污染大氣對凍雨過程影響的數(shù)值模擬

趙德龍，金蓮姬，覃軍，付丹紅

(1.南京信息工程大學(xué)中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.中國地質(zhì)大學(xué)，湖北武漢430074;3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029)

0 引言

2008年1—2月，我國南方大部地區(qū)發(fā)生了持續(xù)性嚴(yán)重冰凍災(zāi)害，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，其中直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1 500多億元，對人民生活造成了嚴(yán)重影響。針對此次持續(xù)性冰凍災(zāi)害的大尺環(huán)境背景，國內(nèi)進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明，歐亞大陸大氣環(huán)流異常、亞洲中高緯阻塞高壓以及切斷低壓穩(wěn)定維持是冰凍天氣形成的重要大尺度環(huán)流背景，而南支槽與長江流域準(zhǔn)靜止鋒的共同作用形成了有利于凍雨形成和發(fā)展的大氣層結(jié)條件(丁一匯等，2008;孫建華和趙思雄，2008;陶詩言和衛(wèi)捷，2008;陶祖鈺等，2008;王東海等，2008;楊貴名等，2008;趙思雄和孫建華，2008)。

冰凍天氣作為重要的氣象災(zāi)害性天氣，國外對其研究相對較早(Brooks，1920;Ronald and King，1987;Huffman and Norman，1988;John，2000;Rauber et al.，2000)，認(rèn)為凍雨的形成機(jī)制可分為融冰機(jī)制和過冷云機(jī)制(暖云過程)，即通過融化過程形成的凍雨為融冰機(jī)制，而云中冰相不發(fā)展，水滴通過碰并過程增長形成的過冷卻雨滴產(chǎn)生的凍雨為過冷云機(jī)制。國內(nèi)對于凍雨的研究相對較晚，主要是針對凍雨形成條件的統(tǒng)計(jì)分析(陳天錫等，1993;呂勝輝等，2004;周后福等，2004;朱明輝等，2006;何玉龍等，2007)。其中周后福等(2004)簡述了江淮地區(qū)雨凇的時(shí)空分布，認(rèn)為雨凇的形成必須是暖層、冷層同時(shí)存在，具有“先暖后冷型”和“先冷后暖型”的特點(diǎn)，即大氣存在逆溫層結(jié)構(gòu)。朱明輝等(2006)統(tǒng)計(jì)分析了南岳雨凇，發(fā)現(xiàn)凍雨發(fā)生時(shí)地面氣溫一般穩(wěn)定維持在0℃左右。以上這些工作主要研究了我國南方地區(qū)凍雨形成的大氣層結(jié)條件，而針對我國南方地區(qū)凍雨形成的微物理機(jī)制以及污染氣溶膠作為云凝結(jié)核(CCN，cloud condensation nuclei)對凍雨天氣的影響的研究相對較少。本文主要通過數(shù)值模擬研究2008年1月18日00時(shí)至23日00時(shí)(世界時(shí)，下同)一次冰凍天氣過程，目的在于分析此次凍雨的微物理形成機(jī)制以及污染氣溶膠對云結(jié)構(gòu)和凍雨的影響，這對了解城市污染對冰凍災(zāi)害天氣的影響以及提高預(yù)報(bào)水平都有著重要意義。

1 模式設(shè)計(jì)

本文采用可分辨云模式(WRF3.1)，對2008年1月18—21日貴陽地區(qū)附近低溫雨雪冰凍天氣過程進(jìn)行模擬分析，初始場為NCEP 1°×1°GRIB資料。模擬區(qū)域中心位置為106.73°E、26.90°N，水平格距為4 km，格點(diǎn)數(shù)為181×153，垂直方向?yàn)棣亲鴺?biāo)。積云參數(shù)化方案采用Kain-Fritsch方案，顯式方案為WRF Double-Moment 6-class方案，陸面過程采用NLSM(Noah Land Surface Model)。采用LAMBERT地形投影，行星邊界層方案為Yonsei University scheme，以及大氣輻射方案為RRTM和Dudhia scheme，側(cè)邊界為時(shí)變松弛邊界條件，下墊面為NCAR 24類地表特征數(shù)據(jù)。顯式云方案(WDM6)包含水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰，考慮了云凝結(jié)核CCN的影響。

