南京地区气溶胶污染对降水过程影响的个例模拟分析2395

南京地区气溶胶污染对降水过程影响的个例模拟分析的一次降水过程。针对不同的气溶胶浓度设置了两组不同的试验，从低到高分别为过程中的云量、感热、潜热以及大气层顶长短波辐射等来影响能量收支平衡，从而影响降水；(2)气溶胶浓度对降水量、近地面风场、近地面气温、相对湿度都有着不同的影响。随着云结核浓度的升高，降水量明显减少，降水强度减弱，且减弱的区域主要体现在降水集中的区域；对于风场的影响主要体现在风速减小，风速变弱进一步影响近地面水汽输送条件从而使相对湿度降低，间接减少了降水量；(3)气溶胶浓度的升高导致了垂直风速减弱，同时也降低了垂直方向上的水汽，进而使降水强度减弱，并改变了降水分布。关键词：气溶胶浓度降水量能量收支平衡随着近代工业的发展和人类活动的影响，城市气溶胶污染愈发严重，气溶胶对天气及气候的影响逐渐引起人们的关注。气溶胶是悬浮在大气中固态和液态粒子的总称，一般而言，大气气溶胶是指悬浮在大气中的固态粒子，水分和云不包括其中。气溶胶粒子可作为云凝结核(CCN),影响云的微物理过程，从而影响降水「七研究显示，气溶胶粒子通过吸收和散射作用减少到地面的太阳辐射，从而导致地面降温，这被称为第一幅射效应。另外，气溶胶粒云的生命周期延长，降水被抑制'改，后者被称为第二幅射效应。气溶胶的第一幅射效应会使太阳辐射减少，地面降温，带来的主要影响主要是降低能见度，主要形式有沙尘暴以及近年来频发的灰霾天气业。而除了改变辐射量从而改变地面温度与水汽平衡来参与到水循环中抑制了澳大利亚降水的产生囱。然而又有研究表明，在气溶胶污染严重的美国西海岸，降水是增强的'吼Lin等人通过卫星观测资料发现，在亚马逊流域，生物物质的燃烧也导致了降水的增多'气从这些人的发现可以看出，大气气溶胶对降水的影响过程是十分复杂的。我国气溶胶污染较欧美等国相对较为严重，气溶胶质量浓度水平在世界范围内处于一个浓度低很多回。另外，我国气溶胶浓度主要有冬季高，夏季低的季节分布特点。冬季天气寒冷，煤炭大量燃烧，导致空气中气溶胶增加，并且，冬季大气稳定，混合层较低也是冬季气溶胶浓度高于其他季节的原因之一回。春季在沙尘暴的影响下，我国主要受矿物气溶胶影响。夏季由于高温高湿的气象条件，空气中硫酸盐气溶胶会以硫酸铉的形式存在。另外在秋季，由于农作物收获而带来的焚烧，则会使碳气溶胶含量上升回。矿物气溶胶，硫酸盐以及有机碳气溶胶是我国气溶胶三种最主要成分，约占所有气溶胶的70%®。其中，矿物气溶胶占比最多。高浓度的气溶胶浓度使我国近二三十年舞霾问题愈来愈严重，尤其是我国中东部地区'气由于西风气流会带来西部的沙尘加上周边工业发展迅速以及大量机动车排放的尾气，北京已然成为我国气溶胶污染的典型，雾霾天气频发。气溶胶污染已经成为我国必须解决的国家问题之一。增加云滴数浓度，进而进一步影响云微物理的稳定性，潜在降低了降水的效率皿。虽然云凝结核会增及云滴数浓度已经通过大量的观测以及实验证明，但是云凝结核对降水的影响仍然不是十分明确。的影响一般来说只有十几个百分比，风切变、感热等动力热力因素对降水的影响更加明显网。在数值模式中，降水是两个大值(凝结或凝华而产生的水物质与因蒸发或升华损失的水物质)评估对模式对于水汽和热力场的计算精确性方面要求非常严格问。所以尽管目前气溶胶活化机制、云模式以及气溶胶模拟发展迅速，气溶胶对降水影响的量化结果尚无定论，不同的研究得出了不同的结论。众多研究分别从观测和模拟的角度发现:在城市污染的背景下，气溶胶浓度的增加会在一定程度上抑制降水。但也有研究指出，气溶胶的增加导致了降水的增强问。总的来说，气溶胶对降水的影响主要取决于周边环境条件的不确定性，原因之一就是数值实验自身的设计，举例来讲，有分辨率偏低、模拟时间云自身生命周期比较小以及计算面积偏小等等。另外，有的模式是通过二维模式来模拟三维云和降水特征等，而有的模式则不能考虑风切变等动力因素。研究气溶胶对降水影响的另一个影响较大的误差就是微物理过程是否能够合理表示，此外，很多研究模式没有气溶胶变化或者考虑不够充分也是气溶胶对云影响的重要误差来源之一，而气溶胶浓度和粒径资料的缺少对模拟结果的影响却恰恰很大。