云气溶胶交互从微云的规模

格雷厄姆Feingold1 Holger Siebert2

NOAA地球系统研究实验室,博尔德有限公司美国

2莱布尼茨对流层研究所,德国莱比锡

文摘

悬浮粒子(气溶胶)的影响云和降水从微云规模已经通过实验室研究,现场和遥感数据,但仍存在许多不确定性。特别是,鲜有气溶胶的观测证据对表面的影响降水。云和降水修改数量的气溶胶通过物理和化学过程,因此气溶胶之间的三方互动反馈,必须考虑云粒子物理学,和云动力学。基本的云微物理性质是由动力学;垂直运动和混合云之间的过程及其环境确定云的浓度水、气候和降水的关键参数。raybet雷竞技最新然而,气溶胶粒子可以显著影响云的粒子物理学和动力学通过改变滴的大小分布,雨滴增长能力,蒸发率、混合与环境。物理系统强耦合,试图独立的气溶胶的影响只有通过使用一些简单的构造,其中一些将被证明是可疑的效用。观察和建模表明,不仅大小,但也许这些影响的迹象,也依赖于大规模的气象环境气溶胶云相互作用是嵌入式。一些替代方法是,当我们探索自我调节过程的可能性可能采取行动限制的范围气溶胶显著影响云。

历史的角度

历史气溶胶对大气过程的影响的证据比比皆是,如古代文献一直到现代。人类共同的经验告诉我们,少阳光到达水面下在多云的天空和气溶胶拉登(例如,从生物质燃烧或火山喷发)产生朦胧的天空和多彩的日落。1783年,本杰明·富兰克林在欧洲经历了一个特别凉爽的夏季,由于“大雾”与冰岛火山爆发,今年早些时候,明显暗淡阳光。证据表明,气溶胶粒子在云串通一气液滴的形成出现在19世纪末,当时P.-J。Coulier (1875), j•艾特肯(1880),和c·t·r·威尔逊(1897)表明,气溶胶粒子对云滴的形成是必要的。后续工作由艾特肯(1923)和科勒(1936)进一步加强之间的联系气溶胶和云滴形成。霍顿(1938)讨论了云滴的碰撞和合并的重要性雨的形成甚至认识到巨大的吸湿核的作用,一个感兴趣的主题。豪厄尔(1949)建立了一个数值模型的人口的增长的液滴包裹空气上升和今天类似的工具的使用打下了基础。分析解决这些方程(Twomey 1959)仍在普遍使用。因此,尽管早期文学的焦点并非是气溶胶的扰动云微物理过程、气溶胶和云之间的联系在科学文献中已经存在了一个世纪。

污染和气候变化raybet雷竞技最新

更直接的污染粒子和气候变化之间的联系是由Twomey(1974),认为这一事实是气溶胶数浓度之间的正相raybet雷竞技最新关关系,Na,放数量浓度,Nd,将导致更小的液滴和更多的反射云,其他条件不变;一切,尤其是大量的冷凝水,不变。这就构成了一个短波辐射强迫低端云层在长波辐射温度接近表面温度。这个概念是一个假设性问题因为它是也知道反馈导致修改液态水。应用在全球气候模型通过修改固定fi古人云的反射率raybet雷竞技最新。最近发布的IPCC报告(2007)仍然认为这种“云的反照率效应”的最大未知的气候变化预测。raybet雷竞技最新还值得注意的是,虽然许多方面的气溶胶粒子对云的影响是众所周知的,全球辐射(因此气候)的影响仍缺乏约束。raybet雷竞技最新例如,大多数卫星遥感研究量化云反射率的变化,或云滴大小,在回应一个气溶胶微扰不分层相似的气象条件(例如,云液态水路径,LWP)。因此“其他条件不变”是经常被忽略,导致相当大的歧义:是云更多的反思,因为更高的Nd和较小的下降,或者因为更高的水含量(LWC),或两者的某种组合?

