沙尘气溶胶对大气冰相过程发展的敏感性试验

利用分档云动力学模式,研究了沙尘气溶胶输送过程中在不同大气背景环境条件下对云内冰相粒子形成、发展和降水过程的影响.通过敏感性试验发现:在背景气溶胶浓度不断增加的情况下,冰相降水率以及冰相降水在总降水量中的比例逐渐减小;只有在大陆性云和污染严重的地区,含有一定比例可溶性物质的沙尘粒子提高了大气中的巨核浓度,使云中冰相降水质粒提前出现,有利于降水的形成.另一方面,当把不可溶矿物气溶胶粒子作为有效的大气冰核参与云降水形成的物理过程时,由矿物气溶胶引起的大气冰核浓度增加在一定程度上抑制云中冰相降水质粒的发展,部分抵消巨核对降水的促进作用.     

矿物气溶胶远程传输过程中的吸收增温效应对云和降水的影响

通过对吸收性矿物气溶胶在远程传输过程中引起的大气增温效应以及大气中云凝结核(CCN)和冰核(IN)浓度增加的数值模拟,发现传输过程中沙尘最大浓度出现于云底和3 km高度处(T>-5℃)时,沙尘传输导致的大核和巨核(GCCN)浓度的增加,促进冷暖云降水,并在降水效率增加和增温产生的蒸发效应的共同作用下,云的光学厚度和反照率降低;当沙尘传输层位于温度低于-5℃的层结时,沙尘作为有效的大气冰核影响云和降水的发展,在这种情况下,冰核增多导致降水减少,并使云的光学厚度和反照率增加。总的来说,沙尘传输层中吸收性矿物气溶胶越多,高度越低、厚度越大,蒸发效应越强,云的形成和发展受到的抑制作用也越强。     

利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响

在GRAPES中尺度模式的双参数微物理方案中加入了气溶胶活化参数化过程,实现了对云滴数浓度的预报。选取不同季节两个降水过程进行模拟,并分别开展了不同气溶胶背景下的两个试验进行对比分析,研究气溶胶对云和降水可能的影响。结果表明: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;另一方面,云水的增加会使冰相粒子,尤其是雪和霰通过碰并云水等过程而增大,最后融化成雨增加冷云降水,同时冰相粒子增加会释放更多的潜热,促进上升气流的发展,进一步增加冷云降水。气溶胶对降水的影响存在空间不一致性,暖云较厚的地方暖雨过程受到的抑制明显,使地面降水减小,冷云厚度相对较厚时,冷云降水的增加会大于暖云降水的抑制,使地面降水增加。同时由于在云降水发展的不同阶段冷暖云的变化,气溶胶对降水的影响也存在着时间不一致性。     

大气冰核研究进展

大气冰核在冷云降水物理过程、人工影响天气、云和气溶胶的气候效应乃至全球变化等对大气和气候方面的研究中具有重要的意义。本文主要从大气冰核的观测方法、来源、化学组成、成冰活性、浓度时空分布及其与气象条件如天气系统、天气现象、气象因子等各方面综述了国内外近几十年大气冰核的研究进展,并在探讨国内外大气冰核研究现状的基础上,提出...     

气溶胶影响混合相对流云降水的数值模拟研究

利用一种新的异质冰相核化参数化方案,研究了当气溶胶同时作为云凝结核和冰核时,在不同高度输送对混合相对流云和降水的影响。结果发现,对于本文研究的理想混合相对流云,气溶胶在边界层的输送导致液滴数浓度明显增加,有效半径减小,霰粒的生长受到抑制,引起霰粒质量浓度降低;而气溶胶在对流层中层4～6km输送时,导致冰晶和霰粒数浓度明显增加。由于较多的冰晶引起更加快速的贝吉隆过程,使霰粒的质量浓度增加;气溶胶在对流层中层2～4km高度输送时冰相形成作用相对较弱,并引起霰粒的数浓度略微增加,由于霰粒的有效半径减小导致其质量浓度下降。气溶胶在不同高度的输送都导致液态和固态降水率降低,随着背景气溶胶数浓度的增加,气溶胶在0～2km、2～4km以及4～6km的输送分别导致累积降水量减少28％～64％、4％～44％和3％～46％,并且对降水的抑制效应及所在高度不同引起的降水差异随着背景气溶胶数浓度的增加而减小。     