其中:SCCN為CCN產(chǎn)生率;Ncact為云凝結(jié)核數(shù)活化率;Ncevp為云滴蒸發(fā)產(chǎn)生的云凝結(jié)核數(shù)濃度。

其中:n為總的CCN數(shù)濃度;NC為云滴數(shù)濃度;SW為過飽和度;Smax為最大過飽和度;k為常數(shù);qc為云水混合比;Pcond為水汽凝結(jié)(云水蒸發(fā))率。初始云凝結(jié)核(CCN)濃度按照數(shù)量濃度分布將其分為清潔型和污染型，分別為1×108m－3和15×108m－3。圖1為模擬區(qū)域及地形高度分布。

圖1 模擬區(qū)域及地形高度分布(單位:m)Fig.1 The simulated field and terrain height distribution(units:m)

2 個(gè)例介紹

根據(jù)中國氣象局的觀測資料(圖2)顯示，受貝加爾湖至里海的橫槽和南支槽的共同影響，2008年1月18—23日，江蘇、安徽、湖北、江西北部多為暴雪或者雨夾雪天氣，而我國的貴州、湖南、廣西東北部等地出現(xiàn)了凍雨天氣(圖2中黃色陰影區(qū))。根據(jù)地面資料(圖略)可知，凍雨主要集中18—21日，貴陽持續(xù)凍雨、桂林附近和長沙凍雨伴隨著小雨和雨夾雪天氣。

凍雨的形成與對流層中下層的層結(jié)條件有著必然的關(guān)系。圖3為貴陽和桂林高空站觀測的大氣層結(jié)特征?？梢?，1月18—21日貴陽地區(qū)750 hPa以下為冷層(低于0℃)，存在明顯的逆溫層，750～650 hPa表現(xiàn)為暖層，低層相對濕度達(dá)到80%以上，此時(shí)貴陽地區(qū)近地面平均溫度為－4℃，相對較低，由于低于0℃的冷層相對淺薄，形成過冷雨水。桂林地區(qū)大氣溫度相對較高，在950～900 hPa出現(xiàn)低于0℃的冷層，相對濕度大于90%，凍雨發(fā)生時(shí)，桂林地面平均溫度維持在0℃。

圖2 2008年1月18—23日全國降水量實(shí)況(單位:mm)Fig.2 The precipitation from 18 to 23 January 2008 in China(units:mm)

圖3 2008年1月18—21日貴陽(a)和桂林(b)探空觀測的溫度(實(shí)線;單位:℃)及相對濕度(虛線;單位:%)Fig.3 Temperature(℃;solid line)and relative humidity(%;dashed line)from sounding from 18 to 21 January 2008 at(a)Guiyang and(b)Guilin

3 模擬結(jié)果分析

3.1 地面降水特征和云結(jié)構(gòu)特征

3.1.1 地面降水特征

從模擬的累積降水量分布(圖4)可以看到，清潔大氣下強(qiáng)降水中心位于貴州東部和廣西東北部地區(qū)，最大累積降水量均達(dá)到20 mm以上(圖4a)，污染空氣下貴州東部地區(qū)大于20 mm的強(qiáng)降水范圍略有增大，而廣西東北部降水相對減弱，最大累積降水量約為15 mm(圖4b)。從觀測的降水量分布(圖2)可以看到，在貴州東部(約109°E，27°N)降水量為10 mm以上，而廣西東北部(約109.5°E，5.7°N)降水量小于10 mm。由于觀測站數(shù)量較少而模式分辨率相對較高，模擬的降水量略大于觀測的降水量，但從強(qiáng)降水的位置分布來看，污染大氣條件下的模擬結(jié)果與觀測結(jié)果(圖2)更為接近。

從區(qū)域平均累積降水量隨時(shí)間的變化(圖5)可以看到，在降水初期，氣溶膠濃度的增加對區(qū)域降水的影響不大，隨著降水的發(fā)展，污染氣溶膠導(dǎo)致的區(qū)域平均累積降水量減小，污染氣溶膠對區(qū)域降水有一定的抑制作用。

