（大气物理学与大气环境专业论文）云凝结核影响混合型层状云降水的数值模拟研究.pdf

摘要 本文使用耦合了新的m o r f i s o n 双参数微物理方案的中尺度w r f 模式v 2 2 对 2 0 0 8 年1f 1 2 5 日至2 9 日发生在我国南方的冰雪降水天气过程进行了数值试验。模 式对5 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 上的温度、湿度、风场、等压面位势高度和冻雨区的大气 层结特征都有较为准确的模拟，清楚地再现出了此次天气过程的演变特点。在 此基础上，对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感 性试验。结果表明，云滴数的增加对累积降水量的影响有明显的空间和时间不 均匀性，降水量对云滴数浓度的响应是复杂和非线性的。选取一个较小区域的 短时局地降水过程来研究降水量对云滴数浓度的敏感性，能够找到一些线性相 关关系。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析，并从各种水成物粒 子的发展演变上，讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降 水产生的不同影响。结论发现，云滴数浓度越大，云水混合比就越大，云滴的 尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反，随着云滴数浓度 的增加，雨滴数浓度减小，雨水也减少，暖云降水过程受到了抑制；冰晶和雪 晶的数浓度的演变过程没有明显变化，而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的， 可见冷云降水过程得到了一定程度的增强。 从本文模拟的个例来看，设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差 异在l 以内。总的来说，增加云滴数浓度，降水量会减少。从比例上来看，增 加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显 著，但是在本文模拟的个例中，冷云降水过程占主导地位，减少的降水和增加 的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近，它们相互抵消后得到的结果是 降水量变化的绝对值大大减小了，这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降 水量变化不明显的原因。如果考虑到此次天气过程中华南大部分地区有强烈逆 温层，使冰相降水粒子大规模融化成液态水，云中雪晶减少的同时雨滴增加， 那么对于本次天气过程暖云降水减少和冷云降水增多程度会比分析计算所得的 数值更大。进行了降水过程对谱形参数的敏感性试验，结果显示，改变谱形参 数后模式模拟的累积降水量有显著差异。从模拟的云水含量、雨水含量和雪晶 含量的对比上来看，不同的谱形参数所模拟出的降水系统的内部结构和降水量 不同。 最后使用了模式自带的气溶胶谱分布进行了预报云滴数浓度方案的模拟试 验，将模拟结果与采用常数云滴数浓度方案的控制试验的结果进行了对比。发 现其和控制试验的模拟结果之间的差异比起各不同常数云滴数浓度成员与控制 试验之间的差异要明显得多。 关键词：云凝结核数浓度，混合型层状云，降水 a b s t r a c t an e wt w o - m o m e n tb u l k m i c r o p h y s i c ss c h e m e i s i n c o r p o r a t e d i n t ot h e m e s o s c a l em o d e l 哪v 2 2t os i m u l a t et h ew e a t h e rp r o c e s so fs n o wa n dr a i nf r o m 2 5 m 一2 9 t i lj a n 2 0 0 8i nt h es o u t ho f c h i n a t h et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , w i n df i e l d ，a n d t h eg e o p o t e n t i a lh e i g h to ft h ec o n s t a n tp r e s s u r es u r f a c eo f5 0 0 h p aa n d8 5 0 h p aa n d t h ec h a r a c t e ro ft h es t r a t i f i e d a t m o s p h e r ei nt h e i c er a i nr e g i o na r es i m u l a t e d c o r r e c t l yb yt h em o d e l t h ec h a r a c t e ro ft h ee v o l v e m e n to ft h ea t m o s p h e r ei s d i s t i n c t l ye x p