余國(guó)行 楊素英 胡成戎 劉炫炫 李婭茹 龍祉怡

(南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044)

引言

大氣氣溶膠目前已經(jīng)被公認(rèn)為是影響氣候變化的最重要的因子之一[1-2]。雖然大氣氣溶膠在大氣中占有的比重很低，但其對(duì)于氣候的影響具有重要的研究意義。大氣中的氣溶膠不僅通過直接效應(yīng)影響氣候，而且還會(huì)間接對(duì)氣候造成影響。 氣溶膠間接效應(yīng)指當(dāng)氣溶膠作為云凝結(jié)核或者冰核影響云和降水的生成與發(fā)展過程[3]，當(dāng)前氣溶膠間接氣候效應(yīng)存在很大不確定性[4-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量有關(guān)氣溶膠對(duì)不同類型云和降水影響的研究，氣溶膠影響云降水過程的方式是通過影響云微物理過程和云中液滴粒徑大小進(jìn)而影響云的生消演變。當(dāng)前研究表明氣溶膠數(shù)濃度(Na)增大會(huì)導(dǎo)致云滴粒子尺度減小，云滴粒子譜變窄，抑制碰并過程，從而抑制暖性降水過程[6]。大氣中云凝結(jié)核(CCN)濃度增加引起小云滴數(shù)濃度(N)增加，碰并效率降低，抑制暖云降水[7]。Rosenfeld等[8]通過衛(wèi)星觀測(cè)資料也證實(shí)增加沙塵氣溶膠使云滴半徑減小，抑制降水。另外，一些其他的觀測(cè)資料顯示增加氣溶膠濃度會(huì)抑制降水形成[9-12]。氣溶膠濃度增加后,因?yàn)榛罨a(chǎn)生了更多尺度較小的云滴,抑制了云雨的自動(dòng)轉(zhuǎn)化,使大氣中滯留了更多的云水,暖云降水減小[13]；一些新的研究還提出了氣溶膠對(duì)云的“半直接效應(yīng)”，如黑碳或煙塵等吸收性氣溶膠，由于具有較強(qiáng)的吸收太陽(yáng)輻射并向外釋放熱輻射的能力，從而加熱大氣和云團(tuán)，使得云滴蒸發(fā)，云量減少，云生命期縮短，云體平均反照率減小[14-15]。由此可見，氣候效應(yīng)的不確定性受氣溶膠影響很大，因此研究氣溶膠對(duì)云微物理特征的影響十分有必要。但現(xiàn)有研究多將氣溶膠對(duì)云降水的影響作為一個(gè)整體來考慮，系統(tǒng)展開氣溶膠對(duì)云體不同發(fā)展過程影響的研究較少,而暖云不同發(fā)展階段云微物理特征區(qū)別較大。因此，基于以上研究背景，系統(tǒng)性開展氣溶膠濃度對(duì)暖云不同發(fā)展階段影響的研究非常必要。

云滴譜離散度(ε)是描述云微物理特征的重要參數(shù)。不同氣溶膠背景下發(fā)展出來的云體在不同發(fā)展階段云內(nèi)ε有較大差異，而在中尺度模式中，ε與N的相關(guān)性關(guān)系不同對(duì)模式結(jié)果有較大影響[16]。當(dāng)前對(duì)于非降水性暖云開展氣溶膠等因素對(duì)ε及ε-N相關(guān)關(guān)系的研究工作開展較多[17-20]，但是對(duì)于暖性降水云的研究開展相對(duì)不足。近十幾年來，國(guó)內(nèi)外相繼開展一些研究工作，但由于研究地區(qū)不同、觀測(cè)實(shí)驗(yàn)不同、模擬方法不同，ε-N的相關(guān)性關(guān)系存在很大的不確定性。觀測(cè)資料分析顯示，ε既有隨N增加而增加的[18]，也有隨N增加而減小的[19]，還有觀測(cè)研究表明ε隨著N的增加呈收斂趨勢(shì)[21]?，F(xiàn)有的N與ε之間的關(guān)系主要是基于觀測(cè)給出的相關(guān)性關(guān)系,所以進(jìn)一步地給出ε與N的聯(lián)系很有必要。暖云是一種重要的降水云系，因此本文基于暖云為研究對(duì)象，通過微物理機(jī)制完善的云模式開展模擬研究，探討不同氣溶膠濃度對(duì)暖云微物理特征的影響并給出ε與N聯(lián)系的影響機(jī)制，該研究能夠?yàn)楦玫卦u(píng)估氣溶膠的間接氣候效應(yīng)和提高中尺度氣象模式及全球氣候模式的預(yù)報(bào)能力提供背景支持。

