化低层增温效应加强了雪的融化过程,产生混合型降水,距离市中心越近越容易发生混合型降水。城市化对降雪的总降水量和降水的时、空分布也存在一定的影响。降水初期,城市化造成的“城市干热岛”效应不利于水汽的水平和垂直输送,不利于云的形成,地面总降水量减小。随着降水过程的发展,部分冰相粒子融化,使近地面水汽增多,“城市热岛效应”的热力抬升作用有利于水汽的垂直输送和云的发展,部分云滴或水汽抬升进入云中,增强冷云过程,使雪和霰粒子含量增大,地面总降水量增加。城市化产生的“城市效应”对低层大气温度和云微物理过程产生影响,而云微物理过程的非绝热过程反过来又影响低层大气温度和大气层结,影响能量和水汽输送,进而对云和地面降水产生影响。      

温室效应与气候变化研究综述

大气层中温室气体的增加,将会引起全球性的气候变化,进而导致生态、经济、政治方面的严重后果,对温室效应与气候变化关系的研究,已成为世界瞩目的刻不容缓的问题。1温室效应对全球气候影响及预测对全球气候变化的研究表明,人类活动使大气中温室气体（二氧化碳、甲烷、臭氧、氟氯烃、氧化氮、二氧化硫和水汽等）浓度不断增加,使全球温度升高、气候变暖。如果人类不能有效地控制这些温室气体的排放,这种趋势将持续,其增暖效应陆地比海洋强,高纬比低纬显著。全球气候持续变暖将对海平面升高、水资源、农业生态、林业及人类健康等带来…     

热带气旋云微物理过程的研究进展

云微物理过程是影响热带气旋(TC)强度、结构和降水变化的重要因子。本文主要对近几十年有关TC云微物理过程的观测分析和数值模拟研究进展进行了回顾和评述。由于观测资料的增多和数值模式精细化程度的提高,对TC的云微物理结构和特征有了较深的认知,但云微物理过程如何影响TC路径、强度和降水还有很多不同观点,反映在云微物理过程对TC数值预报的影响还有很多的不确定性。云微物理过程的季节性和局地性特征不清楚。云微物理方案和模式分辨率以及其它物理方案之间如何协调匹配,业务预报如何选择云微物理方案等问题还有待更多的研究。     

云对云中大气臭氧影响因子的分析

应用一个较详细的气相光化学和液相化学耦合的箱体模式, 研究了云层对云中大气臭氧的影响过程。这一过程可分解为三个因子来考虑： 因子Ａ （云的辐射效应）, 由于云的存在改变太阳光辐射通量, 使得对流层光化学反应减弱或增强, 从而降低或增加臭氧浓度; 因子Ｂ（云的吸收效应）, 云层中液态水对大气臭氧及其前体物 （ＮＯｘ、ＮＭＨＣ、自由基等） 的直接吸收作用; 因子Ｃ（云的液相化学效应）, 吸收进入云中的物质发生液相化学反应从而改变大气臭氧浓度。数值研究结果表明： 上述三因子对云中臭氧浓度影响的程度差别很大, 并且与云层的物理结构有密切关系。讨论了云的吸收及液相化学效应影响臭氧浓度的主要原因     

土地利用和土地覆盖变化对气候系统影响的研究进展

土地利用和土地覆盖变化（LUCC或LULCC）不仅对人类赖以生存的地球环境有重要影响,同时与人类福祉密切联系。人类活动对气候的强迫不仅包括温室气体排放导致的气候变暖,还通过直接改变地表物理性状以及间接改变其他生物地球物理过程和生物地球化学过程等对气候系统产生深刻影响。作者在此认识的基础上回顾了LUCC对气候系统影响的研究历史,结合新近的研究结果归纳了诸如森林砍伐、城市化、修坝等LUCC活动在区域和全球尺度的气候效应。LUCC具有高度的空间异质性,因此气候系统对它的反馈也具有明显的空间差异。由于全球平均后变化幅度相对区域上的小,LUCC对区域气候影响显著,而对全球气候影响不明显。它对区域气候的影响取决于反照率、蒸散发效率和地表粗糙率等变化的综合效应：在热带地区LUCC主要引起温度升高,在高纬度地区使温度下降。在全球尺度上LUCC导致气候的变暖主要通过减少蒸散发和潜热通量引起陆表水循环的改变,其次通过改变地表反照率导致辐射强迫改变。最后指出目前LUCC在气候变化学科中的研究所存在的问题。在此基础上提出了未来的研究首先需要评估的3个气候指标,并提倡多学科间的相互合作。     