圖4 2008年1月18—21日模擬的累積降水量(單位:mm)a.清潔空氣;b.污染大氣Fig.4 The simulated accumulated precipitation from 18 to 21 January 2008 in(a)clean air and(b)polluted air(units:mm)

圖5 模擬的平均累積降水量隨時(shí)間變化Fig.5 The change of the average simulated accumulated precipitation with time

3.1.2 云結(jié)構(gòu)特征

氣溶膠可以通過參與云中的微物理過程來改變云的物理特征，從而影響降水(Ramanathan et al.，2001)。為了驗(yàn)證上述結(jié)果，同時(shí)也為了研究污染氣溶膠對凍雨形成的云特征是否有影響，下面將詳細(xì)分析模擬區(qū)域(103.2～110.0°E，24.37～29.50°N)云中云滴、雨滴數(shù)濃度、雪粒子和霰的最大值隨時(shí)間高度的演變。

從圖6a、6b可以看出，清潔空氣下的云滴數(shù)濃度最大為8.0×108kg－1，污染空氣下為1.2×1010kg－1，污染氣溶膠的增加有利于云水的形成，導(dǎo)致云滴增多。從雨滴分布(圖6c、6d)來看，清潔大氣的雨滴數(shù)濃度最大達(dá)到了8.0×105kg－1，污染大氣的雨滴數(shù)濃度最大為4.0×105kg－1，清潔空氣下的雨滴數(shù)濃度明顯大于污染空氣下的雨滴數(shù)濃度，可見，污染氣溶膠不有利于雨水的形成。

污染氣溶膠的增加對云中冰晶最大含量的影響相對較小(圖略)，這是因?yàn)槲⑽锢磉^程中氣溶膠僅作為CCN。在云系發(fā)展初期，污染氣溶膠通過云內(nèi)的微物理過程導(dǎo)致云內(nèi)雪含量最大值減小，隨著云系的發(fā)展，污染氣溶膠對云內(nèi)雪含量最大值的影響相對較小(圖6e、f)。

從霰粒子分布(圖6g、h)可以看到，污染氣溶膠使得云內(nèi)霰粒子含量增多，云滴數(shù)濃度的增加使得冰相粒子撞凍過冷水這一過程進(jìn)行的更加充分，利于霰的產(chǎn)生。由此可見，污染氣溶膠不利于雨水以過冷卻形式存在，進(jìn)而抑制了凍雨的產(chǎn)生。

3.2 污染大氣氣溶膠對凍雨及其形成過程的影響

從上述分析可以看出，污染氣溶膠的增加，使得云中冰相粒子增加，相應(yīng)減少了液態(tài)降水，進(jìn)而抑制了凍雨的產(chǎn)生。為了進(jìn)一步分析污染氣溶膠對區(qū)域凍雨的影響，圖7a、7b分別給出了清潔和污染空氣下凍雨累積降水量分布?？梢姡瑑鲇曛饕霈F(xiàn)在貴州地區(qū)的東南部。清潔空氣下，凍雨累積降水量最大達(dá)到20 mm以上，而污染大氣情況下，凍雨累積降水量最大僅為12 mm。從凍雨分布來看，清潔空氣下的貴州南部地區(qū)還有零散的降水區(qū)，而污染空氣下很少。由此可見，氣溶膠濃度的增加對凍雨的降水范圍與強(qiáng)度有明顯的抑制作用。從3 h最大凍雨累積強(qiáng)度值隨時(shí)間和緯度的變化(圖8)可以看到，降水初期，氣溶膠對凍雨的影響也相對較小，隨著凍雨的發(fā)展，污染氣溶膠使得強(qiáng)凍雨中心的范圍減小，大于2 mm的凍雨降水量明顯減少，氣溶膠濃度的增加對凍雨強(qiáng)度有明顯的減弱作用。