“交互从微云规模321污染和降水

在云粒子物理学中最古老的一个问题是无法定量描述广泛滴大小分布,观察(狭窄的相比,建模的大小分布假设绝热增长)和降水的发生。扩大归因于entrainment-mixing,气溶胶效应(如巨大的气溶胶),对collision-coalescence湍流的影响。第一个实验证据的污染和之间的联系降水发生进程耿氏年代我们出现在论文和菲利普斯(1957)。他们在一个巨大的云室进行实验,观察到当清洁空气卷入室,大型precipitation-sized滴产生;空气污染产生的小滴,没有降水。这些观察结果被证实在自然云十年后由华纳(1968),但随后的分析由华纳产生不确定的结果。这个链接的实验证据仍然是一个巨大的争议的问题,尤其是深对流云系统(例如,莱文和棉花2007;也看到棉花,这卷;艾尔斯和莱文,本卷)。

气溶胶的影响气候变化对降水的影响被认为是由raybet雷竞技最新阿尔布雷特(1989),使用一个多云的边界层的数学模型表明,Nd的增加导致云collision-coalescence较少,降水较少,因此增加的LWP和高反照率。这就构成了一个积极的反馈反照率效应Twomey以来(1974)曾考虑静态云的辐射影响LWP相同。此外,阿尔布雷特(1989)表明,抑制云降水过程的生命周期可能会增加。在过去几十年,降水抑制假说已经被称为“Albrecht效应”,或“生命周期效应”。It has also come under increasing scrutiny in recent years as observational evidence for this phenomenon (in-situ, satellite remote sensing) has been pursued. Various aspects of this linkage between aerosol, precipitation, and climate had been qualitatively confirmed (e.g., the suppression of precipitation by aerosol in warm rain), but to date there is still considerable debate over the effects of aerosol on cloud fraction, cloud LWP, and cloud lifetime, and the quantitative relationship between aerosol and surface precipitation.

气溶胶对云的影响:解构构造反照率的效果

很少有关于气溶胶云反照率扰动的存在,只要云stratifi ed的大量的冷凝水。经典的例子是船舶跟踪,化作明亮的线性特性在一个多云的背景与气溶胶粒子船舶烟囱排放。

主要讨论围绕这种影响的程度;污染的程度,有助于粒子数浓度直径大于~ 0.05点,和Nd的程度增加而增加气溶胶。

参数影响激活:数量和规模与构成

有一些争论各种气溶胶参数的相对重要性(数量、尺寸、组成)确定Nd。而无机硫酸盐颗粒被认为是占主导地位的气溶胶类型和云粒子物理学,研究在过去的十年中已经指出的患病率organ-ics(小学和中学),和很多工作处理对云相对的影响无机物。有人建议,一些有机物的表面张力降低性质可能显著提高激活水滴的数量减少开尔文(曲率)的效果。然而,建模,考虑考虑组成的各种(有时是相互竞争的)因素(如分子量,表面张力,范霍夫因素,和溶解度),表明合成的影响相对较小(< 15%)相比,气溶胶等参数N和大小,或上升气流速度等动力学参数(Ervens et al . 2005年)。这些发现回声霍顿(1938)的话说,他在检查科勒曲线的形式表示:“这似乎表明吸湿核并不比中性更有效(不溶性)细胞核的大小相同。”A number of exceptions to this may exist: the presence of film-forming compounds could act as a barrier to droplet growth. Composition, as manifested in an external mixture of both hydrophopic and hygroscopic particles, is also of great importance in determining Nd. This, and other composition issues, are discussed in much more depth by Kreidenweis et al. (this volume).

重要的是要注意,这一事实气溶胶成分可能显著影响平衡粒子直径不等于相应影响激活的数量下降。粒子系统,包括人口增长在一个上升气流,是自我调节的一个学位。组合效应,减少(增加)冷凝补偿的增加(减少)可用蒸汽活化较小的粒子,和/或现有的粒子的增长。因此,计算和基于平衡计算,而不是动态的计算,必须为Nd总是高估了作文的重要性。

也许单身,最大的不确定性滴激活和人口增长的下降是大众住宿、,定义为水蒸气分子的分数到达一个凝结的水滴。值从0.03到1测量实验,提出基于理论参数。实验的一些变化可能与水滴的纯度有关,以及温度和压力。的影响是显著的;大值(订单0.3 - 1)允许霾滴增长变得更有效率,从而减少过度饱和和Nd显著。相反,更小的值(0.05)的允许建立的过度饱和,导致更高的Nd。与识别相关的效果远远大于那些成分的影响。数量浓度下降关闭实验表明交流~ 0.06(柯南特et al . 2004),但更直接的测量表明,交流可能会有所不同取决于级以上位置和时间(鲁尔et al . 2008年)。

我们会疏忽没有提到至少有一个案例是这样的,增加钠一直假设导致Nd下降。大型或巨型粒子(>几便士。米大小),在足够的浓度(订单1 cm-3),已被证明在建模研究,以抑制过度饱和的发展和防止小的激活粒子(奥多德et al . 1999年)。我们压力计算的重要性和作为一个动态的过程。有一个执行平衡计算的Nd的存在巨大的核,Nd只会增加了巨大的核的数量浓度,而不是decreased.1