r e s s e d t h ei m p a c to ft h ec l o u dd r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o ni nt h e m i c r o p h y s i c st ot h ea c c u m u l a t e dp r e c i p i t a t i o ni sr e s e a r c h e do nt h i sb a s e t h er e s u l t i st h a tt h ei m p a c tt ot h ea c c u m u l a t e dp r e c i p i t a t i o ni so b v i o u s l ya s y m m e t r i c a li nb o t h s p a c ea n dt i m e ，t h ea n s w e rf r o mt h ep r e c i p i t a t i o ni sc o m p l i c a t e da n dn o n l i n e a r a s m a l lr e g i o ni sc h o s e nt or e s e a r c ht h ei m p a c to f c l o u dd r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o n t ot h es h o r tt i m e p r e c i p i t a t i o n , s o m e l i n e a r r e l a t i o n s h i pc a nb ef o u n d t h e m i c r o p h y s i c sp r o p e r t i e si n t h ew e a t h e rp r o c e s sa r e d e t a i l e d l ya n a l y z e d t h e e v o l v e m e n to fe a c hh y d r o m e t e o rc l a s si sa n a l y z e dt of i n do u tt h ee f f e c tf r o mt h e c h a n g eo ft h ec l o u dd r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o nt ot h ew a r mc l o u da n dc o l dc l o u d p r e c i p i t a t i o np r o c e s s e s s o m ec o n c l u s i o ni sf o u n d ：t h em o r ec l o u dd r o p l e tn u m b e r c o n c e n t r a t i o n ，t h eb i g g e rc l o u dw a t e rm i x i n gr a t i o n ，t h es m a l l e rc l o u dd r o p l e ts i z e ； t h er e s p o n s ef r o mr a i nd r o p l e ti so p p o s i t ef r o mc l o u dd r o p l e t ，t h em o r ec l o u dd r o p l e t n u m b e rc o n c e n t r a t i o n ，t h el e s sr a i nd r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o n ，t h el e s sr a i nw a t e r m i x i n gr a t i o ，t h ew a r mc l o u dp r e c i p i t a t i o ni si n h i b i t e d a st h ei n c r e a s eo ft h ec l o u d d r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o n ，t h en u m b e rc o n c e n t r a t i o no fi c ec r y s t a la n ds n o w d o n tc h a n g em u c h ，b u tt h em i x i n gr a t i oo fi c ec r y s t a la n ds n o wb e c o m eb i g g e ra st h e c l o u dd r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s ，s ot h ec o l dc l o u dp r e c i p i t a t i o ni s e n h a n c e d i nt h i sc a s e ，t h ed i f f e r e n c