我国目前对气溶胶的观测研究也有很多，也做出了很多卓越的贡献。在八十年代之前，中国对气溶胶的研究主要围绕根据采集到的气溶胶粒子，研究粒子的年4月17日甘肃特大沙尘暴进行了诊断分析，指出了春季沙尘暴的重要冷空气路径是翻越天山经过南疆再进入河西走廊，同时还发现是强沙尘暴在白天产生的正反馈机制使沙尘暴不1980年4月18日下午北京地区一次沙尘暴粒子谱分布以及化学成分进行了采样分析，从而对沙尘暴传输过程与气象条件的关系进行了分析。另外，我国在1983年开始在河北香河进行了高空气球探测，取得了3000km以上对流层和平流层气溶胶垂直分布的大量珍贵资料。究了大气气溶胶和尺度普的垂直分布特征。目前国内利用卫星遥感研究气溶胶的效应主要以气溶胶的研究。因为尚在尝试阶段之内，此次研究只对渤海上空的一个点进行了遥感。另外,胶的遥感实验研究。本研究采用WRF模式3.6.1版本模拟了2014年8月15日至8月17日南京的一次降分析预报中心、国家环境预报中心NCEP环境模拟中心、预报系统试验室FSL的预报研究处中心等单位协同建立的新一代中尺度预报模式和同化系统，它具有完全可压缩的非静力平waC中模拟的起始时间是2014年8月15日08时，一共积分48小时，前24小时作为模式的初始化时段，不做分析。本研究将采用Thompson微物理方案进行模拟试验，设计了两组数值图2是8月16日08日大尺度环流形势，可以看到850hPa上在山东半岛附近有一高压,此高压与太平洋副高之间有一切边线，南京位于此切变线上，受切变线的影响，南京地区可气流的影响，伴有微弱的槽前气流影响。所以，从大尺度环流图中，高层以及低层的系统都有利于降水条件的生成。根据南京市气象台统计的数据显示，南京在2014年8月16日-28日1这3天的时间里,天，但累积降水量则相对较小，只有47.3毫米。气溶胶浓度的变化对降水有十分重要的影响，本论文即研究了作为气溶胶活化成分的云凝结核浓度对南京降水期间的影响。数值模拟所模拟的主要降水区域与实际降水区域基本一致，基本处于城市的中间带，降水的水中心即降水最大值出现的区域，模拟试验相较于实际观测的情况比较偏北，这可能是模拟的物理量变化对降水中心位置产生了影响，使降水中心位置发生了偏移。验(b)实际观测单位：mm感热通量(HFX)又被称为显热通量，是用来描述因为温度发生变化之后而引起的大气变条件下单位面积的热量交换，单位为W/m2。自然界潜热通量的主要形式为水的相变，因此大气科学和遥感科学也将其定义为下垫面与大气之间水分的热交换。潜热通量包括地面蒸腾、蒸发(植被覆盖)的能量，又称蒸散(Evapotranspiration),与下垫面表面温度、下垫面饱和水汽压、参考高度空气水汽压、空气动力学阻抗、下垫面表中可以看到，随着气溶胶浓度的增加，感热和潜热均有不同程度响应，变化存在非均匀性，其中潜热在降水分布区域总体也减少为主。低云量对地球能量平衡有着重要作用，也是影响降水的重要因素，我们选取850hPa来c胶浓度的增加，云量面积减少,最大减少值可达到15%,说明云量在气溶胶浓度升高时会减少，低云量是影响降水的重要因素之一，所以低云量的减少可能会造成此次降水过程中降水量的减少。滴平均有效半径的减少，云滴对太阳短波辐射的反射增加，故南京大部分地区模拟的大气层顶向上短波辐射通量增多。可以看出，随着气溶胶浓度的增多，大气层顶向上短波辐射通量长波辐射累积总量的差值为正值，说明大气层顶向上长波辐射通量增多，长波辐射的增多与云顶温度的升高相对应，这说明云层发展较低，对流减弱，降水会减少。时实验模拟的南地区累积大气层顶向上长短波两种情况的模拟情况下，平均地表向下短波辐射最大值都超过了240W/m2,且两种情况下短波辐射的分布区域也相对一致，但可以看出control实验的大值区明显大于polluted实验。气溶胶浓度增加时，地表面向下短波辐射量减少，这一结果与大气层顶向上短波辐射的增加较为吻合。