最后,在冰的情况下成核与水滴,不溶性颗粒比可溶性颗粒往往是更好的冰核。值得注意的是绝大多数参数化对冰晶浓度,倪,作为温度的函数,有时冰过度饱和。气溶胶总人口的没有明确表示这些冰核驻留可能至少部分解释观察到的非常大的动态范围镍相比,预测的参数化表示。

反照率的敏感性

理解增加的Nd增量的增加气溶胶是短波反照率效应的一个重要组成部分,但不构成辐射响应的理解。云的简单例子,展览LWC线性增加增加高度(绝热或subadiabatic),云光学深度rc可以显示规模Ndm LWP5/6(例如,布尔和米切尔1994)。因此云光学深度是两倍半LWP比Nd更加敏感。薄的云,云反照率是线性依赖于rc因此展品相似的敏感性。这个点的重要性stratifi阳离子LWP如果纯粹的气溶胶对云光学深度的影响。或者,在动态系统变量LWP,变化的程度在LWP必须考虑与气溶胶(Nd)扰动的变化。一个有用的方法是考虑云易感性S0(和Twomey 1994),定义为云反照率的变化对Nd增量增加。成平行面的云,在恒定LWP和固定分布宽度(恒定的“微”),

巨大的核,在浓度低至10 3厘米,也加快雨的形成豪顿(1938年),将在稍后讨论。

S0减少单调的和的优点是独立Nd.2放松假设收益率持续的LWP和广度

k是一个参数成反比下降分布宽度,和' '意味着微观物理学的假设已经放松。我们注意到强烈依赖LWP敏感性的变化。当光谱展宽(小k)与增加Nd(因为竞争的水蒸气在相对污染,condensation-dominated政权),年代”减弱,而当扩大与减少Nd(清洁工,coalescence-dominated政权),S”是增强。

的辐射响应的完整描述气溶胶微扰的云系统需要三维辐射传输模型基于微观物理学的属性的描述(尺寸分布)和mac-roscale属性,比如云光学深度的空间分布,LWP,云计算分数,云形态、和云之间的距离。此外,该地区的气溶胶云霾周围还可以产生大量的辐射影响(科伦et al . 2007;Charlson et al . 2007年)。Zuidema et al。(2008)表明,云微物理和macrophysical应对扰动在气溶胶可以齐心协力或柜台彼此产生更强或弱反射率对气溶胶的变化。

高阶气溶胶云层的扰动

气溶胶对云的影响没有分层的LWP是一个更复杂的构造,因为它地址一个进化系统包括多个反馈云的生命周期。部分构造,如气溶胶抑制温暖的雨,相当良好,至少从定性的角度来看。LWP其他方面,比如增加,云分数,和云一生高度不确定,要么完全缺乏观察支持(例如,云一生)或受到测量困难,工件(例如,卫星测量气溶胶对云的影响

这些敏感性计算带来的扰动。可以开发类似的关系而言,由链接Nd Na Na扰动和其他参数;一个重要的问题。

分数),观察到的相关性这一事实不一定是因果关系的象征。在寒冷的情况下云,存在更大的不确定性,因为显著增加复杂性和缺乏测量,或测量的困难。

与反照率效应的情况下,没有潜在的LWP规范化的“生命周期效应”,因为它试图解决LWP响应。分离的动态影响LWP和其他云属性,而不是气溶胶的影响,因此,我们无法做到的主要挑战了几十年。事实上很多耦合过程一致的行动表明,新方法需要考虑。

增加云分数和液态水的道路

“生命周期效应”的核心原则是LWP和云分数的增加而增加(散射)气溶胶归因于抑制collision-coalescence和降水。(吸收气溶胶的特殊情况另行讨论。)ACE-2场活动说明假设的缺陷与更大的LWP污染云生成云。那里,污染事件与干燥和温暖的空气(Brenguier et al . 2003年),因此,降低LWP,最有可能进一步减少自由对流层夹带。因此,毫不奇怪,卫星的研究已经产生了含混不清的信息。这些研究在本质上是相关的,和因果关系很难建立。卫星遥感测量也不是没有挑战:气溶胶和云的测量并不是并列的;一越是接近云,越难区分云与水化气溶胶(“云污染”)。这些问题是由表面缓解和/或机载遥感。

