云模式中气溶胶物理过程参数化方案研究概述

云模式中气溶胶物理过程参数化方案研究概述

刘校辰, 刘奇俊

摘要：介绍了大气气溶胶的浓度、气溶胶的谱形等物理性质对云的微物理过程造成的影响以及目前云模式中常用到的一些气溶胶物理过程的体积水、分档等参数化方案, 并评述了这些参数化方案各自的特点。提出了在设计气溶胶物理过程参数化方案时需要注意和有待解决的几个问题, 建议在设计气溶胶-云相互作用的模式时, 要根据不同的研究目的选择合适的参数化方案。

关键词：云模式 气溶胶 云凝结核 参数化方案

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大气气溶胶的尺度范围常取 10-3 到101μm 。某些气溶胶粒子在大气过饱和或接近饱和的情况下 , 可以作为云凝结核形成水滴胚胎。云凝结核 (CCN) 的特征对所形成云的特性有很大的影响 , 如云滴谱的数浓度和粒径大小、 是否可以产生降水 、 以及云的存在时间等 。大气气溶胶过程影响 CCN的特性从而影响云的微物理特性, 同时还影响云的辐射特性等。某些气溶胶粒子在一定的温度条件下还可以作为冰核 (IN) 形成冰晶 。 Khvoro sty 等[ 12] 还 指 出, 一 部 分CCN 在温度比较低的情况下同样可以充当冰核 。外场观测表明, 大部分 CCN 是人为或自然产生的硫酸盐气溶胶[13]。人为污染
增加了大气气溶胶的浓度, 也增加了 CCN的数目[ 14] 。观测和模拟也证实 CCN 浓度的增加 , 会使平均云滴尺度减小 , 阻碍降水的发展, 进 而 增 加 云 的 寿 命[ 15]。 1993 年Kaufman 等[ 16] 曾观测到在 Amazon 污染区上空的大陆性云伴随着云滴浓度的增加云滴半径 (从 15μm 减少到 5μm) 显著减少 。1999 年 Maritinsson 等[ 17] 也观测到在山地污染云中云粒子浓度大量增加 (最大可达2000cm-3), 粒子有效半 径会显著 减小 。Andrea 等[ 18] 在 2003 年也曾就气溶胶粒子对滴谱宽度的影响进行过详细阐述 。另外气溶胶 对降水 形成 也有 一定 的影 响。 Roesnfeld等[ 19] 观测到在泰国和印度尼西亚的污染区内 , 由于滴谱比较窄, 污染云基本不会下雨, 但是在干净大气中, 类似的云在形成后的 20 ～ 25 分钟就会产生降水。 另外Roesnfeld[ 20] 还指出随着污染的加重, 城市居住区降水有所减少。

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气溶胶粒子核化过程的参数化方案

体积水方案:

用体积水方案处理凝结核化过程, 优点主要是计算简单 , 预报量少, 可以通过较少
的参数方程描述粒子谱的整体变化情况 。但是这种方案忽略了气溶胶的化学性质以及尺度大小对云微物理过程的影响 , 只能整体描述谱形变化, 无法研究不同尺度段气溶胶粒子谱的演变过程 。

分档方案：

比较详尽的分档云模式是研究气溶胶对降水形成和影响的最有效途径之一 。在这种方案中, 气溶胶是通过特殊的分档方程进行描述的, 这类分档方程主要与气溶胶的尺度和空间坐标有关系 。气溶胶粒子核化的尺度大小以及相应的新生滴的尺度通常是由过饱和度值决定。

Kogan, Khain , Yin等用类似Mordy的方法对凝结增长进行了参数化 。这种处理可以在对流和湍流混合的环境下比较准确地计算云凝结核的数量 , 并且可以减少初始谱的宽度和防止过快形成雨滴。

使用分档方法计算可以比较精确的计算活化谱, 能够研究不同尺度范围内的气溶胶粒子的浓度和质量变化情况。但是这种方案多用于气团模式 , 因此一般假设云中的最大上升速度是定常的, 对过饱和度的时间描述较粗 , 这与对流云等实际情况不十分相符, 因此这类分档方案也存在一定的不确定性。另外这种方法的参数方程比较复杂 , 计算量大, 计算时间也较长 。