【摘要】：懸浮在大氣中的氣溶膠如何通過自身對輻射能的吸收散射,及作為云凝結(jié)核參與的云微物理過程,在四維時空角度調(diào)節(jié)各尺度的能量、水汽以及各類水凝物的分布情況,并改變與其相關(guān)的熱動力條件,從而最終影響云降水系統(tǒng)的宏微觀特性這一科學問題一直以來都廣受關(guān)注。氣溶膠影響降水過程的凈效應更是存在較大爭議,并直接體現(xiàn)于千差萬別的觀測及數(shù)值模擬結(jié)果中。本文基于對觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的分析,探討了氣溶膠對不同熱動力條件下發(fā)生發(fā)展的各類云降水系統(tǒng),尤其是深對流云降水系統(tǒng)的可能影響及其背后的作用機制。首先,本文提出了基于850hPa風場和500hPa位勢高度場的天氣圖判定局地尺度降水的新方法。通過對長達六年(2007 2012)的地面氣溶膠觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星降水雷達觀測數(shù)據(jù)和大氣再分析資料的統(tǒng)計分析,第2章系統(tǒng)的研究了不同類型局地尺度降水的垂直結(jié)構(gòu)對氣溶膠的響應。分析結(jié)果表明,相較于低濃度氣溶膠條件而言,高濃度氣溶膠條件下不同降水垂直結(jié)構(gòu)的變化差異較大:(1)淺對流降水廓線反映的暖云降水過程的垂直結(jié)構(gòu)無明顯變化,但其降水強度被顯著抑制;(2)層云降水廓線反映的混合性層云降水過程的垂直結(jié)構(gòu)及降水強度均被顯著抑制;(3)而深對流降水反映的混合性對流降水過程的垂直結(jié)構(gòu)及降水強度則被顯著加強�；谝延醒芯�,本文認為上述差異主要源于其降水發(fā)生機制的不同:(1)暖性對流云降水主要由大云滴經(jīng)過重力碰并增長后形成,高濃度氣溶膠條件下產(chǎn)生的更多更小的云滴粒子及更窄的滴譜有效抑制了重力碰并效率,導致地表降水強度下降;(2)混合性層云降水主要由冰晶粒子經(jīng)過貝吉龍效應增長后下落融化而成,其自身較弱的上升氣流可能無法有效運送高濃度氣溶膠條件下產(chǎn)生的額外云水含量至高層,導致垂直發(fā)展被抑制,地表降水強度下降;(3)而在暖云基礎(chǔ)上發(fā)生發(fā)展的深對流云降水則得益于上述暖云過程中更高效的凝結(jié)和被抑制的降水過程,更多的小云滴得以在更低的溫度下凍結(jié)并釋放潛熱,進一步促進其垂直向的發(fā)展,隨后在其下落過程中經(jīng)過更豐富的云水區(qū)以及更長的碰凍路徑,迅速增長為大雨滴甚至冰雹粒子,導致地表降水過程的顯著加強。此外,不同氣溶膠濃度下生成的云滴群的粒徑分布差異也可能是導致所得NCFAD差異的原因之一。值得注意的是,不同氣象條件能改變甚至翻轉(zhuǎn)上述氣溶膠效應。隨后,基于對全球熱帶海洋地區(qū)長達10年(2003 2012)的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)以及大氣再分析資料的統(tǒng)計分析,第3章進一步探討了氣溶膠對深對流云降水系統(tǒng)的非線性影響過程,及氣象條件對該過程的宏觀調(diào)控作用。結(jié)果表明,隨著氣溶膠濃度的持續(xù)增加,深對流云降水系統(tǒng)呈現(xiàn)出急速加強后漸緩并最終趨于反向減弱的非線性響應過程。整體而言,這種反轉(zhuǎn)式響應不隨季節(jié)變化、地域差異、降水強度、以及氣象條件的變化而消失,但其轉(zhuǎn)折點所對應的氣溶膠濃度值隨著氣象條件的優(yōu)化(于深對流云發(fā)生發(fā)展強度而言,如更強的上升氣流及更高的相對濕度)而增大。在排除了人為誤差、氣象協(xié)變、及濕沉降過程對結(jié)果的可能影響后,本文認為氣溶膠微物理效應所導致的凈云水含量增加與減少是決定氣溶膠促進或抑制深對流云降水過程的關(guān)鍵要素;同時認為前人提出的氣溶膠輻射效應所能導致的對流抑制效應在本章所得結(jié)果中并無顯著影響。一方面,發(fā)展旺盛的深對流云能通過阻隔氣溶膠層與太陽輻射的直接接觸面積,從而限制氣溶膠輻射效應;另一方面,海水的高比熱容能減緩洋面降溫速率,從而緩和氣溶膠輻射效應。最后,為了更好地理解所得觀測現(xiàn)象背后的物理過程,第4章利用TAU-CM和WRF模式分別對理想情況下簡化的深對流云降水個例及自然條件下繁復的中尺度深對流云降水系統(tǒng)實例的發(fā)生發(fā)展過程進行了數(shù)值模擬分析。通過對初始氣溶膠濃度條件的改變,從云降水系統(tǒng)生命史的角度,揭示了氣溶膠影響深對流云降水系統(tǒng)的主要物理機制。其中,針對理想個例的數(shù)值模擬重現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)所揭示的深對流云降水對氣溶膠濃度的反轉(zhuǎn)式響應,及其轉(zhuǎn)折點對應的氣溶膠濃度值對氣象條件的依賴;并從高濃度氣溶膠導致的更高效的凝結(jié)和蒸發(fā)效率競爭的角度出發(fā),合理解釋了所得現(xiàn)象。針對深對流云降水系統(tǒng)實例的數(shù)值模擬則進一步印證了上述物理過程。高濃度氣溶膠條件在氣溶膠受限(氣象條件過剩)的云核區(qū)和氣象條件受限(氣溶膠過剩)的云緣區(qū)分別表現(xiàn)出更高效的凝結(jié)和蒸發(fā)速率,并對應著上升氣流的加強和減弱。另外,出于對自然條件下氣溶膠濃度分布的考慮,此實例模擬過程中所設置的污染狀態(tài)并未達到上述反轉(zhuǎn)式響應的抑制支,但隨著氣溶膠濃度的增加而趨緩的促進支與上述反轉(zhuǎn)式響應相吻合。后續(xù)針對該中尺度深對流降水系統(tǒng)實例中單個對流云生命史的分析表明,單個對流云發(fā)生發(fā)展過程之間差異較大。污染條件下,僅暖性對流降水表現(xiàn)出系統(tǒng)性的較弱垂直發(fā)展及對流云上部更為強盛的負向浮力,混合性對流云降水則幾乎沒有表現(xiàn)出任何系統(tǒng)性的差異。綜上所述,通過對長期觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,結(jié)合數(shù)值模擬手段,本文深入全面地分析了氣溶膠對不同類型云降水系統(tǒng),尤其是與強降水過程密切相關(guān)的深對流云降水系統(tǒng)的可能影響及其主要物理機制。文中提出的云降水系統(tǒng)對氣溶膠濃度增加的反轉(zhuǎn)式響應及其對氣象條件的依賴,較好的彌合并補充了現(xiàn)有氣溶膠-云降水相互作用的研究內(nèi)容。但本文在觀測數(shù)據(jù)的分析過程中仍存在以下不足之處:(1)數(shù)據(jù)的預處理及統(tǒng)計方法無法完全剔除可能的數(shù)據(jù)反演誤差及人為分析誤差;(2)對有限氣象條件的分析無法窮盡氣象因素的可能影響;(3)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)及分析方法限制了對氣溶膠化學性質(zhì)及其具體成核能力方面的討論。此外,在數(shù)值模擬過程中,理想實驗中高度簡化的云降水系統(tǒng)及環(huán)境條件,深對流云降水系統(tǒng)實例研究中有限的微物理過程的數(shù)值表達,以及受限的空間和時間步長,也會導致所得結(jié)果與自然云雨過程之間的差異。因此,文中所得結(jié)果僅定性揭示了氣溶膠對云降水系統(tǒng)的可能影響,而要實現(xiàn)對氣溶膠效應定量化描述,仍需觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬能力方面的長足進步。
【圖文】：