建模的研究建立了正面和负面的反应之间的因果联系的云LWP气溶胶但我们等待直接观测的支持。我们将住在这一点上,因为它是十分重要的。当干燥的空气夹带到积极活跃的云,蒸发冷却会导致浮力逆转。浮力包裹产生更多的湍流动能,提高夹带并混合。在的情况下层积云云,这个过程被假设分手,云(云顶夹带不稳定)。

最近的一些建模的研究已经开始挑战的普遍性假设LWP气溶胶的增加而增加。王et al。(2003)利用大涡模拟(LES)层积云表明LWP减少针对气溶胶微扰的理想化non-precipitating云。这种下降与污染云有较小的下降,从而缩短蒸发时间尺度比干净的云朵。结果是一个更强的夹带率和减少云水。我们希望强调这一事实大部分微观物理学的方案假设瞬时冷凝/蒸发,因此(a)不能模拟这个反馈

(b)高估夹带率。同样的结果也证明了浅积云(2006年雪和Feingold)。阿克曼et al。(2004)模拟沉淀和non-precipitating层积云各种环境调查和强化了蒸发的重要性在云顶。他们表明,仅在非常低的Nd或潮湿条件下高于云顶了气溶胶的增加导致LWP增加。更多的污染条件下和/或干燥对流层自由空气,夹带主导和云LWP下降随着气溶胶(因此反对Twomey效果)。

气溶胶可以影响小型混合云的行为?

上面,我们讨论了气溶胶可以影响云动力学通过修改冷凝/蒸发时间尺度(王et al . 2003年)。云滴的紧密耦合的本质/动力系统在这些小尺度(以厘米米)需要一些讨论混合机制。当一个浑浊的空气包裹与环境subsaturated混合空气,两个边界场景被认为是:

1。均匀混合:湍流混合液滴的速度要快得多可以对他们的新环境。在这些条件下液滴经历大约同一ther-modynamic条件新混合的空气包裹蒸发紧随其后。

2。非齐次混合:湍流混合是相对缓慢,携入的和多云的空气之间的边界地区存在足够长的时间,以确保液滴的界面混合区域蒸发而其他区域不受影响。

这些混合场景对液滴尺寸分布有不同的影响。混合均匀,平均下降半径,r,转移到更小的尺寸是所有滴经验半饱和相同。不均匀混合,r是维护但Nd减少蒸发液滴的数量。Nd的减少意味着混合空气包裹可能随后经验更高的过度饱和而包裹,没有经验的混合,并产生较大的液滴比与绝热增长有关。夹带未激活的核更有可能导致激活较小的粒子。两个过程表明,非均匀混合会产生更广泛的滴谱比产生的均匀混合。

相关研究这些过程的数量是丹姆克尔号码,D,定义为时间尺度之间的比例混合过程的典型r,和时间尺度对液滴的反应他们的新(sub-saturated)热力学环境r。对于一个给定的空气包裹着典型尺寸l和能量耗散率描述湍流强度,rm的时间完成这个包裹是由经典的混合湍流理论,xm = (l2 / s) 1/3。虽然是很简单的从云的测量估计年代,目前尚不清楚什么执政长度尺度,l。事实上,我可能会改变云的生命周期过程中。

定义一个合适的时间尺度的反应(蒸发)也不简单。典型的时间表可以被定义为液滴的蒸发时间xe和平均半径r的环境环境半饱和S - 1,可以来源于r ^ x屈服Te«S ^。然而,随着蒸发,湿度增加,如果达到饱和之前所有液滴蒸发,然后放松阶段时间表rp x (rn J博士(r)) _1 ~ (Ndr) _1更合适。有人提出一个使用xe和xp的最小值,以避免不切实际的大值xp强烈subsaturated地区xe接近饱和的或非常大的值。尽管Tp和xe似乎非常不同的依赖性在r (r -和r2分别),计算和x LWC相同的人口下降

结果在类似的值(因为Nd ~ r——常数LWC)。

减少蒸发时间将导致在混合过程中转向非齐次极端(其他条件不变)和服务员减少N ^液滴大小分布的扩大,和增加的机会产生较大的液滴。这种行为会降低反射率对气溶胶数浓度的增加。此外,一些大型的生产滴可以启动一个更有效的合并过程中可能导致降水的发生和反传统的高阶效应带来的阿尔布雷特(1989)。

建议联系xe和xm提出了一个问题:Da (= xm / xe)如何应对一个气溶胶微扰。这是代表示意图如图14.1所示。一个气溶胶微扰减少xe。短xe可能会产生更强的混合更有效的结果蒸发过程。这如何影响x和D将取决于e和/或水资源-