eo ft o t a lp r e c i p i t a t i o n ss i m u l a t e df r o md i f f e r e n t c l o u dd r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o ni sl e s st h a n 1 ，g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h e i i i p r e c i p i t a t i o nd e c r e a s e sa st h ec l o u dd r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d t h e p r o p o r t i o no ft h ed e c r e a s eo ft h ew a r mc l o u dp r e c i p i t a t i o ni sm u c hb i g g e rt h a nt h a t o ft h ei n c r e a s eo ft h ec o l dc l o u dp r e c i p i t a t i o n ，b u ti nt h i sc a s e ，t h ed o m i n a t ep r o c e s s i sc o l dc l o u dp r e c i p i t a t i o n , t h ea b s o l u t ev a l u eo ft h ed e c r e a s e da n d i n c r e a s e d p r e c i p i t a t i o na r ei nt h es a l t l ed i m e n s i o na n dd o n o td i f f e ral o t t h er e s u l to ft h e c o u n t e r a c t i o ni st h ev a l u eo ft h et o t a lp r e c i p i t a t i o nd on o td i f f e ral o tf r o me a c ho t h e r i ft h el a r g ei n v e r s i o nl a y e ri ns o u t hc h i n ai sc o n s i d e r e di nt h i sc a s e ，m a n yi c ep h a s e p a r t i c l ew i l lm e l ti n t ol i q u i dw a t e r , t h er a i nw a t e ri n c r e a s e sw h i l et h es n o wd e c r e a s e i nt h ec l o u d ，t h ev a l u eo ft h ei n c r e a s eo ft h ec o l dc l o u d p r e c i p i t a t i o na n dt h ed e c r e a s e o ft h ew a r mc l o u dp r e c i p i t a t i o nw i l lb i g g e rt h a nt h o s ec a l c u l a t e di nt h i sp a p e r t h e s e n s i t i v i t ye x p e r i m e n to nt h ed r o p l e ts i z ed i s t r i b u t i o ni n d e xi so p e r a t e d i ti sf o u n d t h a tt h ep r e c i p i t a t i o na r ed i f f e r e n ti fd i f f e r e n td r o p l e ts i z ed i s t r i b u t i o ni n d e xa r eu s e d ， t h ec o n t r a s to f c l o u dw a t e rm i x i n gr a t i o ，r a i nw a t e rm i x i n gr a t i oa n ds n o wm i x i n g r a t i os h o wt h a tt h ep r e c i p i t a t i o ns y s t e ma n dt h ed i s t r i b u t i o no fh y d r o m e t e o rc l a s s e s a r ed i f f e r e n ti fd i f f e r e n td r o p l e ts i z ed i s t r i b u t i o ni n d e xa r eu s e d a tl a s t , ap r e d i c t c l o u dd r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o