甲烷浓度变化的有效辐射强迫及其对气候的影响

利用国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.0,结合IPCC 第五次评估报告给出的最新有效辐射强迫的概念,模拟了自工业革命以来由于人类活动造成的甲烷浓度增加引起的有效辐射强迫及其气候效应。得出如下结论：甲烷浓度增加造成的有效辐射强迫的全球平均值为0.49 W/m²;导致全球平均地表温度上升0.31 ℃,升温主要分布在南北半球中高纬度地区;全球平均降水量增加0.02 mm/d,赤道辐合带降水中心有向北移动的趋势;地表水汽通量的变化使高纬度地区云量增加（约4%）,而中低纬度地区云量减小（约-3%）。     

海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用

利用大气气溶胶和云分档模式研究海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用, 计算结果表明:云中液态水含量随高度的分布并不随海盐、硫酸盐的数目以及云团上升速度的变化而变化; 随着云滴数目的增加, 云滴的有效半径会减小; 硫酸盐对云滴数目影响起主导作用, 海盐在水汽相对充足情况下增加了云滴数目, 在水汽相对不足的情况下减少了云滴数目; 硫酸盐粒子浓度特别强的情况下 (人类活动污染比较严重时), 如果水汽相对不足, 云滴数目会明显小于硫酸盐粒子浓度; 而海盐粒子的存在, 加剧了水汽的供应不足, 从而可以在很大程度上进一步降低云滴数目。也就是说, 在有些情况下, 如果不考虑海盐气溶胶的作用, 硫酸盐气溶胶对云特性的影响会被过高估计。     

全球气候变化的影响因素、机制及其效应概述

本文综合国内外有关资料, 从全球气候系统辐射能量平衡原理出发, 概述了影响全球气候长期变化的几个主要外部强迫因素：大气上界辐射变化（ 地球轨道形状变化和太阳活动） 、温室气体变化、气溶胶和火山活动、下垫面物理景观变化。分别论述了他们对气候变化的影响机制、辐射效应及作用效果。这些因素多与人类活动有关。     

东亚旱区气溶胶、云及其相互作用研究进展

东亚干旱半干旱区(简称为“东亚旱区”)是全球干旱带的重要组成部分,该区域水资源短缺,沙尘暴频发,沙尘气溶胶对大气辐射收支和云微物理过程的影响不可忽视。本文回顾了近年来东亚旱区气溶胶及云相关科学问题的研究进展,重点讨论了气溶胶、云特性以及气溶胶-云相互作用问题。东亚旱区大气中的气溶胶以沙尘为主,且春季多于其他季节;同时,该区域云水资源丰富,且以高云为主,夏季云量显著偏多。沙尘气溶胶可直接影响辐射收支对大气产生加热作用,并通过间接和半直接效应对云微物理过程和降水产生影响。由于云微物理观测资料稀缺,加之模式参数化方案的不准确,导致东亚旱区沙尘气溶胶-云相互作用仍存在较大的不确定,减小气溶胶、云所带来的不确定性是未来气候变化研究中亟需解决的科学问题。     

黄山地区春夏季气溶胶离子组分及其对云微物理特征的影响

利用2009年5-8月在华东地区高山——黄山顶取得的气溶胶和云微物理参数观测资料以及同期气溶胶离子成分数据,结合多种化学组分气溶胶绝热气块分档云模式,研究了黄山地区多化学组分气溶胶对云凝结核和云微物理特征的影响.气团轨迹和气溶胶离子成分的分析结果表明,3种气团影响着黄山地区气溶胶的化学组分,即北方大陆气团气溶胶富含CaCO3,局地污染气团气溶胶以可水溶性无机盐((NH4)2SO4、NH4 NO3)为主,而变性混合海洋性气团气溶胶中NaCl较多.数值模拟结果显示,在气溶胶谱一定时,不同天气形势下黄山气溶胶的化学组分的差异会对云微物理特征产生不同的影响.同一上升速度下实际多组分气溶胶模拟的云滴数浓度大于纯硫酸铵,主要体现在云滴谱第1个峰值3.3 μm之前;气块上升速度低于0.7 m/s时,含有较多不可水溶物质的混合气溶胶对云滴数浓度的影响较大;上升速度大于0.7 m/s时,气块中可凝结水增多,海盐对云滴数浓度增加的效果更显著.多组分气溶胶模拟云滴谱较纯硫酸铵窄,其中,北方气团方案造成云滴谱变窄的程度高于混合气团方案;而模拟的云滴数目增多,造成云滴有效半径减小,云光学厚度和反照率增加,将会对暖云降水及辐射效应产生不同的影响.     