对流层气溶胶和云的大气辐射加热特征

本文利用建立的辐射模式研究了在一般天气和沙尘暴天气条件下,有云气溶胶大气的辐射加热特征。结果表明:在不同的天气条件下,云和气溶胶对大气的辐射加热的影响是不同的,它依赖于云的状况(云高、云厚和云内含水量)以及气溶胶浓度的大小、气溶胶的垂直分布和气溶胶的光学性质。     

新书架

中国北方沙尘暴研究牛生杰著该书内容涉及：沙尘暴发生频次的时空分布及其变化趋势;沙尘暴热力、动力结构及近地层要素变化特征;沙漠地区的大气扩散规律和边界层结构以及起沙通量模型;沙尘气溶胶微结构;沙尘气溶胶光学特性反演及其辐射模型;沙漠地区云凝结核、冰核的时空分布规律及其对云和降水的影响。该书适用于大气物理学、大气化学、大气环境、     

不同吸湿性的气溶胶对云和降水影响研究进展

气溶胶、云、降水相互关系是现今大气科学的前沿领域。本文总体概括了气溶胶作为云凝结核和冰核,对云宏微观物理特性及降水的影响原理研究的主要成果。并根据气溶胶自身化学性质的吸湿性,从吸湿性气溶胶和非吸湿性气溶胶两方面,重点探讨了模拟研究中,硫酸盐、海盐、沙尘、黑碳气溶胶对于云和降水的影响,以及各类气溶胶与其它类型气溶胶相比,作用于云降水的不同方式。提出之前研究工作的不足,以期为今后该方向的研究提供一些思路。      

气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展

气溶胶对云和降水的影响,对于气候系统、大气环境以及水循环至关重要。气溶胶粒子作为云凝结核和大气冰核影响云的微物理过程,进而影响雨、雪、雹和其他形式的降水。近年来,在理解气溶胶的化学成分,气溶胶微物理特性以及气溶胶作为云凝结核和大气冰核影响云降水等方面已取得重大进展。本文对于气溶胶的概念、来源以及气溶胶的直接和间接效应进行了简要概述,重点总结了国内外在气溶胶影响云和降水的机理研究方面的成果,回顾了近年来利用卫星、地面观测设备、机载探测设备等对气溶胶和云进行遥感观测和直接观测所获得的观测事实并讨论了其可能的物理机制,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。     

巨核对暖云降水影响的模拟研究

利用耦合了新的暖云参数化方案的中尺度模式(MM5),研究了暖云降水中巨核的作用.在这个暖云方案里,先假定一个三模态的气溶胶正态对数分布,然后考虑对流、扩散、云滴和雨滴的核化(非核化)过程,再由气溶胶质量的预报量显式地计算出气溶胶的数浓度.选择了华北地区2005年6月25～26日的一次弱冷锋过程,并以此研究了巨核对云和降...     

沙尘冰核对积云起电过程影响的初步数值模拟试验

非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。     

沙尘气溶胶作为冰核对阿克苏地区一次多单体型强对流风暴降水及其微物理过程影响的数值模拟研究

将DeMott冰核浓度参数化方案引入到WRF中尺度数值模式中,模拟了新疆阿克苏地区一次多单体型强对流风暴,并对背景大气条件和沙尘条件下气溶胶作为冰核,对云中微物理结构和降水变化的影响进行了敏感性试验和对比分析,结果显示:在背景大气条件和沙尘条件下增加冰核浓度对降水中心强度影响较小,并且总体上看降水分布变化不大,但是降水局部的变化量较明显;不同背景条件下IN（Ice Nuclei）浓度的增加使得冰晶和雪的质量混合比和数浓度均有较大幅度的增加,其中雪的主要源项为凝华增长过程,而霰增长主要来源于冰相粒子碰并过冷云滴,并且在背景大气和沙尘条件下增加IN都使得霰的数浓度增加,尺度减少。     

