云滴数浓度对大气颗粒污染物浓度的气象数值模拟研究

通过气象数值模拟过程,分析云滴数浓度对大气颗粒污染物浓度的影响。利用高斯扩散模型分析云滴数浓度对大气颗粒物浓度值的影响,再根据大气颗粒污染物粒径建立污染物浓度值方程。实验中,使用石英滤膜采集大气污染物样本后,利用HNO_(3)、H_(2)O_(2)和HF分解污染物质。模拟在云滴数浓度为20%、40%、60%、80%时,不同污染物粒径范围内的污染物浓度随时间的增长情况。结果表明:大气中的颗粒物在吸收云滴水分后,会出现增大或凝并现象。随着云滴数浓度增高,污染物浓度值呈现衰减趋势。当云滴数浓度较小时,重金属颗粒污染物浓度相对更高。

初始云滴浓度(CCN)对对流性降水作用的数值试验

本文利用一个二维滞弹性非静力平衡云模式[1]，选择三个典型个例，就初始云滴浓度（CCN）对对流性暖雨和冷雨过程的效应进行了数值试验。模拟结果表明：初始CCN对对流性降水影响较大。对暖雨过程而言，随着初始CCN的增大，地面累积降水量减弱；对冷雨过程而言，增大初始CCN，可削弱对流强度，减少地面累积降雹量，延缓液态水到达地面的时间，但最终增强了地面累积液态降水量。并且分析了初始CCN导致暖雨和冷雨过程这种差别的原因。

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2.2,对2008年1月25—29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,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,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。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。结果表明,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,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1%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。

不同云滴数浓度参数化方案对硝酸盐气溶胶第一间接效应影响的比较研究

在区域气候化学模式系统(RegCCMS)中,分别采用Hegg、Hansen、Ghan、Jones等4种云滴数浓度参数化方案,模拟研究了2003年10月硝酸盐气溶胶的浓度分布和第一间接气候效应,并对不同方案进行比较。结果表明,不同方案模拟的硝酸盐气溶胶分布大体上一致,主要集中在河南、山东、河北、四川等地,地面浓度最大值达18μg/m3。Hegg、Hansen、Ghan、Jones等4种云滴数浓度参数化方案计算得到的由硝酸盐气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-1.48、-2.05、-1.61和-1.40 W/m2。4种方案模拟的硝酸盐气溶胶间接效应都表现为近地面气温下降,降水减少,其中Hansen方案的间接效应最强,Ghan、Hegg方案次之,Jones方案最弱。

重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴数浓度响应的数值模拟

采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,对重庆地区一次雷暴过程进行模拟,对比分析了两种起电参数化方案下,电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度以及雷暴云的电荷结构分布。模拟结果表明,在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而在Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。为研究CCN(cloud condensation nuclei)对雷暴云的影响,本文进行了两组敏感性试验,随着云滴初始数浓度增加,雷暴云的电荷结构没有发生极性翻转,但雷暴云中电荷量增加,电荷分布区域变大,有利于闪电发生。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,电荷量变小。通过分析微物理量场和微物理过程发现,随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加,在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,霰粒子质量混合比减小。验证了CCN的变化能影响云的微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。

云滴数浓度对超级单体龙卷影响的数值模拟研究

为了探讨云滴数浓度对于龙卷发生、发展的影响,利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)模式,通过调整云滴数浓度(分别取高3000 cm^-3、中1000 cm^-3和低100 cm^-3)的变化,对2003年7月8日安徽省无为县超级单体龙卷进行理想模拟试验。研究表明:三组试验都模拟出超级单体风暴的特征结构如钩状回波和V型入流缺口;云滴数浓度高的试验中上升气流更强、风暴较先发展且持续时间长,近地面涡度也较其他两组试验更大;从三组试验中找到4个龙卷涡旋,其中云滴数浓度高的试验中有两个,涡旋总持续时间接近30 min,最大近地面风速为46.93 m s^-1,最大涡度值为0.42 s^-1;高云滴数浓度情况下地面冷池弱,更有利于龙卷产生,并对龙卷的发生、发展有促进作用。

云滴数浓度对大气颗粒污染物浓度影响的数学建模分析

目的降尘以不同形式存在于大气、水体、土壤和植物体内,作为物质交换的介质,通过食物链给人类身体健康造成威胁,为了调节云滴粒子半径,确定降尘过程的约束条件,数学建模分析云滴数浓度对大气颗粒污染物浓度的影响。方法获取云滴数浓度半径表达式,得出云滴浓度越大其半径越大,分析巨盐核与准稳态质量、热量的扩散传输过程对云滴数浓度与质量产生的影响,从而调节云滴粒子谱分布情况;依据云滴本身与云滴数浓度对降尘影响的分析结果,确定云滴数浓度大可以降低尘粒表面张力,使尘粒被吞没。结果云滴数浓度与大气降尘之间有最佳粒径比值,在该比值范围内云滴数浓度越大降尘效果越好。结论采用该方法可以获取云滴数浓度与大气颗粒污染物浓度之间的关系,为降尘技术提供参考价值。

