城市污染大气环境下云和降水形成的观测与数值模拟研究

论文摘要

城市是人类活动最集中的地方,城市化发展会引起显著的大气环境改变,如大气成分组成、大气层结状况、地表及边界层结构等的改变,这些改变是否会引起区域大气水循环过程的改变,是国际上的热点研究问题。由于大气降水是地表水和地下水的重要来源,一旦大气降水过程发生改变,对地表水和地下水的补充不足,会造成严重的区域生态环境和地质问题,如荒漠化、地表塌陷等一系列问题。我国城市化正处于快速发展阶段。随着城市规模的不断扩大,水资源的不足便成为一个日益凸显的问题。据统计,我国669个城市中有400个供水不足,110个严重缺水。北京、天津、青岛、大连等大城市缺水最为严重。由于对地下水的过度抽取,地下水位下降已经引起一系列严重的地质和生态环境问题,因此,我国城市化的发展是否会引起区域大气降水过程的改变成为普遍关注的问题。国际上关于城市化对降水的影响研究比较多,但结论并不一致。其中的一个很重要的原因是不同城市由于其所处的地理位置、气候环境（如海洋、地形、气候带等）不同,城市化引起的云和降水改变不同。我国关于城市效应的研究基本集中在城市的热岛效应等方面,但有关城市化对云和降水影响研究并不多。我国城市化的一个显著特点是大气污染排放比较严重。因此,本论文将利用数值模拟和飞机观测手段,从云微物理形成角度揭示城市污染环境下气溶胶作为云凝结核对云和降水形成的影响机理。气溶胶与云相互作用也是气候变化研究中气溶胶间接效应的重要方面。同时研究气溶胶对云和降水的影响也可为我国大气水资源的开发利用提供一定的参考。本论文首先利用国家科技支撑计划重点项目在环北京地区开展的综合云系飞机探测资料,分析了城市大气环境下自然降水性层积混合云的结构,气溶胶对云和降水的影响问题。然后利用数值模式研究了城市大气环境下气溶胶的尺度、浓度对云和降水的影响机理。飞机观测研究结果表明,层积混合云系中的对流泡是气溶胶与云相互作用最活跃的区域。对流泡中液滴谱和气溶胶谱的分布的差异说明,气溶胶形成云滴的机理是不同的,小尺度气溶胶主要是通过凝结核化过程形成云滴,而大尺度气溶胶除凝结核化过程外,碰并过程也非常重要。在观测的基础上,利用气块模式模拟了不同尺度与浓度的吸湿性气溶胶（KC1）在污染环境（（NH4）2SO4）下对云和降水形成过程的影响。结果表明,污染环境下,吸湿性气溶胶粒子对云和降水形成的影响由于其尺度和浓度的差异而不同。直径小于0.1μm的气溶胶粒子对云及降水的形成影响很小。直径为0.1-1μm的气溶胶粒子会生成大量小尺度云滴,从而增加云的生命史,延缓降水的形成。直径为1-2.5μm的气溶胶粒子会生成最大量的毛毛雨。直径为2.5-10μm的气溶胶粒子影响最大,会增强碰并有利于降水粒子的生成。浓度不同的大尺度气溶胶对降水性粒子的生成及发展的影响也不同,随着其数浓度的增加,会加快降水性粒子的生成速率,但当数浓度很高时,这一趋势就减弱了。其不同的浓度均会抑制毛毛雨的生成,并不改变降水性粒子的生成时间。飞机的观测资料与模式的主要研究结论有很好的一致性。由于气块模式包括了复杂的气溶胶核化、云粒子分档过程,在研究初始云滴凝结增长和碰并过程方面具有优势,但因其简单的动力过程,并未包括冷云降水过程,在描述实际降水过程时具有一定的局限性。为了研究真实大气环境背景条件下气溶胶对云和降水形成的影响问题,本文利用中尺度WRF模式对2009年4月18日的降水过程进行模拟分析,并与加密观测的降水资料进行对比。在此基础上,进一步针对不同的气溶胶云凝结核（Cloud Condensation Nuclei-CCN）初始数浓度对该降水过程进行了敏感性分析。敏感性分析中所采用的CCN初始数浓度为清洁条件下的CCN数浓度、模式微物理方案中原有CCN初始数浓度以及机载粒子测量系统在北京及张家口地区三次观测所得到的最大气溶胶数浓度。研究结果表明,随着初始CCN数浓度的增加云滴数浓度是增加的。高浓度的云滴争食水汽使得雨滴数浓度减少。本文所模拟的个例降水是受到高浓度的气溶胶粒子影响自然降水量降低。因此高浓度的初始CCN会减少降水。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究意义
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.2.1 云微物理与气溶胶观测研究
• 1.2.1.1 云降水粒子增长机制的观测研究
• 1.2.1.2 气溶胶对云降水影响的观测研究
• 1.2.2 气溶胶对云降水影响的数值模拟研究
• 1.3 本论文研究内容
• 参考文献
• 第二章 资料来源与研究方法
• 2.1 飞机观测
• 2.2 数值模式
• 2.2.1 气块云粒子分档数值模式
• 2.2.1.1 CCN活化过程
• 2.2.1.2 云凝结增长过程
• 2.2.1.3 云粒子碰并效率
• 2.2.1.4 模式数值积分方法
• 2.2.2 WRF中尺度数值模式
• 2.2.2.1 WRF模式框架结构
• 2.2.2.2 WDM6双参数微物理方案
• 参考文献
• 第三章 典型层积云系结构及气溶胶分布特征的观测研究
• 3.1 云系宏观特征
• 3.1.1 天气学分析
• 3.1.2 卫星云图分析
• 3.1.3 雷达回波分析
• 3.1.4 飞机探测轨迹
• 3.2 云粒子分布特征分析
• 3.2.1 飞机上升阶段云粒子分布特征分析
• 3.2.2 飞机平飞阶段云粒子分布特征分析
• 3.3 结论和讨论
• 参考文献
• 第四章 气溶胶尺度和浓度在云微物理和降水形成过程中作用的研究
• 4.1 模式介绍
• 4.2 模拟结果分析
• 4.2.1 气溶胶对云降水的影响
• 4.2.2 不同尺度气溶胶对云降水的影响
• 4.2.3 不同浓度气溶胶对云降水的影响
• 4.3 沙尘及污染性气溶胶的影响作用
• 4.4 结论与讨论
• 参考文献
• 第五章 不同大气污染环境条件下气溶胶对云和降水影响的中尺度数值模拟试验
• 5.1 WRF中尺度数值模拟试验与分析
• 5.1.1 模拟方案设计
• 5.1.2 降水分布与演变特征
• 5.1.3 垂直速度分布与演变特征
• 5.1.4 水汽和云水成物分布与演变特征
• 5.1.5 CCN分布与演变特征
• 5.2 不同浓度CCN的影响模拟试验
• 5.2.1 CCN浓度对降水的影响
• 5.2.2 CCN浓度对云垂直速度的影响
• 5.2.3 CCN浓度对云水成物的影响
• 5.3 结论与讨论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 论文创新点
• 6.3 研究展望
• 在学期间的研究成果
• 致谢