圖6 2008年1月18—21日模擬的清潔(a、c、e、g)、污染(b、d、f、h)空氣下模擬區(qū)域中(103.2～110.0°E，24.37～29.50°N)各個(gè)參數(shù)最大值隨時(shí)間高度的變化a、b.云滴數(shù)濃度(kg－1);c、d.雨滴數(shù)濃度(kg－1);e、f.雪混合比(g·kg－1);g、h.霰混合比(g·kg－1)Fig.6 Time evolution of(a，b)cloud water number concentration(units:kg－1)，(c，d)rain number concentration(units:kg－1)，(e，f)snow mixing ratio(units:g·kg－1)and(g，h)graupel mixing ratio(units:g·kg－1)in(a，c，e，g)clean and(b，d，f，h)polluted air from 18 to 21 January 2008

凍雨為低于0℃的液態(tài)降水，且局地因素對凍雨的形成有著重要作用(Bernstein，2000)。觀測表明，貴陽地區(qū)的凍雨主要出現(xiàn)在1月19—20日。從清潔大氣的模擬結(jié)果(圖9a)可以看到，云內(nèi)最大云水含量為0.4 g·kg－1，位于18日12時(shí)750 hPa左右，最大雨水含量為0.1 g·kg－1，位于18—20日的750 hPa以下，云內(nèi)冰相粒子主要位于低層的冷層，這表明雨水主要通過暖云過程形成，而不是由冰相粒子融化產(chǎn)生，因此貴陽地區(qū)的凍雨主要通過過冷卻暖云機(jī)制形成。而在污染大氣條件下，低層過冷云水增加，過冷卻雨水減少，而雪和霰粒子含量均增加，地面以固態(tài)降水為主(圖9b)。因此，污染氣溶膠使得云內(nèi)微物理過程發(fā)生變化，不利于凍雨的形成。

4 結(jié)論

對2008年1月18—21日一次冰凍災(zāi)害天氣進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了污染氣溶膠對冰凍災(zāi)害天氣和凍雨形成過程的影響，得到以下結(jié)論:

1)模擬的污染空氣下的降水雖然比實(shí)況偏強(qiáng)，但整體分布與實(shí)況較接近;而清潔空氣下區(qū)域平均降水量大于污染空氣下情況，污染氣溶膠對此次冰凍天氣的區(qū)域降水有一定的抑制作用。

2)污染氣溶膠對凍雨的影響相對較大，有明顯的抑制作用。污染氣溶膠使得凍雨的降水范圍減小，其次對相對較強(qiáng)的凍雨降水有明顯的消弱作用。

圖7 2008年1月18—21日模擬的清潔(a)和污染(b)大氣下累積凍雨降水量(單位:mm)Fig.7 The simulated accumulated freezing precipitation from 18 to 21 January 2008 in(a)clean air and(b)polluted air(units:mm)

圖8 模擬區(qū)域(103.2～110.0°E)經(jīng)向3 h最大凍雨強(qiáng)度變化(單位:mm)a.清潔大氣;b.污染大氣Fig.8 Changes of the 3 h maximum freezing-rain intensity in the model area(103.2—110.0°E)(units:mm)a.clear air;b.polluted air

3)從云微物理角度考慮，氣溶膠的增加，增大了CCN濃度，使得云內(nèi)最大云水含量增加，最大雨水含量減少，最大雪含量減小，而對于云內(nèi)霰粒子最大含量有明顯的增加作用。

4)貴陽地區(qū)凍雨形成機(jī)制為過冷云機(jī)制(暖云機(jī)制)，污染氣溶膠使得最大云內(nèi)霰粒子含量增多，云滴數(shù)濃度的增加使得冰相粒子撞凍過冷水這一過程進(jìn)行的更加充分，導(dǎo)致地面以固態(tài)降水為主，抑制了凍雨的產(chǎn)生。

本文嘗試分析了污染氣溶膠對冰凍降水的影響，由于受實(shí)測資料和模式限制，尚需更加深入研究。隨著城市化的發(fā)展越來越大，污染氣溶膠對于天氣影響越來越明顯，在進(jìn)行冰凍天氣預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)該考慮到城市氣溶膠的影響。

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