圖 1.1. 2019 年 2 月 18 日，真彩色衛(wèi)星云圖。由搭載于 Terra 衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）觀測所得（https://worldview.earthdata.nasa.gov/）值得注意的是，精確的云降水系統(tǒng)時空分布數(shù)據(jù)往往既取決于我們的觀測手段，也取決于我們對云的定義。因此，一個普適的，確切的時空分布模態(tài)是不存在的。在此我們所能給出的僅是基于現(xiàn)有的觀測手段及相應定義下的，云降水系統(tǒng)的基本時空分布模態(tài)。Warren 等人（1986；1988）通過地面觀測數(shù)據(jù)，從陸地和海洋的空間角度，以及季節(jié)變化（冬季，十二月及次年一、二月；春季，三、四、五月；夏季，六、七、八月；秋季，九、十、十一月）和日變化的時間角度出發(fā)，對總云量以及層狀云和積狀云的整體分布情況進行了簡要概括。Warren 等人（1986；1988）指出，空間分布模態(tài)上：全球陸地年平均的總云量約為 52.4%；而全球海洋年平均的總云量約為 64.8%，高于陸地的統(tǒng)計結(jié)果；其中 65°S附近的南極洋面總云量常年超過 90%。時間分布模態(tài)上：就陸地總云量的季節(jié)變化而言，冬季的印度西部地區(qū)總云量達到全球最小值（約 11%），而亞馬遜以及剛果盆地等地區(qū)總云量達到全球最大值（約 80%），夏季的撒哈拉東部地區(qū)總云量達到全球最小值（僅 2%到 3%），而印度西部地區(qū)總云量達到全球最大值（約 80%）；就陸地總云