ns c h e m ei su s e dt os i m u l a t et h es a n l ec a s e ，t h e r e s u l ti st h a tt h ed i f f e r e n c eo ft h ea c c u m u l a t e dp r e c i p i t a t i o nb e t w e e nt h i ss c h e m ea n d t h ec o n t r o le x p e r i m e n ti sm u c hm o r eo b v i o u st h a nt h o s eb e t w e e nt h em e m b e r so f d i f f e r e n tc l o u dd r o p l e tn u m b e rc o n c e n t r a t i o na n dt h ec o n t r o le x p e r i m e n t k e y w o r d 。c l o u dc o n d e n s a t i o nn u c l e i ，m i x e ds t r a t i f o r ma n dc o n v e c t i v ec l o u d s ， p r e c i p i t a t i o n i v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：超里受垦宅 日 期：型仝= ：! 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 1 1 研究意义 第一章绪论 气溶胶是指悬浮在气体中的固体和( 或) 液体微粒与气体载体共同组成的多相体系。相 应地，大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。气溶胶 颗粒物的直径多在0 0 0 1 1 0 0 a m 之间。气溶胶粒子在云雾降水形成过程中有重要的作用， 可以作为云凝结核( c c n ) 影响云的光学特性、云量以及云的寿命等，并由此产生对气候的 间接效应。气溶胶的间接强迫有两方面：( 1 ) 在云水含量相同的条件下，增加气溶胶会导致 c n n 增加，c c n 的增加会造成云滴数目的增加，云滴的半径就随之减小，半径的减小直 接使得云滴有效半径变小，影响云的辐射特性。( 2 ) 在暖云中，气溶胶的增加会使云滴变小， 云滴的增长变得困难，从而不利于降水的形成。 气溶胶对云和降水的影响是很复杂的。大气中的气溶胶只有很少一部分参与云滴和冰 晶的形成过程( 核化) ，而这些水成物的初始尺度和浓度对降水的形成有重要作用。降水效 率的改变会影响云的动力学过程，从而改变云的形状( 云砧) 和尺度分布( 水平和垂直方 向) 。而且，发生在云内水成物之间的化学反应可以改变云的组分和尺度分布，反过来影响 气溶胶物理化学性质。由于云滴的蒸发，云滴中充当凝结核的气溶胶可被重新释放到大气 中。气溶胶的化学成分和浓度也是变化的，因为气溶胶有各种排放源( 如，自然源诸如沙 尘、海盐，人为源有机动车排放，工业排放等等) 和沉降过程( 如，云和降水的冲刷作用， 与其他气溶胶粒子的凝聚等) 。 过去许多年问，有关气溶胶在云的形成过程中所起作用的研究工作比较多。但在气溶 胶云降水这个链条上的最后一个环节，即对降水的影响上，所做的研究相对较少。换句 话说，人们似乎在一定程度上了解了气溶胶是如何影响云的形成过程的，但是不是很了解 这种影响是如何反映到降水过程上的，原因就在于对降水影响观测评估的困难。目前有很 多探测手段可以测量到气溶胶入云以及对云的微物理性质的影响，但是没有相应地对地面 降水的探测。即便有同时进行的地面降水测量，也很难得出污染物对降水过程有什么样的 l 影响的结论，因为还需要同时确定出没有被污染的云。也就是说，要评估污染物对降水过 程的影响，需要采用数值模拟试验的方法。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 气溶胶对云降水影响的观测研究 气溶胶对云的宏观特性( 如云的范围、云的厚度和液水路径) 和微物理特性( 云滴和 冰晶的浓度和尺度) 的影响，以及对降水的影响，多年前就受到了科学家的关注，如g u n n a n dp h i l l i p s ( 1 9 5 7 ) 1 1 1 ，s q u i r e s ( 1 9 5 8 ) 【2 1 ，s q u i r e sa n dt w o m e y ( 1 9 6 1 ) 1 3 】，w a r n e r ( 1 9 6 8 ) ( 4 1 和w a r n e ra n dt w o m e y ( 1 9 6 7 ) 5 1 ，就指出人类活动产生的高浓度的云凝结核( c c n ) 可 以增加云滴数浓度( c 肼、i c ) ，从而提高了云微物理的稳定性，潜在地降低了降水效率。尽 管大量外场观测试验证实了c c n 的增加能提高c d n c ，但c c n 对降水的影响还不是很确 切。 