1 資料與方法

1.1 模式介紹

本文采用以色列特維拉夫大學(xué)研發(fā)的二維面對(duì)稱非靜力分檔氣溶膠—云模式(TAU-2D)研究不同氣溶膠背景對(duì)暖云不同發(fā)展階段微物理特征的影響。模式包含液滴(w)、冰晶(i)、雪花(s)及霰粒(g)4種水成物，考慮了比濕、各水成物的質(zhì)量、垂直位溫?cái)_動(dòng)、CCN濃度等因素。利用渦度方程和流體函數(shù)求解風(fēng)場(chǎng)的垂直和水平運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于微物理過程，模式中分別考慮了暖云和冷云過程，暖云微物理過程包括：CCN的活化、凝結(jié)和蒸發(fā)、碰并和破碎機(jī)制，以及各種粒子的沉降過程。這些微物理過程均采用多維矩陣的方法通過動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解。關(guān)于云滴的活化，在空間上，特定尺度大小的CCN在過飽和度達(dá)到一定的閾值時(shí)活化為云滴，該臨界閾值由Kohler方程計(jì)算得到。模擬時(shí)模式中各種水成物粒子為34檔，第二檔的水成物質(zhì)量為第一檔的兩倍，各相態(tài)粒子的第一檔和最后一檔的質(zhì)量分別為0.1598×10-13kg和0.17468×10-3kg，對(duì)應(yīng)的液滴直徑分別為3.12 μm和8063 μm。將氣溶膠分為 57檔，最小的半徑為0.0041 μm。

1.2 模式初始化

本次研究的模擬水平范圍為10 km，垂直高度為4 km，分辨率為200 m×200 m，模擬時(shí)長(zhǎng)為60 min，從第8 min開始輸出數(shù)據(jù)，輸出間隔2 min。模式輸入探空廓線參考陳麗[22]使用的探空廓線并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了小幅度修改(圖1)，保證模式能正常運(yùn)行。所有模擬均采用同一探空廓線，以單獨(dú)考慮氣溶膠和地面熱力擾動(dòng)對(duì)于暖云微物理特征的影響。模擬過程考慮了暖云增長(zhǎng)過程中的核化、凝結(jié)和碰并的作用。模式采用熱泡啟動(dòng)，通過在模式初始發(fā)展階段邊界設(shè)置2 ℃的擾動(dòng)[23]來觸發(fā)熱泡對(duì)流。為了更符合實(shí)際氣溶膠譜分布特征，模式輸入的氣溶膠初始譜參考余欣洋[24]所使用的2011年6月黃山光明頂WPS觀測(cè)數(shù)據(jù)均值(圖2)。模式初始輸入云凝結(jié)核譜的獲得參考Yin等[25]研究，每一檔云凝結(jié)核數(shù)濃度是根據(jù)每一檔氣溶膠數(shù)濃度乘以每一檔氣溶膠可溶性化學(xué)組分的百分含量獲得的。參考王啟花[26]對(duì)黃山化學(xué)成分的分析，模擬的化學(xué)成分設(shè)置為硫酸銨，與Yin等[25]研究一致。蒸凝過程步長(zhǎng)為2.5 s，其他過程均為5 s，積分時(shí)間為60 min。

圖1 模式初始化使用的溫度和露點(diǎn)溫度垂直分布曲線

圖2 模式初始化使用的初始?xì)馊苣z譜

1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文主要研究不同氣溶膠數(shù)濃度對(duì)暖云微物理特征的影響，氣溶膠數(shù)濃度采用黃山觀測(cè)資料平均值2789個(gè)·cm-3為基礎(chǔ)，并將其作為控制實(shí)驗(yàn)(方案2)，在譜型不變的條件下將方案2對(duì)應(yīng)的氣溶膠譜進(jìn)行一定程度的縮放,選取三個(gè)氣溶膠數(shù)濃度279 個(gè)·cm-3、2789 個(gè)·cm-3和4185 個(gè)·cm-3分別代表清潔背景、平均背景和污染背景，地面熱力擾動(dòng)為2 ℃進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。通過與控制實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探究背景氣溶膠數(shù)濃度對(duì)暖云微物理特征的影響特征。具體模擬方案設(shè)計(jì)如下：

