多化学组分对气溶胶的影响

多化学组分气溶胶对中国北方微物理温暖云的影响

杨夙英1，2，马建忠2，胡自金2，闫鹏2，陈越2，王巍3

1大气物理与环境实验室，南京信息工程大学210044，中国;

2中国气象科学研究院，北京100081，中国;

3中国环境科学研究院，北京100012，中国

收稿于2009年12月8日，接受于2010年3月30日，网上公布2010年10月16日一个绝热容器大小的云包裹模型是由多化学组分（MCC）的气溶胶结合形成的，同时影响着UWyo单化学组分（SCC）包裹模型。用模型的方法来调查多组分气溶胶对中国北方微物理温暖云的影响。模拟初始化使用的数据和化学成分，期间的IPAC（在华北对气溶胶和云微物理污染测量的气溶胶粒径分布）在2006年春季运动。结果发现，在中国北方不仅使多化学组分气溶胶云滴数量增加，同时比纯铵硫酸盐气溶胶更能有效地减少有效半径。这也表明，在中国北方多化学组分气溶胶可以缩小体积小CDNC增加云滴谱（CDS），减少体积大的CDNC。我们的研究结果表明，气溶胶的化学成分和粒度分布可以影响微物理温暖的云，从而影响大气辐射和降水。在未来的天气和气候变化研究中，这应该吸引界内更多的关注。

关键词：气溶胶，云微物理，化学成分，CCN，云模型。

引言：杨夙英，马建忠，胡静，等。多在中国北方的温暖云的微物理化学组分气溶胶的影响。中国科学，地球科学，2011，54：451-461，DOI：10.1007/s11430-010-4075-z 气溶胶作为云凝结核（CCN）或冰核（IN），间接影响着气候，即气溶胶改变云滴数量，浓度（CDNC），粒度分布的事实，进而影响着作用于气候变化的云反照率和寿命的平衡[1，2]。虽然AIE的是气候变化的重要影响成分，但AIE的影响仍有较大的不确定性，主要是因为浓度和理化在不同的背景下，大气气溶胶的属性有着显著的不同。云内上升气流的速度决定着气溶胶数浓度，化学成分，粒度分布过饱和度，是由是影响激活的主要因素。在这些因素中，气溶胶化学成分对云微物理的影响，是要解决的关键问题之一。气溶胶的化学成分非常复杂，含有硫酸盐，硝酸盐，海盐，其他无机化合物以及各种有机物。气溶胶吸湿性和其不同的化学成分及不同的粒度分布，都可能会影响气溶胶激活。

在气溶胶早期研究中，一般认为，气溶胶由单一的化学成分组成。例如，硫酸铵或不溶性的核心，组成大陆背景气溶胶和海洋背景气溶胶的氯化钠。最近，已经研究表明混合状态（内部或外部）的可溶性无机气溶胶，可溶性微量气体（硝酸），水溶性有机碳气溶胶（WSOC）可以显着影响云的微物理过程。一氧化氮，酸水汽可以促进激活气溶胶的形成。通过减少水汽过饱和度[8]。水溶性有机碳气溶胶WSOC可以改变表面张力和水的CDNC，在运动过程中，与CDNC变化范围有着较大的不确定性大致范围为86％-110％。到现在为止，很少有研究报道气溶胶，尤其是多化学成分（MCC）的气溶胶，对微物理云的影响。气溶胶在不同的地区特点不同，尤其在中国的北方地区。因此，多化学组分气溶胶对云的微物理效果的调查，可以通过使用测量数据进行必要的评估AIE和地区降水的形成机制。

在这项研究中，在单化学组分（铵不溶性的核心硫酸钠或氯化钠）绝热的云包裹模型的基础上，多化学组分气溶胶的云包裹模式已经发展的基础上多化学组分影响温暖云的微物理模拟气溶胶与地面和飞机测量初始化模型在2006年春季中国北方。数据包括在不同的采样箱在地面上离子组成的气溶胶以及气溶胶粒度分布，和云的微物理参数。

1 UWyo云包裹模型描述

在这项研究中所使用的模型最初是源于怀俄明州大学绝热的云包裹模型（简称UWyo 云包裹模型）[7]。科勒方程是该模型的基本方程，该模型假设颗粒在一个封闭/绝热升序包裹模型里以一个恒定的垂直速度移动。在云下面，水汽和气溶胶粒子处于水分平衡吸湿蒸

汽之间的颗粒表面和潮湿的空气环境。在空气/颗粒的溶液界面的饱和比用传统科勒方程的形式表示：

其中下标i跟踪原子核的大小，顺序，是在空气/溶液界面的饱和度的比例，AW，我是水σw活动，是表面张力，分子量，分子量水，R是普适气体常数，T为绝对温度，ρS，我是溶液的密度，和RI是粒子半径。（1），实验数据是用来描述盐质量分数（χAW，我和ρS，I其中χ溶液中的溶质的质量百分比，拟合系数CJ和AJ和Munkelwitz [14]。描述激活后的雾滴凝结增长式。

（4）其中S是环境的水汽饱和度的比例，pν*是饱和水蒸汽压力，D' V是水蒸汽扩散系数，L是汽化潜热，k'a是空气热交换系数。在模型中，热量和水分的保护为上升气流包裹可以用方程表示。

其中V是上升气流速度，T是温度空气，g是重力加速度，CP是恒定的比热

压力，分别。（6），凝结水的人口率液滴半径里妮滴（I = 1，...，N）可表示为其中ρW的水的密度，并ρ一个是空气密度。气溶胶粒度分布和化学处方组件如下：粒度分布的三模态对数正态分布的形式， NK气溶胶数浓度，RK数量模式的半径，和σk的几何标准偏差模式K.三种模式包括艾肯模式（R <0.1微米），积累模式（0.1微米 1.0微米），干颗粒尺寸范围是从0.006微米到4微米，指定的界限恒定的半径比（RK + 1/rk = 1.09）。关于干颗粒的性质，它们都被假定为紧凑的领域和其溶于水的质量分数假设给定大小的所有粒子相同。在模型中考虑的化学成分（NH4）2SO4 -水或氯化钠水系统，其中包括不溶于水的物质。

在UWyo云包裹模型，用拉格朗日方法执行微物理计算，粒子/液滴在每个容器的数量浓度是个常数，粒度是时间的函数变量。因为在不同容器里的化学成分是多种多样的，所以通过使用这个专业模型，我们可以改进，同时还可以考虑在每个容器的混合多组分。更新后的模型适合模拟多组分气溶胶对微物理暖云特征的影响。

2.云包裹模型的发展

2.1观察和装配初始干气溶胶谱

在低层大气的干气溶胶谱中，在2006年4月16日在天津唐山地区（参见图1中的虚线），