伊犁河谷春季高层云滴谱分析

对伊犁河谷春季高层云滴谱进行了分析。结果表明,1981年5月9日伊犁河谷春季高层云的云滴谱宽为4～48μm,云滴谱平均浓度随云滴直径的变化呈单峰型分布,云滴直径12μm时浓度最大,为2.8个/cm^3;云滴浓度随高度的变化范围为0.2～10.5个/cm^3,云上部云滴浓度大于云底部;云滴平均直径最大值出现在云的中下部,平均为10.5μm;云中部云滴平均立方直径最大,平均为13.8μm;高层云中上部液态含水量最大,平均为68.8×10-5g/m^3。

华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与云凝结核和云滴转化关系的飞机观测研究

气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点,也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013~2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核(CCN)及云滴数浓度观测资料,分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明,大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响,不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致;垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性,过饱和度0.3%条件下CCN比率(云凝结核/凝结核)与气溶胶有效直径呈线性关系;积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x-616.3,拟合相关系数为0.96,气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下,云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x-473.8,拟合相关系数也为0.96,CCN转化为云滴的比率可达到69%。

东亚地区云微物理量分布特征的CloudSat卫星观测研究

本文利用2007～2010年整四年最新可利用的CloudSat卫星资料,对东亚地区（15°～60°N,70°～150°E）云的微物理量包括冰/液态水含量、冰/液态水路径、云滴数浓度和有效半径等的分布特征和季节变化进行了分析.本文将整个东亚地区划分为北方、南方、西北、青藏高原地区和东部海域五个子区域进行研究,结果显示：东亚地区冰水路径值的范围基本在700 g m-2以下,高值区分布在北纬40度以南区域,在南方地区夏季的平均值最大,为394.3 g m-2,而在西北地区冬季的平均值最小,为78.5 g m-2;而液态水路径的范围基本在600 g m-2以下,冬季在东部海域的值最大,达到300.8 g m-2,夏季最大值为281.5 g m-2,分布在南方地区上空.冰水含量的最高值为170 mg m-3,发生在8km附近,南方地区夏季的值达到最大,青藏高原地区的季节差异最大;而液态水含量在东亚地区的范围小于360 mg m-3,垂直廓线从10km向下基本呈现逐渐增大的趋势,峰值位于1～2 km高度上.冰云云滴数浓度在东亚地区的范围在150 L-1以下,水云云滴数浓度的值小于80 cm-3,垂直廓线的峰值均在夏季最大.冰云有效半径在东亚地区的最大值为90 μm,发生在5km左右;水云有效半径在东亚地区的值分布在10km以下,最大值为10～12 μm,基本位于1～2 km高度上.从概率分布函数来看,东亚地区冰/水云云滴数浓度的分布呈现明显的双峰型,其他量基本为单峰型.本文的结果可以为全球和区域气候模式在东亚地区对以上云微物理量的模拟提供一定的观测参考依据.

宁夏固原市一次对流性天气的数值模拟

利用WRF模式和1°×1°的NCEP再分析资料,对2007年7月14日宁夏固原市发生的一次强对流天气进行了数值模拟,并分析了此次强对流天气的有利环流形势、物理量场分布以及雷达回波特征。结果表明:(1)WRF模拟的降水区较实况略偏东南,且降水量偏大;(2)WRF模拟的高层辐散和中低层辐合配置、"喇叭口"探空曲线与对流性降水区较为符合;(3)霰、雪是雨水形成的主要来源,云水又是雪和霰增长的主要来源;(4)云滴数浓度对对流云降水及水成物分布有重要的影响。增加云滴数浓度,前期可使对流云产生的累计降水量和范围均有减少,后期高浓度状况下存在大量冰相粒子,造成累计降水量及范围大于低、中浓度的降水;增加云滴数浓度,云水含量增加,前期雨水、冰晶、霰含量减少,后期雨水、冰晶、霰含量增多。

广西秋季层状云微物理特征分析

利用2012年11—12月在广西进行的11架次飞机云物理探测资料对层状云宏微观物理结构特征进行研究,探讨层状云降水机制。结果表明:广西层状云微物理特征与我国其他地区的存在显著差异。层状云典型的微物理垂直结构为在云下层是由凝结作用生成云滴,随上升气流发展,云滴数浓度、平均直径和液态水含量随高度逐步增加,云滴谱拓宽,谱型向大尺度的方向扩展,至云中上层增大至最大值后随高度减小。冷暖混合云结构的高层云冷云部分的冰相粒子落入暖层后对其微物理结构产生影响,主要是使云滴谱展宽,CIP云滴平均直径垂直分布变幅增大,有利于暖层中碰并过程的启动和发展。层积云微物理水平分布呈现不连续跳跃式变化特征,存在对流泡结构,对流泡内各微物理量高于泡外,云滴谱型向大尺度移动,对流泡结构是层积云形成降水的重要机制。