常见的c c n 有氯化钠、硫酸铵等，在外场试验中发现了其他一些类型的自然或人类活 动产生的气溶胶，也都可以充当c c n ( t w o m e ya n dw o j e i e c h o w s k i ，1 9 6 9 ) 1 6 】。覆盖了地球 表面三分之二面积的海洋是海洋性气溶胶的最主要来源。海洋性气溶胶主要是由氯化钠和 硫酸铵这样的高吸湿性粒子构成，其浓度通常比自然大陆上或者人为气溶胶的浓度低很多。 因此，在这种背景下生长的云滴浓度就很低，通常在1 0 到l o o c m 3 。细粒子有机化合物气 溶胶约有2 0 来自于大陆中纬度地区( s a x e n a a n d h i l d e m a n n ，1 9 9 6 ；p u t a u de t a l ，2 0 0 4 ) 7 , s l ，有接近9 0 来自热带雨林地区( t a l b o te la 1 ，1 9 9 0 ；a n d r e a ea n dc r u t z e n ，1 9 9 7 ；r o b e r t e la 1 ，2 0 0 1 ) i g - u 】。矿物质沙尘被认为是有效的冰核( p r u p p a c h e ra n dk l e t t ，1 9 9 7 ) 【1 2 】而不 是十分有效的c c n 。但是，最近对地中海上空来自撒哈拉沙漠的沙尘( l e v i ne la 1 ，1 9 9 6 ) 1 1 3 1 的测量，以及在a c e a s i a ( t r o c h k i n ee ta 1 ，2 0 0 3 ) 试验期间对中国和日本上空的亚 洲沙尘的测量都表明，沙尘在大气中传输的过程中其表面会被硫酸盐覆上一层膜，这样一 来，就可能提高沙尘充当c c n 的几率。l e v i ne la 1 ( 2 0 0 5 ) 1 5 1 提出了海洋上空低空悬浮的 2 沙尘暴可以导致海盐裹覆在沙尘粒子上，这种作用可能会把沙尘转化为大c c n 的和有效的 冰核。据估算，每燃烧1 9 木材，就有6 1 0 1 0 c c n 产生( w m o 报告) 。通过分析机载c c n 和云滴浓度的探测资料，m a r t i ne ta 1 ( 1 9 9 4 ) 1 6 】，t a y l o ra n dm c h a f f i e ( 1 9 9 4 ) 【l7 1 ，g u l t e p e e ta 1 ( 1 9 9 6 ) 【1 8 l ，c h u a n ge ta 1 ( 2 0 0 0 ) 1 1 9 l ，s n i d e ra n db r e n g u i e r ( 2 0 0 0 ) 1 2 0 l ，r a m a n a t h a ne t a 1 ( 2 0 0 1 a ) 都发现了不管在什么地方，c c n 的增加都会导致云滴数浓度的增加。但是， 当c c n 浓度进一步增长，这种趋势是逐渐停止的( r a m a n a t h a ne ta 1 ，2 0 0 1 b ) 2 2 】。 a n d r e a ee ta 1 ( 2 0 0 4 ) 2 3 1 分析了亚马逊地区机载和地面观测的云和降水发展的资料， 他们将云分成四种类型，( 1 ) 海洋性浅薄云，这种云c c n 浓度较低，云滴数较少，有一些 大滴和降水，他们将这种云称之为“蓝云”；( 2 ) 主要在雨季条件下发展的云，称之为“绿 云”，这种云由于雨水的冲刷作用，c c n 浓度也比较低；( 3 ) “烟云”，这种云是由于过去大 火排放的烟产生了高浓度的c c n ，这些c c n 粒子由于干季缺乏雨水，而长时间的滞留在 大气中。他们发现，云滴浓度的增大降低了碰撞增长的效率，云滴只能靠凝结增长。( 4 ) “火 云”，这种云是直接由生物质燃烧的热量和烟产生的。烟里高浓度的c c n 生成了大量小的 云滴，进而抑制了降水。另一方面，一些大的烟灰粒子又可以形成大滴，促进降水的发展。 g a r r e ta n dh o b b s ( 1 9 9 5 ) 1 2 4 1 研究了从污染地区和未污染地区长距离输送的源项对亚速 尔群岛周围浅的、非降水层云的影响。研究结果表明，源自大陆( 欧洲) 的气溶胶具有单 一模态的粒子尺度分布，峰值大致在0 0 51 t m ；而清洁的海洋性空气中粒子具有两种粒子 尺度分布，峰值分别在0 0 2 和o 0 8 朋。受污染空气影响的云中云滴浓度比清洁空气中的 高1 6 0 ，而云滴有效半径比清洁空气中的小2 7 。 j i ne ta 1 ( 2 0 0 5 ) 【2 5 1 研究了纽约和休斯顿地区城市气溶胶是如何随云和降水变化的。他 们的观测发现，休斯顿和纽约的地面降雨并没有季节性变化特征，因此提出，气溶胶对降 雨的影响比对云的影响要小。分析从在休斯顿周边地区开展的热带降水探测试验( t r m m ) 中取得卫星观测的累积降水资料，可以看出，月平均最大降雨量发生在2 0 0 0 年1 0 月，2 0 0 1 年5 月和2 0 0 2 年9 月，这与这个地区季节的转换是致的。一般来说，纽约的降雨量月变 化比休斯顿的小，月平均最大降水量略高于2 0 0 m m ，发生在2 0 0 2 年1 0 月。纽约的云滴有 效粒子半径也比休斯顿的小，这也间接表明纽约的气溶胶浓度比休斯顿的高。j i ne ta 1 假 3 设云滴有效半径的增大与降雨量的增加有关系，但观测表明云滴有效半径与累积降水量没 有关系。