方案1： 根據(jù)黃山觀測(cè)資料中給出的觀測(cè)獲得的氣溶膠平均譜并保持氣溶膠譜形狀不變的情況下，將數(shù)濃度縮小到原平均譜的1/10,即數(shù)濃度為279 個(gè)·cm-3后，熱力擾動(dòng)設(shè)置為2 ℃作為模式啟動(dòng)初始場(chǎng)；

方案2:根據(jù)黃山觀測(cè)資料中給出的觀測(cè)獲得的氣溶膠平均譜和平均濃度2789 個(gè)·cm-3作為氣溶膠初始場(chǎng)，熱力擾動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置為2 ℃作為初始場(chǎng)輸入到云模式；

方案3：在方案2基礎(chǔ)上保持氣溶膠譜形狀不變、熱力擾動(dòng)強(qiáng)度保持不同的情況下，將數(shù)濃度增加至4185 個(gè)·cm-3后的初始場(chǎng)作為模式啟動(dòng)初始場(chǎng)。

2 結(jié)果分析

2.1 暖云不同生長(zhǎng)階段的確定

由圖3和圖4可知，在地面熱力擾動(dòng)的作用下，模式啟動(dòng)云體開始發(fā)展。從第10 min至第26 min，云頂高度由1.1 km發(fā)展到2.9 km，云厚從0.1 km增長(zhǎng)至1.8 km，中心區(qū)域上升速度由1.34 m·s-1增長(zhǎng)至6.99 m·s-1，液滴數(shù)濃度從100 個(gè)·cm-3增長(zhǎng)至300 個(gè)·cm-3，液滴質(zhì)量濃度由0.05 g·kg-1增長(zhǎng)至1.70 g·kg-1。第10 min至第20 min時(shí)液滴數(shù)濃度迅速增長(zhǎng)較液滴質(zhì)量濃度增長(zhǎng)緩慢，即云體內(nèi)部主要是由于液滴的凝結(jié)效應(yīng)起主導(dǎo)作用，在第20 min至第26 min時(shí)液滴數(shù)濃度進(jìn)一步增大而液滴質(zhì)量濃度增速也逐漸變大，這代表著凝結(jié)效應(yīng)占主導(dǎo)地位以及碰并效應(yīng)開始發(fā)生，將這凝結(jié)效應(yīng)開始到碰并效應(yīng)剛開始的這一時(shí)段定義為凝結(jié)階段。

圖3 方案2的液滴質(zhì)量濃度在第10 min(a)、第20 min(b)、第26 min(c)、第28 min(d)、第30 min(e)、第34 min(f)、第36 min(g)、第40 min(h)和第54 min(i)隨時(shí)間的變化

圖4 方案2的液滴數(shù)濃度在第10 min(a)、第20 min(b)、第26 min(c)、第28 min(d)、第30 min(e)、第34min(f)、第36 min(g)、第40 min(h)和第54 min(i)隨時(shí)間的變化

從第28 min開始至第34 min，云頂高度從3.1 km發(fā)展至3.8 km處，云底高度從1.2 km上升至2.3 km處，云體厚度從1.9 km減至1.5 km，中心區(qū)域上升速度從7.47 m·s-1逐漸降低至4.23 m·s-1，其中第28 min時(shí)達(dá)到最大上升速度7.47 m·s-1，液滴數(shù)濃度從300 個(gè)·cm-3降至140 個(gè)·cm-3,液滴質(zhì)量濃度從1.9 g·kg-1增長(zhǎng)至2.5 g·kg-1，且中心液滴質(zhì)量大值區(qū)不斷擴(kuò)大。這段時(shí)間內(nèi)液滴數(shù)濃度不斷降低但液滴質(zhì)量濃度卻不斷增大，表明云內(nèi)有強(qiáng)烈的碰并效應(yīng)導(dǎo)致云滴因碰并而使得較大粒徑液滴的生成，同時(shí)液滴濃度明顯減小，將這一時(shí)段記為碰并階段。