马课堂携入的空气团的大小影响l蒸发(垂直箭头)。大涡模拟non-precipitating积云(雪和费恩格德2006;江et al . 2006年)表明,湍流动能的增加对提高气溶胶因为提高蒸发率产生更多的负浮力和强水平浮力梯度,产生更强的涡度。这意味着更短的xm(向下箭头)和调制造成的增加Da xe减少。

增加在云一生

没有观察支持声称气溶胶的增加增加云一生。在层状云,如层积云,它是不切实际的定义云一生自云几个小时的存在并不意味着个人包裹浑浊的空气存在几个小时;相反,

图14.1轮廓的丹姆克尔Da和可能影响气溶胶数D。计算是基于修改伽马下降的幅度大小分布Nd和固定宽度参数。300厘米的气溶胶微扰和50厘米3导致减少(左箭头)。达终点的空间(薄固体箭头)取决于rm增加(箭头)或减少(向下箭头)扰动的结果。

图14.1轮廓的丹姆克尔Da和可能影响气溶胶数D。计算是基于修改伽马下降的幅度大小分布Nd和固定宽度参数。300厘米的气溶胶微扰和50厘米3导致减少(左箭头)。达终点的空间(薄固体箭头)取决于rm增加(箭头)或减少(向下箭头)扰动的结果。

这些包裹周期的云,云元素不断形成和衰减。

在对流的情况下积云,它更简单的计算云细胞的生命周期。雷达已被用于跟踪沉淀细胞的寿命;然而,这是非常不同于云的生命周期。坊间证据的云在干净的条件下沉淀几乎就形式已经指出的那样,但我们都不知道系统的观察气溶胶对云的影响。建模的研究表明没有影响气溶胶的扰动的一生积云的数量(江et al . 2006年)。也有迹象表明,气溶胶的影响可能取决于大小的摄动云,小云从大型云可能有不同的反应。

气候建模者的“一生”的概念是一个持续的,因为它是相对简单的模拟。raybet雷竞技最新在气候模型raybet雷竞技最新中,研究“生命周期效应”相当于改变云的水转化成雨,与云一生。然而,它确实人为强迫水雨或晚早些时候在时间尺度的半个小时(典型的全球气候模型的步伐)。raybet雷竞技最新因为这是真正的生命周期的一个重要部分云,一生在气候模型的研究是不适定的,因为他们试图模拟许多未解决的过程。raybet雷竞技最新

“半直接效应”

所谓的“半直接效应是一个深刻的例子,气溶胶可能如何影响云“间接”3通过影响云动态范围的空间尺度上。4吸光气溶胶生成局部加热,并且在适当的浓度可能会修改他们的存在大气稳定和抑制垂直运动和云的形成(汉森et al . 1997年)。然而,在一般情况下,吸收可以稳定或者破坏边界层气溶胶层取决于气溶胶所在地,所以这个因素本身,可能就不能解释观察到减少阴沉。

我们扩大我们的半直接效应的定义包括气溶胶的存在这一事实,尤其是吸光气溶胶,是非常有效的减少下降在表面太阳辐射。因此,平衡网络表面辐射要求表面上涌明智的和潜热通量减少。在陆地上,表面加热是一个主要的司机对流云团,这可能产生重大影响云分数和云深度。这个链接气溶胶云交互过程地表类型,另一个大规模的控制,是不容忽视的。气溶胶一起这些机制提供了一种方式,以减少surface-forced云的云分数(科伦et al . 2004;法因戈尔德et al . 2005年)。

云对气溶胶的影响

云不仅受气溶胶的影响,他们也对气溶胶起到重要的作用。这些影响,有时集中到一个类别的“云处理气溶胶”,包括许多不同的过程,如冲刷(去除气溶胶表面落下的雨),对流再分配(气溶胶的垂直交通云),合并处理(修改重复产生的气溶胶粒子的数量和规模下降合并事件),化学处理(非易失性质量的形成归因于水化学反应,下面简要讨论),和新粒子周围形成云(在有些更详细)。因为大多数由降水云滴蒸发和删除是一个相对少见,气溶胶处理由云气溶胶粒子的生命历史上的一个主要因素。

化学处理,超过一半的全球硫酸生产的云通过水的反应(例如,斯科特和霍布斯1967);云也可能是次要的一个重要来源有机气溶胶(Ervens et al . 2008年)。水生产气溶胶表现在双峰大小分布:第一(小)模式由未激活的气溶胶粒子而组成

