云模式中氣溶膠物理過(guò)程參數(shù)化方案研究概述
劉校辰, 劉奇俊
摘要：介紹了大氣氣溶膠的濃度评矩、氣溶膠的譜形等物理性質(zhì)對(duì)云的微物理過(guò)程造成的影響以及目前云模式中常用到的一些氣溶膠物理過(guò)程的體積水、分檔等參數(shù)化方案, 并評(píng)述了這些參數(shù)化方案各自的特點(diǎn)蟀给。提出了在設(shè)計(jì)氣溶膠物理過(guò)程參數(shù)化方案時(shí)需要注意和有待解決的幾個(gè)問(wèn)題, 建議在設(shè)計(jì)氣溶膠-云相互作用的模式時(shí), 要根據(jù)不同的研究目的選擇合適的參數(shù)化方案。
關(guān)鍵詞：云模式 氣溶膠 云凝結(jié)核 參數(shù)化方案
大氣氣溶膠的尺度范圍常取 10-3 到101μm 纫普。某些氣溶膠粒子在大氣過(guò)飽和或接近飽和的情況下 , 可以作為云凝結(jié)核形成水滴胚胎峭弟。云凝結(jié)核 (CCN) 的特征對(duì)所形成云的特性有很大的影響 , 如云滴譜的數(shù)濃度和粒徑大小、 是否可以產(chǎn)生降水 屯断、 以及云的存在時(shí)間等 文虏。大氣氣溶膠過(guò)程影響 CCN的特性從而影響云的微物理特性, 同時(shí)還影響云的輻射特性等。某些氣溶膠粒子在一定的溫度條件下還可以作為冰核 (IN) 形成冰晶 殖演。 Khvoro sty 等[ 12] 還 指 出, 一 部 分CCN 在溫度比較低的情況下同樣可以充當(dāng)冰核 氧秘。外場(chǎng)觀測(cè)表明, 大部分 CCN 是人為或自然產(chǎn)生的硫酸鹽氣溶膠[13]。人為污染
增加了大氣氣溶膠的濃度, 也增加了 CCN的數(shù)目[ 14] 趴久。觀測(cè)和模擬也證實(shí) CCN 濃度的增加 , 會(huì)使平均云滴尺度減小 , 阻礙降水的發(fā)展, 進(jìn) 而 增 加 云 的 壽 命[ 15]丸相。 1993 年Kaufman 等[ 16] 曾觀測(cè)到在 Amazon 污染區(qū)上空的大陸性云伴隨著云滴濃度的增加云滴半徑 (從 15μm 減少到 5μm) 顯著減少 。1999 年 Maritinsson 等[ 17] 也觀測(cè)到在山地污染云中云粒子濃度大量增加 (最大可達(dá)2000cm-3), 粒子有效半 徑會(huì)顯著 減小 彼棍。Andrea 等[ 18] 在 2003 年也曾就氣溶膠粒子對(duì)滴譜寬度的影響進(jìn)行過(guò)詳細(xì)闡述 灭忠。另外氣溶膠 對(duì)降水 形成 也有 一定 的影 響。 Roesnfeld等[ 19] 觀測(cè)到在泰國(guó)和印度尼西亞的污染區(qū)內(nèi) , 由于滴譜比較窄, 污染云基本不會(huì)下雨, 但是在干凈大氣中, 類(lèi)似的云在形成后的 20 ～ 25 分鐘就會(huì)產(chǎn)生降水滥酥。 另外Roesnfeld[ 20] 還指出隨著污染的加重, 城市居住區(qū)降水有所減少更舞。
氣溶膠粒子核化過(guò)程的參數(shù)化方案
體積水方案:
用體積水方案處理凝結(jié)核化過(guò)程, 優(yōu)點(diǎn)主要是計(jì)算簡(jiǎn)單 , 預(yù)報(bào)量少, 可以通過(guò)較少
的參數(shù)方程描述粒子譜的整體變化情況 。但是這種方案忽略了氣溶膠的化學(xué)性質(zhì)以及尺度大小對(duì)云微物理過(guò)程的影響 , 只能整體描述譜形變化, 無(wú)法研究不同尺度段氣溶膠粒子譜的演變過(guò)程 坎吻。
分檔方案：
比較詳盡的分檔云模式是研究氣溶膠對(duì)降水形成和影響的最有效途徑之一 缆蝉。在這種方案中, 氣溶膠是通過(guò)特殊的分檔方程進(jìn)行描述的, 這類(lèi)分檔方程主要與氣溶膠的尺度和空間坐標(biāo)有關(guān)系 。氣溶膠粒子核化的尺度大小以及相應(yīng)的新生滴的尺度通常是由過(guò)飽和度值決定。
Kogan, Khain , Yin等用類(lèi)似Mordy的方法對(duì)凝結(jié)增長(zhǎng)進(jìn)行了參數(shù)化 刊头。這種處理可以在對(duì)流和湍流混合的環(huán)境下比較準(zhǔn)確地計(jì)算云凝結(jié)核的數(shù)量 , 并且可以減少初始譜的寬度和防止過(guò)快形成雨滴黍瞧。
使用分檔方法計(jì)算可以比較精確的計(jì)算活化譜, 能夠研究不同尺度范圍內(nèi)的氣溶膠粒子的濃度和質(zhì)量變化情況。但是這種方案多用于氣團(tuán)模式 , 因此一般假設(shè)云中的最大上升速度是定常的, 對(duì)過(guò)飽和度的時(shí)間描述較粗 , 這與對(duì)流云等實(shí)際情況不十分相符, 因此這類(lèi)分檔方案也存在一定的不確定性原杂。另外這種方法的參數(shù)方程比較復(fù)雜 , 計(jì)算量大, 計(jì)算時(shí)間也較長(zhǎng) 印颤。
