沙尘气溶胶远程输送对云和降水影响的数值模拟研究

论文摘要

研究表明，沙尘气溶胶可通过对太阳辐射的吸收和散射影响地气系统的辐射平衡，也可作为云凝结核和冰核改变云和降水的发展，改变云和降水的全球分布。为更好地理解沙尘对大气湿过程带来的影响，采用分档云动力学模式，讨论了沙尘气溶胶传输过程对云的宏微观特征及降水发展可能造成的影响。首先，采用贺兰山地区气溶胶观测资料，模拟了不同等级沙尘天气条件下气溶胶粒子谱分布对云和降水的影响。结果发现：扬沙和沙尘暴过程引起的巨核浓度增多促进了降水发展，使降水提前出现，暖云和冷云降水大幅增加；而沙尘天气过程中大气冰核浓度的增加提高了云内冰相粒子的浓度，降低冰粒子的有效半径和冷云降水效率，云内存留的大量冰晶使云的光学厚度和反照率得到增强。其次，沙尘粒子在远程输送过程中与大气中的污染物相互作用，导致可溶性污染物（如硫酸盐和硝酸盐）在沙尘粒子表面的形成和沉积，改变了沙尘粒子的光学特性及其作为云凝结核和大气冰核的能力。本工作探讨了不同大气气溶胶背景条件下沙尘粒子对云和降水形成的影响，结果表明：只有在大陆或人为污染比较严重地区的云中，含有一定比例可溶性物质的沙尘粒子有利于大云滴产生，提高了云滴间的碰并效率从而促进暖云降水发展和霰等冰相降水粒子的发展，提前冰相降水粒子的出现时间，并增加地面降水。最后，最新遥感资料表明，沙尘对日地辐射吸收造成的大气加热作用对云微观特性和分布产生明显影响。为解释这一结果，本文采用沙尘加热率分布的卫星遥感结果和云模式从理论上评估了沙尘加热作用对云和降水的影响，并重点讨论了沙尘最大浓度出现的高度、沙尘厚度及加热强度对云粒子发展和降水形成的影响。结果表明：传输过程中当沙尘最大浓度出现在温度高（低）于-5℃的区域时，沙尘的加热作用抑制（有利于）云和降水的发展，并且传输层中吸收性粒子越多，传输层高度越低、厚度越大，对云形成和发展的抑制作用越强。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 沙尘气溶胶的释放与传输
• 1.2 沙尘气溶胶—云相互作用的几个重要方面
• 1.2.1 沙尘气溶胶作为云凝结核
• 1.2.2 沙尘气溶胶作为大气冰核
• 1.2.3 沙尘气溶胶的加热效应
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 本文的主要研究目的和意义
• 1.3.2 本文的主要研究内容
• 第二章 模式描述
• 2.1 动力学过程
• 2.2 微物理过程
• 2.2.1 云滴的活化
• 2.2.2 冰晶的核化
• 2.2.3 浸润冻结过程
• 2.2.4 其它微物理过程
• 2.3 模式初始化
• 2.3.1 初始热力学条件
• 2.3.2 气溶胶的初始化
• 2.3.3 气溶胶化学成分
• 第三章 扬沙和沙尘暴对云微物理、光学特性及降水的影响
• 3.1 数值模拟方案介绍
• 3.2 可溶性矿物沙尘粒子对云与降水过程的影响
• 3.2.1 对云中水成物及降水的影响
• 3.2.2 对云光学性质的影响
• 3.2.3 对水成物尺度谱及有效半径的影响
• 3.3 由矿物沙尘粒子引起的CCN和IN浓度的增加对云与降水的影响
• 3.3.1 对云中水成物和降水的影响
• 3.3.2 对光学性质的影响
• 3.3.3 对水成物尺度的影响
• 3.4 结论
• 第四章 沙尘气溶胶传输过程对大气冰相过程发展的影响
• 4.1 气溶胶分布及模拟方案
• 4.2 结果分析
• 4.2.1 沙尘传输对云内冰粒子谱分布的影响
• 4.2.2 沙尘传输对冰相降水及地面累积降水的影响
• 4.2.3 冰相降水率和总降水率的时间变化
• 4.2.4 对霰粒分布产生的影响
• 4.3 结论
• 第五章 矿物气溶胶远程传输过程中热力效应的数值模拟研究
• 5.1 矿物气溶胶的热力结构及其分布
• 5.2 矿物气溶胶远程传输过程中CCN增加的影响
• 5.2.1 传输层高度的影响
• 5.2.2 传输层厚度的影响
• 5.3 矿物气溶胶远程传输过程中IN增加的影响
• 5.4 矿物气溶胶远程传输过程中热力效应的影响
• 5.4.1 不同加热率带来的云物理特征变化
• 5.4.2 沙尘高度的影响
• 5.4.3 沙尘厚度的影响
• 5.5 地面累积降水的变化
• 5.6 结语
• 第六章 本文总结
• 6.1 主要研究成果
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 参加科研项目、学术活动及发表或待发表论文目录
• 致谢
• 附图