第36 min開始至第54 min，云頂高度在第36 min時(shí)達(dá)到最高4 km，此時(shí)云厚2 km，云中液滴數(shù)濃度與質(zhì)量濃度開始迅速降低，到第40 min時(shí)，液滴數(shù)濃度從100 個(gè)·cm-3降低至30 個(gè)·cm-3,液滴質(zhì)量濃度從2.3 g·kg-1降至1.2 g·kg-1，下沉氣流逐漸成為主導(dǎo)氣流，中心區(qū)域氣流上升速度由2.21 m·s-1降低至0.78 m·s-1，云底的逐漸下降和中心區(qū)域上升氣流的降低表示云內(nèi)較大的水成物粒子開始下沉，在其拖曳作用下，下沉氣流逐漸增強(qiáng)，使得云體下移，第40 min時(shí)云體接地，地面降水過程開始，并在第54 min結(jié)束地面降水，云體逐漸消散。在下沉氣流的影響下，距中心2 km、高度1 km處出現(xiàn)了二次云體。定義沉降開始至地面降水開始時(shí)段為沉降階段。為了消除下沉氣流引起二次云體生成對(duì)統(tǒng)計(jì)云微物理量造成的干擾，二次生成的云體不作為本文研究對(duì)象。

同理，統(tǒng)計(jì)了其他兩個(gè)方案中三個(gè)生長(zhǎng)階段的具體開始時(shí)刻和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，詳見表1。通過表1可以看出，在熱力擾動(dòng)一定時(shí)方案1、方案2、方案3對(duì)比可知，Na越大，凝結(jié)增長(zhǎng)和碰并增長(zhǎng)所需時(shí)間就越長(zhǎng)，沉降發(fā)生的時(shí)間越晚，地面降水開始的時(shí)間越晚(表1中沉降階段的時(shí)段中間數(shù)值)，沉降持續(xù)的時(shí)間則較短，說明隨著Na的增加N會(huì)增多，但是云滴尺度越小，發(fā)生碰并的時(shí)間越晚，這樣凝結(jié)增長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，另外這種情況下云滴碰并增長(zhǎng)的能力變差，云滴通過碰并增長(zhǎng)成為雨滴的時(shí)間就越長(zhǎng)，這樣導(dǎo)致高Na背景碰并的時(shí)長(zhǎng)增加，降水開始的時(shí)刻就越晚，而此時(shí)雨滴的尺度越小，地面降水持續(xù)的時(shí)間越短。比如在方案3中沉降開始的時(shí)刻是第40 min，地面降水開始的時(shí)間是第44 min，地面降水持續(xù)12 min，而方案1中沉降開始時(shí)刻為第34 min，地面降水開始于第36 min，地面降水持續(xù)時(shí)長(zhǎng)24 min。

表1 暖云演變階段的時(shí)間分布特征統(tǒng)計(jì)

2.2 Na對(duì)云滴濃度空間分布的影響

綜合圖5和圖6可以看出，在凝結(jié)階段(第18 min)云滴質(zhì)量濃度較低，低于0.5 g·kg-1，Na的變化對(duì)該階段云滴質(zhì)量濃度的影響差異不明顯，但是對(duì)該階段N的影響很大，Na越高N越高，但對(duì)最大數(shù)濃度和質(zhì)量濃度出現(xiàn)的高度無影響，其中方案1最大云滴數(shù)濃度20—30 個(gè)·cm-3，方案2則為200 個(gè)·cm-3左右，方案3則為350 個(gè)·cm-3左右。由此可以看出，低氣溶膠濃度時(shí)云滴尺度比高氣溶膠濃度時(shí)尺度大，因此低氣溶膠背景形成的云滴間易于發(fā)生碰并增長(zhǎng)，云體垂直發(fā)展旺盛，在第28 min時(shí)云滴質(zhì)量濃度更高，但此時(shí)N低于第18 min時(shí)的濃度，說明已經(jīng)發(fā)生碰并增長(zhǎng)，碰并增長(zhǎng)比高濃度氣溶膠背景形成的云更加旺盛，因此在第38 min時(shí)已經(jīng)在地面產(chǎn)生降水，而隨著Na的增加云滴的碰并增長(zhǎng)變?nèi)?，碰并增長(zhǎng)成為雨滴的時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，地面降水發(fā)生的時(shí)刻越來越晚。綜上可見，Na明顯影響暖云不同生長(zhǎng)階段的時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)N和云滴平均尺度影響很大，進(jìn)而對(duì)地面降水發(fā)生的時(shí)刻影響很大。當(dāng)Na低時(shí)，液滴數(shù)濃度也比較低，云體發(fā)展更為迅速，降水發(fā)生更早，云體生命周期相對(duì)更短。Na較大時(shí)，由于水汽一定，初始液滴數(shù)濃度更多，平均液滴粒徑也就越小，云體發(fā)展成熟所需時(shí)間也就越長(zhǎng)，形成降水的時(shí)刻就越晚。

