青藏高原地区气溶胶浓度变化对积云发生发展的影响

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通过人为源和自然源形成的大气气溶胶粒子,可以散射和吸收部分太阳辐射加热或冷却大气,直接影响气候。也可以通过核化为云凝结核(CCN)和冰核(IN)改变云的寿命和光学特性,间接的影响气候。很多观测证明,气溶胶浓度的增加可以增加云滴的数浓度,减少云滴的半径,减小粒子碰并聚合效率,导致更多的云滴粒子被传送到0℃层以上,发生冻结并释放大量潜热,增强对流强度。由于青藏高原地区夏季独特的热力强迫,使得积云的活动很活跃,十分容易形成对流系统影响高原和邻近地区的降水。由于亚洲工业化,城市化和交通的迅猛发展,形成的污染造成青藏高原周边地区的气溶胶浓度显著增加,局地和遥感观测数据也已经证实沙尘和人为气溶胶粒子被抬升到了高原的上空。  本论文利用包括双参数化微物理方案的WRF模式研究青藏高原地区气溶胶与云的相互作用。其中主要的工作包括气溶胶浓度对云凝结核和冰核的影响。本次实验利用青藏高原(4300m)和华北平原(181m)两处真实探空数据,在两处分别选取了2014年8月中对流有效位能相近的气象场进行模拟实验,根据高原地区对流云(Cu-TP)和华北平原地区对流云(Cu-NCP)实验中积云对气溶胶浓度变化的响应,来探究气溶胶对积云发生发展的影响。在模式模拟中,我们设置了地表气溶胶数浓度从20cm-3到9000cm-3,质量浓度从0.02μg cm-3到9.0μg cm-3。根据模拟结果可以得出结论:无论在高原还是在平原地区,气溶胶浓度的增加都会导致对流云的最大上升速度增强和对流中心对流强度的增强,从而使整个积云的对流强度得到提升。然而,在对高原地区的积云对流强度和平原地区的进行对比时可以发现,在高原地区,对流中心的对流强度要强于平原地区,经研究发现,这是由于在高原地区4000m以上的积云(Cu-TP)可以更早的发生冰相的物理过程,导致巨大的潜热释放,使得积云内部热量增加,不稳定性增强,导致对流增强。通过对高原地区积云(Cu-TP)和平原地区积云(Cu-NCP)降水的模拟可以得出:在平原地区,随着气溶胶浓度的增加,降水也随之平稳增加,这是由于,在平原地区,随着气溶胶浓度的增加,暖云降水过程受到了抑制,但是混合云的降水填补了暖云降水减少的部分,同时,还增加了整体的降水量。然而,在高原地区,在气溶胶浓度增加的过程中,并没有出现像平原一样的降水趋势,相反,随着气溶胶浓度的增加,高原地区积云的降水没有明显的增长趋势,而是随着气溶胶浓度的增加仅有近乎微弱的增长。这是因为,在高原的地区,气溶胶浓度的增加导致对流的强度增强,强烈的对流导致降水粒子不能因为自身的重力因素下落成降水粒子,而是被强大的对流推送到更高的高度上,形成了冰相的水凝物,因此降低了降水的效率。考虑到青藏高原地区的本底浓度十分清洁,污染物的增加会对本地天气造成十分显著的影响。同时,由于高原地区独特的地理形势,外加污染物的扰动,会导致高原地区对流十分强烈和显著的变化,水汽在高原上空对流层顶由于对流扰动的重新分布,不仅可以对对流层起到增温的效果,还会对亚洲季风的爆发,发展及能量的传输造成影响。另外,水汽在对流层顶和平流层低层分布更是影响全球水汽传输和能量分布的重要因素。
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