对流云对大气气溶胶和相对湿度变化响应的数值模拟

利用二维面对称分档云模式研究了气溶胶颗粒物浓度和尺度谱分布对混合相对流云微物理过程和降水的影响, 并重点讨论了气溶胶效应随环境相对湿度的变化。结果表明, 在初始热力和动力条件相同的情况下, 相对清洁的海洋性云在发展和成熟阶段能更有效地产生雨滴、 冰晶和霰粒, 形成更强的雷达反射率。随着气溶胶浓度增加, 比如在本文模拟的污染大陆性云中, 气溶胶粒子数浓度的增加限制云滴增长, 不利于降水粒子的形成。模拟结果也发现, 环境相对湿度对气溶胶效应有显著影响, 即当地面相对湿度从50%增大到70%时, 所模拟的云从浅对流泡发展为深对流云; 气溶胶对云微物理特性和降水的影响在干空气中较小, 但在湿空气中表现非常显著, 这与前人结果一致。随着相对湿度的增加, 冰相粒子出现的时间提前, 增长加快, 云砧范围扩大, 但相对来说, 降水起始时间对相对湿度的变化比气溶胶更敏感。     

大气季节内振荡的数值模拟 II. 全球变暖的影响

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）发展的耦合气候模式FGOALS1.0_g控制试验、二氧化碳（CO2）浓度加倍试验模拟结果及实测结果（NCEP/NCAR逐日再分析资料）研究了全球变暖对大气季节内振荡（ISO）特征变化的影响。通过对比分析控制试验、二氧化碳浓度加倍试验模拟结果及观测结果发现:（1）FGOALS1.0_g耦合气候模式具有一定的模拟季节内振荡的能力，主要表现为模式能够模拟出ISO活跃区的位置、中心位置的季节变动以及强度的季节变化，其缺陷是模拟的ISO强度偏弱，模拟的ISO周期不显著且偏高频；（2）实测资料诊断分析得到的近六十年来偏暖阶段ISO活跃区强度增强及范围扩大可能不是人类活动影响使温室气体增加所导致的，它可能是大气ISO本身的年代际尺度变化；（3）近六十年来纬向东传波（西传波）的能量的存在增长（减少）趋势的主要原因可能是人类活动影响引起温室气体增加所导致的；（4）由于FGOALS1.0_g耦合气候模式在模拟ISO主周期及强度方面时存在不足，因此实测结果诊断分析得到的偏暖阶段ISO小波能量强，主周期范围大，偏冷阶段反之的结论用FGOALS1.0_g耦合气候模式尚难以证实。     

气候变化和人类活动对呼伦湖区域生态环境的影响

利用呼伦湖区域近48年的气象、水文、社会经济以及遥感监测等资料，分析了气候变化和人类活动对呼伦湖区域生态环境的影响。结果表明：（1）气温呈显著的上升态势，降水量波动性较大，但总体呈缓慢的下降趋势，并在1998年之后下降趋势显著，目前正处于暖干化的气候期。气候的变干、变暖，使得呼伦湖区域的生态环境呈不断恶化趋势。（2）近年来呼伦湖地区降水强度增大，干燥事件增多，总雨日尤其是小雨日减少趋势明显，降水变率较大，致使极端气候事件呈增加趋势。这些因子的综合作用，对呼伦湖地区生态环境的恢复与建设非常不利。（3）通过对处于同一气候区的呼伦湖和贝尔湖区域湖面面积、周边植被等遥感监测，发现人类活动对呼伦湖区域生态环境演化影响较大。（4）呼伦湖区域生态环境的演化是气候变化和人类活动共同作用的结果。近年来人类活动对呼伦湖区域生态环境影响有不断加剧趋势，特别是随着经济发展、人口增加以及对农牧业产品等物貭需求的增加而引起的不合理经济活动的影响是不容忽视的。     

近代气候理论的发展和人类活动影响气候变化的展望

本文对近代物理—动力气候学的进展作了简要的报导,着重讨论了大气成份(H_2,CO_2,O_3等)和极冰对气候的影响。并对由于人类活动使大气中二氧化碳成份等增加后对未来气候可能产生的冲击也作了评述。