对月平均气溶胶光学厚度和降雨量的分析也没有发现气溶胶和降雨的气候意义上 的相关关系。降雨与气溶胶光学厚度之间没有直接的联系暗示城市降雨异常不能完全归因 于气溶胶的变化。这个观测事实与早期从美国大城市气象试验( m e t r o m e x ) ( a c k e r m a n e ta 1 ，1 9 7 8 ) 2 6 1 得出的结论是一致的。 气溶胶浓度一般是随着高度增加而减少的，冰核浓度也是如此，但是很少有研究表明 气溶胶浓度与冰核浓度之间的关系。冰核浓度与气溶胶分布中大粒子模态的气溶胶浓度有 一定的关系( g e o r g i ia n dk l e i n j u n g ， 1 9 7 6 ；d e m o t te ta 1 ，1 9 9 4 ) 【2 7 2 矾。自然的冰核i n 以 不溶性的尘埃为主，还有某些生物性气溶胶( d i e h le ta 1 ，2 0 0 6 ) 2 9 】。与冰晶格结构相似的 气溶胶特别适合于冰核化。g o r b u n o ve ta 1 ( 2 0 0 1 ) 0 0 1 通过实验研究发现大气中的人为气溶 胶烟灰粒子是有效的冰核。一般来说，人类排放的复合物并不是很有效的冰核( d u c e ，1 9 7 9 ) f 3 l 】。当大气中充满工业过程产生的高浓度的气态物质，如s 0 2 ，n h 3 ，n 0 2 时，或者一些 大的污染颗粒时，冰核才会在较高的温度下被活化。k o r o l e ve ta 1 ( 2 0 0 0 ) 3 2 1 的研究表明在 层状云中1 0 ( 2 到1 3 ，平均冰晶粒子数浓度基本上是常数( 2 - 5 c m 。3 ) ，而这个浓度比 f l e t c h e r ( 1 9 6 2 ) 【3 3 1 和m e y e r s 等( 1 9 9 2 ) 洲用参数化方法预报的要大，这表明除了冰核的 核化过程，还有另外一些过程在冰晶形成过程中起到了重要的作用( 冰晶的繁生) 。 中国科学家在气溶胶的观测以及气溶胶气候效应等方面也作了大量研究工作。2 0 世纪 8 0 年代以前，中国气溶胶研究工作主要集中在根据采样得到的气溶胶粒子，研究粒子的谱 分布及其与地理环境、天气条件的关系，如f i l 避_ l ：等( 1 9 6 4 ，1 9 6 5 ) 3 5 3 6 1 研究了长江下游 地区吸湿性巨核的分布特点以及与天气过程的关系。游荣高等( 1 9 8 3 ) 1 3 7 1 在中国科学院大 气物理研究所3 2 5 m 铁塔上利用光学粒子计数器，研究了大气气溶胶和尺度谱的垂直分布 特征。徐国昌( 1 9 7 9 ) 3 8 1 和周明煜( 1 9 8 1 ) 3 9 1 进行了有关沙尘暴的研究。王明星等( 1 9 8 1 ) 4 0 l 和任丽新等( 19 8 2 ) ( 4 1 1 利用p i x e 分析方法对华北地区、北京城区气溶胶粒子化学成分 进行了分析，结果显示，中国大气污染与欧美有显著不同。赵柏林等( 1 9 8 6 ) 4 2 1 利用n o a a a v h r r 资料，进行了遥感海上大气气溶胶的研究。刘莉( 1 9 9 9 ) 1 4 3 利用g m s 一5 可见光通 道研究了遥感湖面上空气溶胶光学厚度的方法和可行性。韩志刚( 1 9 9 9 ) 1 4 4 】利用a d e o s 4 上辐射偏振探测器( p l o d e r ) 的资料进行了遥感草地上空气溶胶的实验研究。 1 2 2 云和降水的数值模拟 进行云和降水的数值模拟要考虑气溶胶和云的微物理特性、辐射特性以及化学特性。 对于被模拟的系统，忽略其中任何一个因素，都有可能造成严重的误差。因此，模拟气溶 胶对降水影响需要对上述因素做适当的协调处理。早期的研究工作只关注云气溶胶系统的 部分因素，如气溶胶尺度和成分对云滴谱分布的影响( m o r d y ，1 9 5 9 ) 【4 5 1 ，或者在一维模 式中采用简单的微物理过程，通常很少考虑气溶胶的过程( s i l v e r m a na n dg l a s s ，1 9 7 3 ) t 6 1 。 随着计算机计算能力的日益强大，数值算法的进步，模式研究领域逐渐开始倾向于发展各 种各样复杂程度不同的既能真实反映云的动力场，又能模拟出云中微物理过程的数值模式， 来研究气溶胶对云和降水的影响。 在数值模式中，水汽和水成物之间的相互转化，即成云致雨过程及其相应的动力热力 效应被称之为湿过程。湿过程方案可分为显式方案和对流参数化方案，选择何种方案与模 式的分辨率有很大关系。对流过程是模式的次网格尺度时，采用对流参数化方案：当对流 过程达到模式的网格尺度时，采用显式方案。显式方案是将网格尺度降水用显式法计算， 即大气中水汽和水凝物的产生、平流和相互作用等过程用格点上的预报方程直接计算求解。 对流云模式采用小于2 k m 的网格距，必须采用云物理方案。当网格尺度太大时，云体往往 只占网格的一部分，网格平均水汽不饱和，各种云物理过程无法进行，因此要单独使用对 流参数化方案，或者对流参数化方案与显式方案综合使用。模式的水平分辨率提高使显式 方案从云模式向中尺度模式发展，或在原来仅有对流参数化的中尺度模式中实现了显式物 理过程。显式方案中描述水凝物粒子群尺度谱演变特征的方法分为体积水参数化法和分档 法。 