西北地区气溶胶垂直分布及其对云微物理影响的飞机观测个例研究

气溶胶分布及其影响云微物理过程对地气系统的辐射平衡及区域乃至全球水循环产生复杂影响,也是气溶胶间接效应关注的热点和重点。利用2021年9月3日在西北地区开展的气溶胶和云的飞机观测个例资料,分析了气溶胶垂直分布及气溶胶与CCN、云滴浓度的关系。结果表明:(1)气溶胶数浓度垂直变化为四层,各层间气溶胶数浓度、有效直径、尺度谱分布均存在明显不同,大气逆温层结对气溶胶垂直分布有重要影响;近地层气溶胶数浓度可达8183.2 cm^(-3)。(2)垂直方向上CCN与气溶胶数浓度之间有较好的线性正相关性。气溶胶活化比率(CCN/Na)较低,低于0.5,气溶胶尺度越大、浓度越低越容易活化成为CCN。(3)对空中CCN的活化谱进行拟合表明西北地区属于清洁大陆型核谱。(4)同高度云内气溶胶数浓度与云滴数浓度和LWC之间有很强的负相关性,相比云外,云内气溶胶浓度明显降低,气溶胶谱增宽,云滴数浓度和LWC均增加,有效直径增大,云侧边界受夹卷混合过程和云滴未过饱和蒸发的影响导致气溶胶数浓度增加和有效直径增大。(5)云下气溶胶与云滴数浓度之间为线性正相关关系,气溶胶转化为云滴的比率为35%;过饱和度0.6%条件下,云下CCN与云滴数浓度之间为线性正相关关系,CCN转化为云滴的比率为38%。

伊犁河谷春季层积云微物理结构探测

对1981年5月9日伊犁河谷层积云飞机探测资料进行了分析。结果表明,伊犁河谷层积云的云滴谱谱宽为4～28μm,随着滴谱直径的加大,滴谱浓度呈对数减少;云滴浓度在云底部最大,云中部较大,云上部较小;云滴平均直径随高度的分布,在云底部迅速加大,云中部呈增加的趋势,云顶部呈减小的趋势;平均立方根直径随着高度的增加而增大,到云中部时达到最大,之后随着高度的增加逐渐减小;云滴含水量的最大值出现在云底部,随着高度的增加迅速减小。

一次西北冷锋云系微结构特征及人工引晶催化条件的分析

１９８９年９月２４日在山东半岛出现一次典型的西北冷锋降水过程。本文根据飞机测探的ＰＭＳ资料、卫星云图及常规天气图资料对该系统的垂直和水平结构特征作了详细分析，分析结果表明：该次冷锋降水微物理过程基本符合贝吉隆提出的播撒－受播（Ｓｅｅｄｅｒ－ｆｅｅｄｅｒ）作用机制；在锋前云区存在丰富的过冷却水，最大值为０．３６ｇ／ｍ￣３，具有较好的人工催化条件，并初步讨论了人工引晶的剂量问题。

一次冷涡云系微物理结构及雪粒子增长机制的分析

本文根据1989年10月10日在潍坊机场上空一次冷涡过程的探测资料,分析了云和降水的微物理结构特征,讨论了云中雪晶增长和繁生机制,并估算了云中不同高度处的降水强度。

中国北方典型地区不同类型云微物理特征分析

对2009—2011年内蒙古通辽地区41架次穿云飞行探测结果进行统计分析,探讨中国北方典型地区的各类型云的微观特征。结果表明:该地区不同云型的平均云滴粒子数浓度N_(c)按大小排序为:层积云Sc>积云Cu>高层云As>雨层云Ns>高积云Ac。降水性云(Ns,As和Sc)的N_(c)值一般跨度范围较大,且累计概率的减小幅度较为平缓。降水性云(Sc,Ns和As)的平均液态含水量LWC比非降水云(Ac和Cu)要大,As和Ns的LWC多介于0.01~0.3g·m^(-3)之间。不同云型的平均直径D_(m)特征与有效直径D_(e)类似,有较大N_(c)的云类,一般云滴尺度小,平均D_(e)的大小顺序是Ns>As>Ac>Cu>Sc。高云和中云(Ac,As和Ns)的D_(e)和D_(m)普遍比低云(Sc和Cu)大,降水性云中与非降水性云中相比具有较多的大云滴。此外,各类云滴谱的相对离散度在N_(c)较小时分布较为分散,随着N_(c)的增加,相对离散度收敛到0.3~0.6,最终各类云相对离散度都收敛到0.4附近。

冬季地形云催化效应的持续性

本文是一个个例研究,讨论内华达山脉中部冬季地形云的空中催化效应,用AgI催化,即在丙酮中燃烧AgI,NH_4I、NH_4ClO_4的混合物。在催化后90多分钟,观测到在催化线下风方100公里处仍有持续效应。研究飞机的冰核计数器可确定此AgI线源的位置,并进行跟踪。由催化引起的高冰晶浓度在催化后一个多小时才明显。部分原因可能是自然冰晶浓度较高,但事后分析表明,在催化后第一个小时所做的绝大多数采样飞行,位于被碘化银催化的体积之下。冰核测量结果证实在催化后1—1.5小时对催化线进行了采样,伴随有冰晶浓度的增加。催化剂在外场的效率比实验室测量值要高。