热带深对流云砧数值模拟及云凝结核数浓度对其影响的初步试验

利用中国科学院大气物理研究所发展的三维强风暴模式,对Egrett Microphysics Experiment with Radiation Lidar and Dynamics（EMERALD）试验期间的一次长寿命热带深对流个例进行对流产生、发展、消亡过程以及云砧的数值模拟,并与实测资料［包括C波段双线偏振雷达图像资料、机载云粒子成像仪（CPI）探测的云砧卷云微物理特性以及激光雷达探测的云砧宏观特性资料］进行了细致的对比,然后通过改变模式中最大云滴数浓度进行有关云凝结核数浓度影响云砧卷云冰晶含水量和数浓度的敏感性试验。模式较好地模拟出系统的一些重要宏观特征,如爆发性增长阶段、各高度雷达水平反射率因子的最大值、对流云主体移动方向、云砧底部和顶部高度。对云砧冰相粒子含水量、数浓度以及平均直径等微观特征的模拟结果与实测也比较接近。对于本文个例而言,异质核化为冰晶形成的最主要方式,其次为过冷云滴的均质核化。敏感性试验结果表明:当云凝结核数浓度增加时,爆发性增长阶段的垂直速度减小,使得对流云从中低层向高层的水物质输送量减少,从而使云砧卷云冰晶的数量减少。     

Comparison of Aerosol Effects on Simulated Spring and Summer Hailstorm Clouds

Numerical simulations are carried out to investigate the effect of cloud condensation nuclei(CCN) concentrations on microphysical processes and precipitation characteristics of hailstorms. Two hailstorm cases are simulated, a spring case and a summer case, in a semiarid region of northern China, with the Regional Atmospheric Modeling System. The results are used to investigate the differences and similarities of the CCN effects between spring and summer hailstorms. The similarities are:(1) The total hydrometeor mixing ratio decreases, while the total ice-phase mixing ratio enhances, with increasing CCN concentration;(2) Enhancement of the CCN concentration results in the production of a greater amount of small-sized hydrometeor particles, but a lessening of large-sized hydrometeor particles;(3) As the CCN concentration increases, the supercooled cloud water and rainwater make a lesser contribution to hail, while the ice-phase hydrometeors take on active roles in the growth of hail;(4) When the CCN concentration increases, the amount of total precipitation lessens,while the role played by liquid-phase rainfall in the amount of total precipitation reduces, relatively, compared to that of icephase precipitation. The differences between the two storms include:(1) An increase in the CCN concentration tends to reduce pristine ice mixing ratios in the spring case but enhance them in the summer case;(2) Ice-phase hydrometeor particles contribute more to hail growth in the spring case, while liquid water contributes more in the summer case;(3) An increase in the CCN concentration has different effects on surface hail precipitation in different seasons.     

Impact of Long-range Desert Dust Transport on Hydrometeor Formation over Coastal East Asia