圖5 方案1(a)、方案2(b)、方案(c)在第18 min，方案1(d)、方案2(e)、方案3(f)在第28 min,方案1(g)、方案2(h)、方案3(i)在第38 min以及方案1(j)、方案2(k)、方案3(l)在第44 min液滴質(zhì)量濃度空間分布

圖6 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)在第18 min，方案1(d)、方案2(e)、方案3(f)在第28 min,方案1(g)、方案2(h)、方案3(i)在第38 min以及方案1(j)、方案2(k)、方案3(l)在第44 min液滴數(shù)濃度空間分布

2.3 Na對(duì)不同生長(zhǎng)階段云物理特征影響

為了更好地研究氣溶膠對(duì)暖云的影響，排除暖云邊界夾卷效應(yīng)的影響，本小節(jié)只選擇中心格點(diǎn)主上升氣流中心區(qū)域作為研究對(duì)象，探討氣溶膠對(duì)暖云不同發(fā)展階段的影響。從圖7可以看出，整體上中心區(qū)域上升氣流呈現(xiàn)先增大后迅速減小的趨勢(shì)，在云的中部均存在上升氣流的最大值。其中，凝結(jié)階段的上升速度相對(duì)較小，云體不厚，碰并階段云中氣流為上升氣流，且最大值發(fā)生在該階段，在沉降階段云中垂直上升氣流變?nèi)?，然后轉(zhuǎn)為下沉氣流，云體變薄。對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)Na增加時(shí)，云中的上升氣流隨著Na的增加而略減弱，原因可能是由于N高，在云中下落的過程中對(duì)上升氣流有拖曳作用，導(dǎo)致上升氣流略減少，而云中下沉氣流(沉降階段)則隨著Na的增加而略減弱，原因可能與云滴尺度大小有關(guān)。低氣溶膠背景的云滴尺度大，下落末速度大，云體下沉蒸發(fā)冷卻和云滴下落拖曳的共同作用更強(qiáng)即低氣溶膠背景時(shí)云體較低(1—2 km)，高氣溶膠背景此階段云體較高(2—3 km)。

從圖7可以看出，隨Na增大中心格點(diǎn)最大垂直上升速度逐漸減小且下沉氣流出現(xiàn)與維持的時(shí)間逐漸變短。從圖8可以看出，Na不同,液態(tài)水含量時(shí)空分布特征不同，最大值出現(xiàn)的高度存在差異，其中Na較低時(shí)，液態(tài)水含量最大值出現(xiàn)的高度明顯低于其他兩個(gè)方案，且出現(xiàn)在碰并階段，但數(shù)值大小相差不是很大，與圖7對(duì)照可以進(jìn)一步看出，液態(tài)水最大值出現(xiàn)的高度在最大上升氣流之上。

圖7 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點(diǎn)的垂直速度的高度—時(shí)間變化特征

圖8 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)液態(tài)水含量的高度—時(shí)間變化特征

圖9給出了不同氣溶膠背景下主上升氣流中心區(qū)域碰并閾值隨時(shí)間和高度的變化特征。碰并閾值用來反映云中云滴間的碰并情況，碰并閾值處于0—1之間，數(shù)值越小越代表云中碰并發(fā)生的可能性小，反之越大時(shí)則發(fā)生碰并的可能性越大[27]。如圖9所示，方案1由于云體發(fā)展快，凝結(jié)增長(zhǎng)作用較弱，很快進(jìn)入了碰并階段，碰并閾值可以達(dá)到1附近，是由于本文定義的凝結(jié)階段是凝結(jié)增長(zhǎng)起主要作用，同時(shí)碰并開始發(fā)揮其作用。而當(dāng)Na增加時(shí)，通過討論方案2與方案3的結(jié)果對(duì)比給出。對(duì)方案2而言，凝結(jié)效應(yīng)發(fā)生的高度范圍在1—2 km高度之間碰并閾值小，間接表明該階段主要以凝結(jié)增長(zhǎng)為主，且在該階段的后期發(fā)生了一點(diǎn)碰并增長(zhǎng)，而方案3凝結(jié)效應(yīng)發(fā)生的高度范圍在1—2 km高度上，凝結(jié)增長(zhǎng)的特征更為顯著，即Na越高暖云中凝結(jié)增長(zhǎng)所需時(shí)間也就越長(zhǎng)，凝結(jié)增長(zhǎng)特征越顯著。