分档方法，即把云粒子群按尺度( d ) 或质量大小( m ) 分成若干档，每一档内有f 【d ) 或炳) 同性质的粒子，了解各个档的粒子与外界粒子的作用，就可以描述分布谱的变化。由于这 种方法要把粒子群分成许多档，涉及到粒子档间并合演变过程时，又要解随机碰并方程g 5 同时要建立各类大小粒子浓度的控制方程，描述水凝物尺度演变过程十分复杂和精细，因 而计算量巨大【4 7 1 。参数化方法把一种过程到另一种过程的微物理转换参数化，假设粒子以 特定的分布类型连续分布即事先确定谱函数，一般假定粒子是球形的。参数化方法只考虑 自然云和降水粒子的总体( 统计) 特征，建立各类云和降水粒子总体参量的控制方程【4 8 1 。 分档方法由于把粒子群分档处理合成描述，与粒子群的粒子间的相互作用的自然图像 很接近。同时云中冰相水凝物除尺度外，其形状、密度等物理参数对其生长和下落等都有 显著影响，简单的大小分档仍不容易描写清楚。由于分档方法计算量大，因而参数化方法 仍被经常采用，中尺度模式中的云降水方案大多使用体积水参数化方法。 在云降水物理的发展历史上，微物理过程的研究主要依赖于实验，而动力学过程的研 究主要依赖外场探测。实际上降水系统为一整体，云的微物理过程和动力学过程是互相联 系、相互影响的。数值模拟把这两方面包括各种过程的方程联立，求其数值解，就可以从 云的宏观、微观过程相互反馈的角度来研究降水的整体发展过程。早期的数值模拟工作以 积云为主。m a l k u s 4 9 1 总结了6 0 年代以前这方面的研究工作。 从描述云发展过程考虑，可分为两大类，即数值模式中的微物理过程和动力过程。早 期的工作是在简单的动力假设下，研究云粒子的生长过程，讨论各种大小云雨粒子的浓度 分布。将粒子按大小划分为许多档，计算各档粒子浓度的演变，即滴谱的演变。这是一种 详细描述云微物理过程的方法。m o r d y ( 1 9 5 9 ) 【4 5 1 和f i t z g e r a l d ( 1 9 7 4 ) 1 5 0 1 等在假设绝热气块与外 界不发生交换的前提下，讨论了云滴群凝结增长问题。m a s o n ( 1 9 6 2 ) 【5 1 1 ，w a r n e r ( 1 9 7 3 ) 5 2 1 等 考虑了上升气块和周围环境空气发生混合作了计算，为了更好描述云动力过程， t a k a h a s h i ( 1 9 7 4 ) 卯1 建立了在欧拉模式中讨论云滴谱的形成生长过程。 从动力学结构的维数分，可将积云模式分为三大类： 1 一维模式：一维积云模式是只考虑积云在垂直方向上的变化和运动。由于决定积云发展 的条件主要是大气温湿随高度的分布，即不稳定层结状况和垂直气流运动，因此，一维模 式能够反映大气中积云发展的主要特征，计算量小，得到了广泛的应用。在一维定常模式 中，最有代表性的工作是s i m p s o n 和w i g g e r t ( 1 9 6 9 ) f 5 4 1 的模式。该模式把积云看作一个内部 均匀的气块式气泡，它在浮力作用下上升，达到凝结高度后形成云，能描述积云泡在上升 6 过程中各物理参量随时间的演变。s i m p s o n ( 1 9 7 1 ) t s s l 用该模式分别进行了自然云和催化云的 计算，以分析催化效果，检验动力催化的设想。而一维非定常模式是将时间也作为一个变 量，讨论积云的演变。可以考虑积云在各高度上的相互作用，可以描述降水过程，代表性 的工作有w i s n e r ( 1 9 7 2 ) t 5 6 1 考虑湍流交换的模式。为了解决一维模式中积云柱内气流与外界 无侧向输送的缺陷，o g u r a ( 1 9 7 1 ) 1 5 7 1 发展了一个称为一维半的积云模式。该模式假定云柱半 径不变，根据连续性条件导出了空气通过侧边界面通量与垂直速度随高度变化间的关系。 这模式后来得到了广泛的应用，很多研究积云内部微物理过程的工作都是在这一模式动力 框架下进行的。如徐华英等( 1 9 8 3 ) 研究了云滴群凝结增长，肖辉等( 1 9 8 8 a ，1 9 8 8 b ) 5 9 , 6 0 】 研究了积云中盐核谱、各种碰并过程、大气层结等对云滴谱形成的影响。 2 二维模式：与一维模式不同，这是一种流体力学模式，即把积云和环境看作是不可分割 的统一整体，又可细分为轴对称( s o n g ，1 9 7 4 ) 1 6 1 1 和面对称( o v i l l e ，1 9 6 8 ) t 6 2 1 。 3 三维模式：一般的积云都具有三维空间结构，许多强风暴往往发生在有风切变的环境中， 只有三维模式才便于模拟。2 0 世纪7 0 年代，伴随着计算机性能的提高，才发展了三维积 云模式。早期的三维模式都是采用滤去声波的动力框架。7 0 年代后期随着计算方法的发展， k l e m p 和w i l h e l m s o n ( 1 9 7 8 ) t 6 3 1 首先建立起了保留声波的完全弹性模式。国内孔凡铀【6 4 1 、许 焕斌【6 5 1 、王谦【6 6 1 等分别建立起了类似的三维积云模式，洪延超1 6 7 1 在孔凡铀模式的基础上， 将微物理过程发展成为双参数化，并进行了冰雹催化的数值模拟，郭学良【6 8 】将冰雹进行了 分档，研究了冰雹的生长机制。 