Model simulations and hydrological reanalysis data for 2007 are applied to investigate the impact of long-range desert dust transport on hydrometeor formation over coastal East Asia.Results are analyzed from Hong Kong and Shanghai,which are two representative coastal cities of East Asia.Long-range desert dust transport impacts mainly spring and summer clouds and precipitation over coastal East Asia.In spring,clouds and precipitation come mainly from large-scale condensation and are impacted mainly by dust from the Gobi,Sahara,and Thar deserts.These desert dusts can participate in the precipitation within and below the clouds.At lower latitudes,the dust particles act mainly as water nuclei.At higher latitudes,they act as both water nuclei and ice nuclei.The effect of Gobi,Sahara,and Thar dust on large-scale clouds and precipitation becomes stronger at higher latitudes.In summer,clouds and precipitation over coastal East Asia come mainly from convection and are impacted mainly by dust from the Taklamakan,Arabian,and Karakum-Kavir deserts.Most Taklamakan dust particles can participate in precipitation within convective clouds as ice nuclei,while Arabian and Karakum-Kavir dust particles participate only as water nuclei in precipitation below the clouds.The effect of Taklamakan dust on convective clouds and precipitation becomes stronger at lower latitudes.Of all the desert dusts,that from the Gobi and Taklamakan deserts has the relatively largest impact.Gobi dust impacts climate change in coastal East Asia by affecting spring water clouds at higher latitudes.     

Turbulence Effects on Precipitation and Cloud Radiative Properties in Shallow Cumulus: an Investigation Using the WRF-LES Model Coupled with Bin Microphysics

Using the large-eddy simulation version of the Weather Research and Forecasting (WRF) model coupled with a detailed bin microphysics scheme, the effects of turbulence-induced collision enhancement (TICE) on precipitation and cloud radiative properties in shallow cumulus are investigated. Similar to previous studies, the enhanced droplet collision results in an increase in rainwater content and surface precipitation amount. However, under low aerosol number concentration, the relative frequency of large surface precipitation amount is decreased mainly due to the decreased condensation amount. Due to TICE, the mean drop size increases and the drop number concentration decreases, which results in a decrease in evaporation and hence increasing cloud fraction. However, these changes induce a decrease in cloud optical thickness which largely offsets the increased cloud fraction when the domain-averaged albedo is calculated. Similarly, a decrease in cloud top height caused by the decreased in-cloud vertical velocity largely offsets the increased cloud fraction when the domain-averaged outgoing longwave radiation is calculated. Therefore, the effects of TICE on cloud radiative properties in shallow cumulus do not appear prominently. In addition, TICE results in a decrease in the shear production of turbulent kinetic energy, which indicates that TICE acts to produce a negative feedback.     

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。     

青海秋季对流云降水及催化过程数值模拟研究

利用CAMS三维对流云模式和青海省河南县秋季外场试验取得的资料，对自然云的发展演变过程进行了数值模拟试验。进一步就催化时间、催化剂量对增雨效果的影响进行了数值试验。结果表明，该地区秋季对流云降水主要为冷云降水，冰晶是霰产生的主要来源，冰霰自动转化是霰产生的最主要方式，冰晶与霰的碰并又促进了霰的进一步增长，霰是云中过冷水消耗的主要因素。人工播撒催化剂应在冰核活化过程大量开始以前进行，以达到增加冰晶浓度，消耗过冷云水，从而增加降水的目的。     

南京地区大气冰核浓度的测量及分析

2011年5～8月期间使用5L混合型云室以及静力扩散云室对南京不同成核机制的大气冰核进行了观测,进而分析了近地层冰核浓度特征。结果表明:活化温度为－20°C时,5L混合型云室观测的总冰核浓度为20.11个/L,静力扩散云室模拟高水汽(计算的云室内水面过饱和度为5%)和低水汽(计算的云室内冰面过饱和度为5%)条件下冰核浓度分别为0.93个/L以及0.29个/L。晴好条件下冰核浓度具有明显的日变化特征,白天冰核浓度高于夜间;在下午时段冰核浓度达到全天最高值,这说明大气冰核可能与大气湍流强度、人类活动以及工业污染有关。降水对冰核的清除作用明显,台风系统过程中冰核浓度明显增加。南京地区冰核浓度随温度降低和湿度增加而增加。后向轨迹模式分析表明东北海洋气团冰核浓度最高,不同气团中冰核浓度的差异随着活化温度的降低而减小。个例分析秸秆燃烧生成的PM₁(大气中直径小于或者等于1 μm的颗粒物)与冰核关系发现燃烧产物对冰核有一定的贡献。