同样的，这也是是因为气溶胶浓度增加时，云滴数浓度上升，云滴有效半径减少，会增加云的反照率，从而减少了达到地表面的短波辐射通量，即气溶胶浓度通过间接辐射效应影响了地表面向下短波辐射通量的大小。具体讨论气溶胶浓度对降水时间以及空间分布产生的影响。而且每个时段降水量也明显减少。对比两组实验可以看出，随着气溶胶浓度的增加，降水较为集中的区域降水明显减少，降水强度逐渐减弱，与图8中逐小时降水量的分布也基本一致,制，气溶胶活化成CCN活化成云滴来影响降水，然后反过来，降水对空气中的气溶胶有清除效果，进而再一次影响降水过程。具体来说，在气溶胶浓度较低时，气溶胶活化成的CCN使降水增多的幅度大，对气溶胶的清除效果好，进而导致了降水再一次减少；而在气溶胶浓CCN气中的气溶胶的清除效果就相对较差，气溶胶浓度会进一步增加,从而导致降水进一步减少o所以，在降水集中的区域降水减少的程度会比较明显，而在降水较少的区域则不会很明显。N一N32-仆AN4N316NEN32,伽nEndndE_ii6-6E_ii'9E1。324N7实验下的风场，可以看到，模拟时段内，南京平均为东风及偏东风，风速最大为5.4m/s最,小为2.2m/s城,市最大风速区位于南京的东面，城市西面为风速较小的区域。对比两种情况下的平均风场以及风矢量可以看出，不同的气溶胶浓度对于风向的影响几乎可以忽略不计；对于风速的影响，对比(a)、(b)两张图可以看到最大风速的分布位置没有发生太大变化，而且最大风速分布区域中心强度随着气溶胶浓度的升高，也有明显地降低，从10(c)可以看出polluted-control试验条件下，模拟区域大部分区域风速差值为负值，即风速随着城市气溶胶浓度的升高，会逐渐下降。另外可以看出在风速较低的区域，这个差值较为明显。风速的减少会造成水汽输送的减少，这可能也是降水减少的原因。KgKg118.2E118.4E118.6E118.8E119E119.2E119.4E332.6N|".4N4.a32.2N4.232N3-631.8N3,331.6N实验2m气温的差值。从图11可以看出，两种模拟条件下，都模拟出了较为明显的热岛效应，温度从城市中心向外围逐渐减少，乡村及郊区温度在两种模拟情况下均较低。从图11(c)可以看到在模拟区域内部分区域气温有增加现象，这与气溶胶的第一辐射效应矛盾，也不符合地表面向下短波辐射通量的减少的结果。然而，本次过程为降水过程，气溶胶浓度增加后降水量显著减少，这可能是导致地表温度上升的主要原因。同时，气温分布与地表向下短波辐射分布的不一致可能也是降水条件变化从而影响了地面气温的分布。图12是模拟时段内2m相对湿度的平均空间分布，从模拟的情况来看，模拟区域性内大部分区域的相对湿度都达到了80以上，地面的水汽比较充足。其分布于温度分布呈相反的态势，即温度较高的区域相对湿度较低。从试验下的2m相对湿度时间平均差值场的空间分布图12(c)可以看出，随着气溶胶浓度的逐渐上升，相对湿度的值在模拟区域大部分地332.6N32.4N32.2N32N31,8N31.6N31.4N118.2E118.4E118.6E118.8E119E119.2E119近有较为明显的上升运动，并且此处的水汽条件即相对湿度也比较大，中心值达到了90%以上。强烈的抬升运动以及充足的水汽条件为此处降水提供了充足的条件，对比之前control实验下16日16时-22时的主要降水区域，可以发现两者位置基本吻合。而在polluted试验下，此处的上升速度减弱，仅在118.7°E有较为明显的上升运动，也与此处的湿度中心吻合，所以在polluted试验下此时降水区域也主要集中在此处，但降水分布明显减少。从这里可以看出，气溶胶浓度增长后，上升运动会有所下降，且由于之前提到的风速减少，水汽条实验的的两种模拟情况是基于不同的云结核浓度而进行的，两种试验按照气溶胶浓度由低到高分别为“control”和“polluted”试验。主要针对此次降水过程中的大气能量收支平衡、地面气象要素以及动力水汽条件三个方面展开了研究，得出的结论主要如下：(1)