气溶胶对云和降水影响的研究

论文摘要

本文利用国家“十五”科技攻关项目“人工增雨技术研究及示范”在北京地区进行的飞机探测资料,统计分析了2004年和2005年39个架次的气溶胶和云微物理资料,研究了北京地区气溶胶的分布特征、云滴有效半径的变化,气溶胶对云的第一和第二间接效应;同时利用RACE试验取得的清洁大气背景下的气溶胶和云微物理探测资料,对云的反照度和有效粒子半径的关系,与北京地区做了对比分析。结果表明,云底直径大于0.1μm的气溶胶数浓度与云滴数浓度密切相关,粒子数浓度与云滴大小呈反相关关系。在相同的液水路径(LWP)条件下,污染地区的云的数浓度高,云滴尺度较小,但具有较高的云反照度,小雨滴的尺度也较小;而在清洁地区,云滴有效半径与反照度成反比。这个结果证明了高浓度的气溶胶粒子对层状云的微物理特征有直接的影响。本文引进了新的暖云微物理参数化方案,利用2000年3月17日美国ARM试验期间取得的资料,研究了云的辐射特性和降水对气溶胶的敏感性。采用一个简单的处理气溶胶的方法,分析各种影响云微物理性质的过程,并研究云微物理和辐射特性对气溶胶的敏感性,以及它们的后继效应对降水和辐射强迫的作用。对一个暖云系统进行的测试模拟表明,得到的结果与其他研究一致,特别是新活化的云滴数目和过饱和度的关系可建立经验方程来表示。气溶胶越多,云水越多,由此产生的云滴数越多,但尺度较小,云的反照率增加,地面降水减少。研究表明,大核的引进可以同时增加云滴有效半径和降水,用云滴的体积平均半径计算的太阳辐射强迫比用云滴有效半径计算的偏大。本文利用耦合了新的暖云方案的中尺度模式模拟了北京地区2005年夏季的4次降水过程。模式所用的气溶胶三模态分布中累积模态部分用机载气溶胶探头PCASP测得的实际气溶胶分布拟合。对2005年6月25—27日一次冷锋过境过程的模拟表明,耦合了新的暖云方案的区域模式不但能较好地模拟出环流场,而且对降水时空分布的模拟也与观测十分吻合。另外,模式模拟的云滴有效半径也与观测值较接近,但对云水的模拟高于观测值。本文还分别用清洁大陆背景气溶胶分布和城市气溶胶分布启动模式做了敏感性试验,并分析比较了不同气溶胶分布对云辐射特性的影响。模式的结果证明,气溶胶对云有间接影响,即,气溶胶数浓度越大,云凝结核(CCN)越多,使得云反照度提高,降水减少。气溶胶对降水过程的作用比较复杂,一方面,云滴尺度减小就会降低云滴之间的相互碰并聚合,即降低了云雨自动转化过程的效率,使得雨滴数浓度雨水减少;另一方面,云水的增加,又会在一定程度上加强雨滴增长的碰并过程。但是,从整个云系来说,气溶胶浓度的增加还是抑制了降水的形成。对不同气象条件下,北京地区气溶胶对云和降水影响的模拟结果显示,同一地区气溶胶对云和降水的影响受到气象条件的制约;虽然模拟结果与观测值有一定的差别,但考虑模式的假设条件和观测仪器的误差,这种差别仍在合理范围。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 气溶胶对云和降水影响的观测研究
• 1.2.1.1 暖云
• 1.2.1.2 冰核对云和降水影响的观测研究
• 1.2.1.3 国内对气溶胶的观测研究
• 1.2.2 气溶胶对云和降水影响的模式研究
• 1.2.2.1 描述云微物理特性的数值方法
• 1.2.2.2 云中物理过程的数值描述
• 1.2.2.3 模拟气溶胶—云—降水相互作用
• 1.2.2.4 国内气溶胶数值模式研究情况
• 1.3 本论文的研究内容
• 本章参考文献
• 第二章 飞机观测及资料分析
• 2.1 引言
• 2.2 资料情况
• 2.2.1 观测区域和时间
• 2.2.2 地基观测项目
• 2.2.3 机载仪器和观测内容
• 2.3 试验地区气溶胶和云的微物理特征分析
• 2.3.1 统计特征
• 2.3.2 气溶胶对云的辐射特性的影响
• 2.4 北京市区气溶胶的分布特征
• 2.4.1 垂直分布特征
• 2.4.2 水平分布特征
• 2.4.3 气溶胶粒子谱分布特征
• 2.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 双参数暖云方案的引进及在MM5中的耦合
• 3.1 引言
• 3.2 新的双参数暖云方案介绍
• 3.2.1 物理基础及技术方法
• 3.2.2 C&L暖云方案中的微物理过程
• 3.3 MM5V3模式介绍
• 3.3.1 模式特点
• 3.3.2 MM5中的云物理过程方案
• 3.3.2.1 积云对流参数化方案
• 3.3.2.2 显式云微物理方案
• 3.3.2.3 辐射传输方案
• 3.4 新的暖云方案耦合到MM5V3中
• 本章参考文献
• 第四章 美国ARM试验个例分析
• 4.1 美国ARM试验简介
• 4.2 个例选取和模式中的参数选择
• 4.3 模拟试验
• 4.3.1 与MM5中原有暖云方案（Hsie方案）的比较
• 4.3.2 不同气溶胶背景下的模拟对比分析
• 4.3.2.1 模拟个例的云微物理性质
• 4.3.2.2 模拟个例的云辐射性质
• 4.3.3 巨核的作用
• 4.4 本章小结
• 第五章 北京2005年夏季个例分析
• 5.1 引言
• 5.2 个例选取
• 5.3 气溶胶谱分布中参数的确定
• 5.3.1 云下气溶胶浓度资料的处理
• 5.3.2 云下气溶胶尺度资料的处理
• 5.3.3 用机载PCASP探测资料拟合的气溶胶三模态分布
• 5.4 个例分析
• 5.4.1 试验设计
• 5.4.2 模式中各参数的选取
• 5.4.3 2005年6月26日个例
• 5.4.3.1 天气背景
• 5.4.3.2 环流场、云区和6 hr累积降水的模拟
• 5.4.3.3 不同微物理显式方案的模拟比较
• 5.4.3.4 不同大陆背景气溶胶分布的模拟比较
• 5.4.3.5 辐射方案中,不同云滴有效粒子半径选取的模拟比较
• 5.4.3.6 与飞机观测的比较
• 5.4.4 不同气象背景条件下,气溶胶对云微物理和辐射特性的影响
• 5.4.4.1 2005年7月22—23日个例分析
• 5.4.4.2 2005年8月1—3日个例分析
• 5.4.4.3 2005年8月15-17日个例分析
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 结论和讨论
• 6.1 结论
• 6.2 本研究的创新点
• 6.3 本研究存在的不足和今后的工作
• 博士期间发表和待发表的论文及参加学术会议交流情况
• 致谢