第 1 章 引言往集中于 1km 以下的區(qū)域（Li 等，2016）；而自然過程導致的氣溶膠（如沙塵氣溶膠以及煙塵氣溶膠等）則可以在更高的高度層中長期停留（Li 等，2016）。Winker 等人（2007）通過對長達 6 年的 CALIOP 雷達夜間和日間的氣溶膠消光廓線數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，指出對流層內(nèi)氣溶膠的垂直分布具有明顯的季節(jié)變化，其對應的氣溶膠的源過程和傳輸機制均不相同。圖 1.2 是 2003 到 2012 十年間，基于 NASA 項目 Modern Era RetrospectiveAnalysisfor Research andApplications (MERRA)平臺發(fā)布的第二版數(shù)據(jù)（MERRA 2，Bosilovich等，，2015；Gelaro 等，2017）所繪制地各類氣溶膠在 550nm 波段處的平均 AOD 全球分布圖。
【學位授予單位】：中國氣象科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P461

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 郭鳳霞;戚俊;;2009年11月13日至12月19日北京氣溶膠吸收特性分析[J];氣象;2018年07期

2 李德平;程興宏;孫治安;王黎明;張本志;張?zhí)烀?;北京不同區(qū)域氣溶膠輻射效應[J];應用氣象學報;2018年05期

3 趙俊芳;姜月清;詹鑫;孔祥娜;;我國氣溶膠污染對農(nóng)作物影響研究進展[J];氣象科技進展;2018年05期

4 謝波;熊旺;胡勝;龍興貴;;钚氣溶膠的形成機理[J];輻射防護通訊;2017年04期

5 祝好;王永前;陶金花;張自力;王子峰;曾巧林;陳良富;;基于氣象要素的氣溶膠吸濕增長分析:以浙江省為例[J];氣候與環(huán)境研究;2019年02期

6 莫招育;楊俊超;劉慧琳;陳志明;黎永珊;李宏姣;梁桂云;黃炯麗;朱開顯;林華;張達標;;桂林市春季氣溶膠及常規(guī)氣體消光特征研究[J];環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù);2019年03期

7 曹艷華;葉小峰;阮啟亮;劉立群;段學禮;;東亞地區(qū)春冬季氣溶膠化學成分特性的數(shù)值模擬分析[J];井岡山大學學報(自然科學版);2010年02期

8 王吉明;曹艷華;葉小峰;駱世娟;阮啟亮;劉立群;段藝萍;;東亞地區(qū)氣溶膠化學成分特性分析及數(shù)值模擬研究[J];江西農(nóng)業(yè)大學學報;2010年01期

9 朱思虹;張華;衛(wèi)曉東;楊冬冬;;不同污染條件下氣溶膠對短波輻射通量影響的模擬研究[J];氣象學報;2018年05期

10 巫俊威;趙胡笳;楊東;魏W

本文編號：2663732