我们使用“间接”来传达,我们不是指一个古典气溶胶间接影响。

其他的例子包括在中尺度云结构的自组织。

第二是由激活粒子,在额外的非易失性质量形成了。光散射的影响范围从显著增加修改在云激活在随后的周期。

可以产生新粒子形成事件数量浓度超过背景浓度的数量级(赫格et al . 1990;佩里et al . 1994;克拉克et al . 1998年)。这些新形成的粒子可以增加冷凝艾特肯模式粒子(20 nm直径< < 100海里)在过去的几个小时,因此作为云凝结核(CCN)或影响辐射特性直接。

大多数解释增加的超细数的硫酸浓度是基于二进制均匀成核(H2SO4)和水蒸气(H2O);然而,三元成核(H2SO4 - NH3 - H2O)或硫酸离子集群可能也扮演了一定的角色。对于所有这些机制,硫酸浓度的升高是至关重要的,高相对湿度附近的云粒子促进进一步形成。可以由硫酸氧化产生的二氧化硫与光化学地哦,后者要求高的光化通量。硫酸蒸汽必须过饱和冷凝发生之前,所以低温和高湿度是理想。此外,喜欢干净的(相对于气溶胶)条件,否则气体会凝结到现有的粒子。

云边缘光化性高通量,高相对湿度,和相对较低的温度,结合对流,因此垂直运输前体气体,被认为是一个理想的环境,新粒子的形成。然而,许多这些过程的细节还不是很清楚;观察和模仿成核利率之间的差异存在,与模型通常低估了这些利率显著。许多问题仍然开放,包括:

1。氨通常不是以云,因此三元成核知之甚少。

2。离子簇有什么可能影响附近的云吗?

3所示。成核过程的确切位置是什么?大多数空气粒子测量只有50 - 100米的空间分辨率。这是相同的数量级扣留区本身,已被确定为一个支持地区新粒子的形成。

4所示。下降和/或冰粒子粉碎水湾高速飞机可以解释观察到的大量的小颗粒浓度(韦伯et al . 1998年)。

重建结构和可能的方法提出一个提议的新构造温暖的云

当前构造气溶胶对云的影响时是有用的,它们可以提供相关的观测证明因果关系。这里我们提出一个简单的构造,可以协助解决气溶胶对降水的影响。考虑一个模拟的反照率敏感性年代0,我们将一项“降水敏感性,”R 'ff定义为:

R ' 0表示降水的相对变化的相对增加Nd在温暖的云。负号应用这样一个积极的射频将反映的传统智慧,温暖的雨,R和Nd是负相关。(冷云,结果从一个人口的整体互动的云,可能反应完全不同;例如,奥维尔和陈1982。)开始,我们进行一些简单的计算与云包裹模型,包括温暖的微观物理学的进程(激活、缩合、collision-coalescence),解决了使用size-resolved方法,检验这种方法的有效性。包裹上升在恒定速度和忽视了夹带。是运行的一系列LWP (50 < LWP < 1100 g m - 2)和CCN浓度(25 cm-3 < CCN < 500 cm-3)。结果表明,R石头是一个函数的LWP(图14.2)。似乎有三个机制:

1。低LWP政权在射频很小,主要是因为低LWP限制了云的能力产生沉淀。

2。mid-LWP政权在射频和增加LWP稳步增加。这里降水过程并不限于LWP和添加Nd往往抑制了R。

3所示。高LWP政权在R ' 0开始减少,最有可能因为有足够的云沉淀无论Nd冷凝水。

这些结果应该考虑定性和受到了进一步审查,给出模型的局限性(主要是沉积的忽视和夹带)的局限性,随着LWP增加变得越来越严重。然而,结果从一个500年的轨迹从两个层积云显示协议的LES模拟低LWP政权(图14.2)中的水平线。5更重要的是,非凡的新结果叫做雷达分析(m . d . Lebsock和g·l·史蒂芬斯珀耳斯。通讯)表明,图14.2是定性合理。他们的数据表明,更深,

5我们500轨迹的分析来自莱斯ASTEX和火灾情况下(LWP ~ 100 - 200 g m - 2)收益率的最大rainrate R ~ LWP16 / nj - 61,即,R ' 0 = 0.67。

0 200 400 600 800 1000 1200

图14.2降水易感性液态水路径的函数(LWP)。注意三个不同的政权的存在:(a)低R ' 0 LWP较低;(b)稳步增加R”在中间LWP 0;(c)减少在高LWP R ' 0。固体水平线在R ' 0 = 0.67是源自ASTEX分析大涡模拟轨迹,我层积云建模研究。