总体看来，双参数方案比单参数方案的物理基础更加清楚，减少了模式中的人为性， 在模拟不同大尺度背景下的降水过程时优势明显，不需要调节模式中的粒子谱截断值，而 具有更好的适应性。随着冰相粒子的分类越复杂，考虑的物理过程越多，计算量将增加。 但并不一定粒子分类越复杂，模拟效果就越好，需要根据不同的模拟对象选择不同的分类 方案。 r e i s i ne ta 1 ( 1 9 9 6 ) 1 6 9 1 用一个详细的分档模式研究了c c n 的变化对降水的影响，他们发 现，在过饱和度为l ，c c n 浓度较低( 1 0 0 c m 。) 0 0 情况下，降水主要是通过大滴的冻结形 成的；随着c c n 浓度的增加和云滴尺度的减小，霰的增长受到抑制，降水效率也降低了。 7 同时，他们还发现，冰核浓度的增加使得降水总量有所增加，但是在中等污染条件下 ( c c n = 6 0 0 c m ，l 的过饱和度下) ，当冰核浓度再增加时，雨量的变化很小。当c c n 浓度 很高时( 1 1 0 0 c m d ) 降水对冰核浓度的敏感性增大。大量早期研究表明，云的冰晶化速率很大 程度上决定于大的过冷雨滴的出现或者是c c n 的浓度( c o t t o n ，1 9 7 2 ；k o e n i ga n dm u r r a y , 1 9 7 6 ；s c o t ta n dh o b b s ，1 9 7 7 ) 7 0 - 7 2 。当c c n 浓度高时，暖云的碰并过程受到抑制，过冷雨 滴数量很少，小的冰晶粒子必须先长大到直径几百微米才能收集碰并云滴。然后凇附过程 缓慢进行，一直到冰粒子长到毫米量级。 k h a i ne ta 1 ( 2 0 0 1 ) 7 3 1 模拟研究了深对流云中c c n 浓度的变化对冰晶粒子浓度的影响。 结果表明，清洁云( c c n 浓度为1 0 0 c m 3 左右) 中生成了大滴，并且在1 5 c 迅速冻结，大量 的云水被消耗：而污染云中( c c n 浓度为1 2 6 0 c m 3 ) ，冻结过程在3 5 c 的位置才发生。这个 模拟结果与现场观测到的污染地区上空温度为3 8 地方液态含水量( l w c ) 较大的事实是 一致的( r o s e n f e l da n dw o o d l e y , 2 0 0 0 ) 1 7 4 1 。降水量也只有清洁云情况下的一半左右。因此， k h a i n 等人提出云滴一霰碰并系数等于云滴之间的碰并系数的假设过高估计了小的霰粒子 对小云滴的碰并收集；敏感性试验结果也证明了，在这个假设条件下，l w c 在较高的温度 下就被消耗了。 f i d l i n de ta 1 ( 2 0 0 4 ) 1 7 5 1 和y i ne ta 1 ( 2 0 0 5 ) 7 6 1 都强调了将气溶胶和云微物理做为一个相互 作用的系统来研究的重要性。他们的研究结果表明，通过水成物的蒸发，被重新释放回对 流层中层的气溶胶对云中微物理过程有极大的影响。在模拟撒哈拉沙漠的沙尘夹卷到佛罗 里达的风暴中的研究中发现，沙尘不但影响云的微物理过程，而且对对流性风暴的动力过 程也有影响。沙尘可以充当c c n ，g c c n 和i n 。沙尘对云的微物理特性和风暴动力学特性 的影响改变了地面降水和云砧的辐射特性。也就是说，沙尘浓度的变化会对风暴的动力学 结构产生影响，特别在当上升气流一直很强，同时有大量沙尘存在的情况下。这一结果让 人想到，云对沙尘的反应就好像“动力播撒”中的情景，沙尘增强了对流云中冰晶化过程， 冰晶化过程的增强又使得云中动力学过程更加活跃，因此使得地面降水增加( s i m p s o n c ta 1 ， 19 6 7 ；r o s e n f e l da n d w o o d l e y , 19 8 9 ，19 9 3 ) 7 7 - 7 9 】。 k h a i ne ta 1 ( 2 0 0 5 ) t 8 0 1 模拟了由于地面排烟，引起的c c n 浓度增加对云的影响，发现云 8 滴尺度的减小会导致毛毛雨滴的减少。当这些滴冻结时，释放的冻结潜热会增强云中的对 流。而在清洁云中，毛毛雨消耗云水使得云冰品化时有较少的潜热被释放，因此云中的对 流没有得到很大的加强。他们发现飑线不会在清洁条件下形成，而在大陆气溶胶背景条件 下，飑线会发展并在2 小时后产生大量降水。z h a n ge ta 1 ( 2 0 0 5 ) 引1 模拟了a r m 试验期间取 得的个例，得到了相似的结论。s e i f e r t 和b e h e n g ( 2 0 0 5 ) i s 2 1 的研究显示，c c n 浓度的变化对 于混合相态对流云的影响决定于云的类型。对于小型的对流风暴，c c n 浓度的增加会减少 降水，降低云中最大上升速度：而对于多单体风暴，c c n 浓度的增加有相反的效果，即促 进了继发性对流，提高了云中最大上升速度和总降水量：超级单体风暴对c c n 浓度的变化 是最不敏感的。他们的研究还显示了云的微物理变化通过冻结潜热的释放对云的动力学产 生的反馈作用。 s a l e e b y 和c o t t o n ( 2 0 0 5 ) t 8 3 1 研究分析了科罗拉多地区冬季c c n 和g c c n 浓度变化对地 形云和降水的影响。他们