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气溶胶化学组分是影响云微物理特征的重要因素之一。气溶胶化学成分复杂、时空差异大,目前气溶胶化学组分对云微物理特征的影响存在很大的不确定。本文将原始单组分绝热气块模式(简称UWyo气块模式)发展为包含多种化学组分综合作用的绝热气块模式,并以2006年4月16日飞机观测的云底高度、热力学资料和分析得到的华北地区气溶胶谱、化学成分的尺度分布作为模拟的初始条件,利用该模式模拟研究华北地区背景下不同化学组分、同种化学组分不同混合方式及观测得到的多化学组分的气溶胶对CCN和云微物理特征的影响。研究结果表明:
华北地区气溶胶组分主要包括硫酸盐、硝酸盐、氯化钠、有机物(OC)和不可溶核,其化学组分随尺度分布变化显著。其中OC集中出现在直径小于1.1 μ m的范围;硫酸铵和可溶性有机物(WSOC)主要出现在核模态、爱根模态和积聚模态;氯化钠和不可溶核集中出现在粗模态中;气溶胶谱峰值浓度为1×105个cm-3,对应的峰值半径为0.004 μ m附近,谱型分布具有一定的典型性,为城市背景下气溶胶谱。
氯化钠对CCN和云微物理特征存在影响。混有氯化钠的硫酸铵气溶胶能够降低临界过饱和度、增加CCN数浓度和降低气块最大过饱和度;氯化钠的外部混合形式比其内部混合形式更加有利于增加CCN数目,也更有利于降低气块最大过饱和度;氯化钠的内部混合方案,在上升速度较小(大)时会略减少(增加)云滴数目;氯化钠的外部混合方案能够较明显地减少云滴数目;氯化钠的内部混合形式和外部混合形式均能够造成云滴谱的拓宽;氯化钠的外部混合形式比其内部混合形式形成的云滴谱宽,该差异主要体现在前者比后者更为有效地减少小尺度云滴浓度和增加大尺度云滴浓度,上升速度越大两者的差异越明显。
以内部混合形式出现的硝酸铵对CCN、气块最大过饱度、云滴数目和云滴谱影响不大。以外部混合形式出现的硝酸铵能够略增加CCN数目,略降低气块最大过饱度以及使云滴数目明显减少;硝酸铵的外部混合方案在上升速度较大时能够使云滴谱略拓宽,硝酸铵的含量越高云滴谱越宽。
含有不可溶核的硫酸铵气溶胶能够减少CCN数目,明显增大气块最大过饱和度以及使云滴谱明显变窄;上升速度小(大)时,不可溶核能够增加(减少)云滴数目;大尺度粒子中含有不可溶核时会在过饱和度较低的时候会减)CCN浓度、通过增加气块最大过饱和度能够使云滴数目显著增加,以及使云滴谱变窄,该变窄特征是通过减少大尺度云滴数目来得到实现。
WSOC对CCN、云滴数目和云滴谱等存在不同程度的影响。混有WSOC的硫酸铵气溶胶能够增加CCN数目,WSOC内部混合形式较其外部混合形式更有利于增加CCN数目,并且主要通过减小表面张力作用来实现增加CCN数目;WSOC能够降低气块最大过饱和度,其内部混合形式比外部混合形式更能降低气块最大过饱和度;内部、外部混合形式的WSOC均能够增加云滴数目,其中内部混合形式比外部混合形式更有利于增加云滴数目,WSOC增加云滴数目主要是通过表面张力减小作用来实现的;WSOC的内(外)部混合气溶胶均能够使云滴谱变窄,变窄的程度随WSOC含量的增加而加剧,且通过增加小尺度云滴数目来实现的,其中内部混合形式比对等的外部混合形式更能促进云滴谱变窄。考虑硝酸气体作用时的硫酸铵气溶胶能够明显降低气块最大相对湿度,使气块最大湿度低于100%;考虑硝酸作用的硫酸铵气溶胶能够减少云滴数目,同时使云滴谱变宽,硝酸气体的浓度越高,云滴谱越宽。
在模拟上升速度范围内,华北地区背景下气溶胶粒子活化的最小干半径的范围是50nm~107nm。
多化学组分的气溶胶与纯硫酸铵对CCN和云微物理的影响不同。多化学组分气溶胶较纯硫酸铵气溶胶更有利于增加云滴的数目,减小有效半径,进而增加云的反照率(一次间接效应);同时多化学组分气溶胶使云滴谱变窄,因此能够延长云的寿命(二次间接效应);多化学组分气溶胶粒子能够增加云滴的数目,且该增加主要与背景气溶胶中的WSOC和不可溶核的含量较多有关;多化学组分气溶胶通过增加小尺度云滴浓度和减少大尺度云滴浓度来实现云滴谱的变窄,其中大尺度段云滴谱变窄与干气溶胶粒子在大尺度段不可溶核质量含量较高有关,而小尺度段云滴谱变窄主要是因为干气溶胶粒子中的小尺度段WSOC含量较多。
在用气候模式研究我国特别是华北地区气溶胶对气候变化的影响时,需要考虑气溶胶多种化学组成的综合效应。