0 200 400 600 800 1000 1200

图14.2降水易感性液态水路径的函数(LWP)。注意三个不同的政权的存在:(a)低R ' 0 LWP较低;(b)稳步增加R”在中间LWP 0;(c)减少在高LWP R ' 0。固体水平线在R ' 0 = 0.67是源自ASTEX分析大涡模拟轨迹,我层积云建模研究。

暖云往往表现出更强的减少比浅雨随着气溶胶云层。

这似乎是一个构造值得追求,不管方程14.4的函数形式,因为它提供指导在哪里努力可能投资于探索降水气溶胶扰动的敏感性。其他参数应考虑包括气溶胶粒度分布参数和动态参数如湍流动能和/或云顶高度(在某种程度上,后者没有反映在LWP)。在寒冷的对流云团,应该包括一个总对冰和水冷凝,甚至单独的条款的内容。

方程14.4是经得起测试现场和遥感(卫星,如上所述,和基于地表)观察。其对数形式应该缓解需求准确的降水和浓度的测量。从飞机、ACE-2和DYCOMS-II田间试验已经得到表达式云底降水云深度H和Nd的函数形式的R ~ H3 / Nd(例如,van Zanten et al . 2005年)或者R ~ LWP15 / Nd(线性层状云),符合R石头= 1。此外,这些关系与扫气率(2006年木),为他们的研究提供进一步的动机。从太空中,微波辐射计和雷达提供的降水措施,以及LWP column-integrated Nd和检索可以导出在各种假设。从表面上看,R, LWP和Nd可以使用类似的遥感技术。

自律机制和Non-Monotonic Aerosol-Warm云系统的行为

前面的讨论充斥着多重反馈的例子,其中一些同心协力,一些计数器。下面我们大纲并考虑的影响。注意,这些影响有些人为分离在此清单中,也可以使用更复杂的交互。

1。气溶胶影响LWP和云分数:气溶胶的增加同时减缓collision-coalescence行为和提高蒸发,减少下降速度下降。雪et al。(2008)认为的LWP non-monotonic反应的可能性增加气溶胶扰动在积云和层积云和两个政权的存在:(一)气溶胶浓度低、气溶胶和LWP呈正相关;(b)在气溶胶浓度高、气溶胶和LWP是负相关。的建议是,是有限度的LWP累积的程度产生的气溶胶微扰。这可能有一些支持的卫星研究汉et al .(2002),谁表明,~ 1/3的病例之后第一个政权,~ 1/3之后第二个政权,~ 1/3没有显示出明显的反应。

2。反照率敏感性:与上述相关制度相应的反照率敏感性反应。较低的云层S0高;气溶胶的增加(Nd)和相关的增加产生但S0减少单调增加。然而,如果一个放松的假设恒定LWP方程(14.3),很明显,宏观尺度云属性可能明显不能影响易感性。尽管反照率的响应可能是单调增加气溶胶,Sg不得,因为LWP和云分数反应(Zuidema et al . 2008年)。6

3所示。“半直接效应”:在相对干净的情况下,气溶胶含有一个吸收组件的增加将产生明亮的云,因为许多这些粒子作为CCN足够吸湿。然而,进一步增加,气溶胶的吸收将会强大到足以抑制表面通量和稳定大气中,相应的t ^ LWP,和云分数(江,费恩格德2006)。

注意,在某种程度上,R和Nd LWP反应是相关的,可能会有一个有趣的R“0和S0”之间的联系。

4所示。深对流云系:在我们的建模研究(s . Tessendorf g·法因戈尔德,珀耳斯。通讯),我们发现non-monotonic反应单深对流降水气溶胶的混合相位的云。暖云往往有一个活跃的温暖降雨过程促进生产表面沉淀。另一方面,污染云享受更高的好处冻结和滋补冻结潜热,导致增加的质量压缩或冷冻水文气象,这有助于通过吸积过程生成沉淀。云受到中度污染水平的影响似乎不是享受这些好处,可能不到清洗或沉淀污染云。

5。气溶胶对云的影响在长波:薄云层在冬季高纬度地区经验的气溶胶效应尚未讨论的长波。云LWP < 25 g m - 2作为灰色的身体与发射率(s < 1(例如,加勒特和赵2006)。一个气溶胶微扰这些云将增加下降长波辐射和温暖的。模拟短波反照率的敏感性由加勒特(SLW = (1 - s) ln (1 - s) /美商)表明在长波,最大的易感性和低钕0.6 s =。厚云作为黑人的身体(s = 1)而薄云层太薄产生很大的影响。

这些例子都是微妙的暗示,排除简单的评估气溶胶扰动云所表达的反照率和寿命的影响。他们还指出的可能性方面的辐射强迫和降水,清洁和污染最严重的云特别容易受到扰动,但一些中间政权可能努力应该花的地方。这种“中间制度”将取决于手头上的问题和气象环境,以便我们进一步犹豫地风险。一个有趣的例子是,巨大的核,来加快collision-coalescence过程。它们已被证明是可以忽略不计的影响在清洁云已经有一个活跃的暖雨过程,逐步更重要(相对来说)污染云,但最重要的是(在绝对意义上)中度污染环境。

是很重要的区分绝对效果和相对易感性等措施(反照率或降水)。例如,这一事实并不意味着低反照率易感性云辐射强迫很低,而气溶胶的扰动会影响甚微。这方面的一个例证是相对污染之间的鲜明的反射率不同,non-precipitating层积云(高反照率、低S0),和清洁,沉淀层积云(低反照率高S0),有时表现为封闭细胞对流和口袋(沉淀)开放的细胞,分别(例如,雪et al . 2008年)。

“交互从微云规模335统计方法

气溶胶的复杂性cloud-precipitation系统就是这样,可能呈现不切实际的简化的方法。统计方法可能需要采用与现场和远程观测和数值模拟。这些将评估的主要驱动因素气溶胶辐射强迫和降水的影响使用方法如主成分分析、因子分离,数据同化等。

总结

总之,我们提供了一个合成的影响气溶胶对云和降水的影响,并提供一个新的框架,可以考虑气溶胶对降水的影响。

1。气溶胶数浓度和大小:可用的证据表明气溶胶数浓度的主导作用和大小在决定在温暖的云滴浓度。组合是次要的,除非是在非常污染环境和对弱的上升气流。成分影响很重要,包括粒子的混合状态(如外部混合的,疏水模式)和质量调节系数相关的大气条件。

为冰云,值得注意的是,人口总气溶胶的特点,冰核是一个子集,没有出现在常见的冰成核参数化。这也许可以解释的非常广泛的预测冰晶浓度。

2。耦合aerosol-cloud-dynamical系统:自动调整以应对气溶胶扰动?云对气溶胶的方式强烈依赖于气象环境。云受气象因素的影响是动态的实体控制对流。气溶胶粒子,云滴形成的必要因素,没有云的主要推动力。相反,他们有时可以修改云粒子物理学在微妙的方式来生成反馈可能会放大或抑制的影响。这些反馈有潜力使气溶胶对云气候和水文的重要影响。在多大程度上这是真的是这个社会的挑战。

简单的构造,现在几十年的历史,被称为“反照率”和“一生”效果,已被证明是有限的使用。一生的影响尤其如此,这需要分离的气象和气溶胶的影响紧密耦合的系统。甚至对于一个给定的气象背景下,气溶胶的云扰动的反应可能不会单调。基于建模的研究中,我们建议可能存在两个政权:清洁政权气溶胶抑制降水和结果在增加朦胧,更污染机制,气溶胶云分数降低,因为更高效的蒸发。类似的非单调的反应提出了云对气溶胶吸收:在干净的条件下,随着气溶胶云层变得亮,但高于某个阈值气溶胶吸收占主导地位,对流是抑制,和云光学深度降低。

我们也提出了这样的可能性,气溶胶的性质可能影响entrainment-mixing通过对蒸发时间尺度的影响和反馈上述时间尺度的混合(图14.1)。到目前为止,还没有明确的结论。

3所示。拟议的新构造研究气溶胶对降水的影响:我们建议调查的效用“降水敏感性,”

R是rainrate,反照率的模拟易感性。一些非常简单的计算表明,云中间LWP政权展览增加susceptiblity气溶胶扰动(图14.2)。最多可能有R的0 LWP很高,超过此云往往沉淀。有新的从星载云雷达观测支持这一假说。LWP以外的提议,我们识别参数,通过统计分析影响R ' 0大型观测数据集(卫星和地面遥感、现场)和模型输出。更普遍的是,增加使用统计分析这类可能需要与简化的方法来加快进度。

作者要感谢恩斯特Strungmann论坛的支持。GF承认来自美国国家海洋和大气管理局的气候目标的支持。raybet雷竞技最新

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确认

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