圖9 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景云中碰并閾值的高度—時(shí)間變化特征

圖10給出了不同氣溶膠背景下水平中心格點(diǎn)區(qū)域N隨時(shí)間和高度的變化特征。由圖10可知，N呈現(xiàn)出先增大后迅速減小的趨勢(shì)，而Na越大，N也就越高。同時(shí)還可以看出，在凝結(jié)階段N最高，然后隨著云體不斷增厚，云中上升氣流的不斷增強(qiáng)，云滴進(jìn)入碰并增長(zhǎng)，從圖中不同方案可以看出，碰并增長(zhǎng)較凝結(jié)增長(zhǎng)明顯降低了云滴的數(shù)濃度。隨著云滴的長(zhǎng)大變?yōu)橛甑?，云中進(jìn)入沉降階段，由于雨滴的降落，云中N明顯變小。

圖10 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點(diǎn)區(qū)域N的高度—時(shí)間變化特征

ε為云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差與云滴平均半徑的比值，描述云中云滴尺度分布均勻程度，數(shù)值越小，云滴尺度分布越均勻，反之越不均勻[28-29]。圖11給出了不同氣溶膠背景下水平中心區(qū)域云滴譜ε時(shí)間高度的分布,發(fā)現(xiàn)ε大值區(qū)一般出現(xiàn)在云底和云頂，云內(nèi)ε一般較小，在0.3左右。Na較大時(shí)，云體最大ε普遍低于Na較小的個(gè)例，這是由于Na較高時(shí)，N較多，云滴譜較窄，云滴尺度分布的均勻性較好。同時(shí)還可以看出，在凝結(jié)階段ε隨高度總體上呈現(xiàn)由大變小的特征，而此時(shí)N隨高度的變化受Na的影響，其中低氣溶膠背景(方案1)呈現(xiàn)由多變少的特征，高氣溶膠背景(方案2和方案3)則表現(xiàn)為由少變多的特征，因此間接表明凝結(jié)階段，低氣溶膠背景下N和ε間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而高氣溶膠背景下兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。在碰并階段，ε隨高度呈現(xiàn)由小變大的特征，說明碰并增長(zhǎng)使得云滴譜不斷拓寬，云滴尺度的均勻性變差，ε增加，而此時(shí)N隨高度是減小的特征，因此在碰并階段ε與N的相關(guān)性關(guān)系為負(fù)相關(guān)，且隨著Na的增加，負(fù)相關(guān)程度減弱。沉降階段，ε隨時(shí)間增加，而N隨時(shí)間減少，此時(shí)N和ε間為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖11 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點(diǎn)的ε的高度—時(shí)間變化特征

云中云滴半徑隨高度逐漸增加。最大云滴半徑出現(xiàn)在碰并階段，凝結(jié)階段和沉降階段的云滴尺度明顯小于碰并階段的。Na對(duì)云滴平均尺度的貢獻(xiàn)很大，云滴平均尺度基本上隨著Na的增加而減小。同時(shí)Na越大，云中最大云滴平均半徑出現(xiàn)的時(shí)間越晚，數(shù)值也就越小，其中方案1最大半徑為25 μm，方案2中則為13 μm附近，方案3中為10 μm左右(圖12)。

圖12 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點(diǎn)的云滴平均半徑的高度—時(shí)間變化特征

從圖13可以看出，Na會(huì)明顯影響云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差，其中Na較低時(shí)云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差明顯高于Na較高時(shí)產(chǎn)生的云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差，原因是低氣溶膠背景云滴尺度較大，碰并增長(zhǎng)發(fā)動(dòng)較早，云滴譜拓寬明顯，云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差較大，而當(dāng)Na繼續(xù)增加后，云滴尺度變小，云滴間的碰并增長(zhǎng)發(fā)動(dòng)較晚，云滴譜因碰并增長(zhǎng)而實(shí)現(xiàn)的滴譜拓寬變得較弱，因此云滴譜相對(duì)較窄，云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差較小。但就方案2可以看出，碰并階段的云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差強(qiáng)于凝結(jié)階段和沉降階段，說明凝結(jié)階段和沉降階段的云滴譜相對(duì)更窄，其中凝結(jié)階段在云體演變過程中云滴譜最窄。

圖13 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同氣溶膠背景水平中心格點(diǎn)的云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差的高度—時(shí)間變化特征

綜合上述分析將不同方案和不同生長(zhǎng)階段云物理量進(jìn)行了特征統(tǒng)計(jì)得到表3。由表3可以看出，凝結(jié)階段云中最大上升速度隨著Na的增加而增大，原因是水汽凝結(jié)相變釋放潛熱，加熱云內(nèi)空氣，促進(jìn)上升氣流的進(jìn)一步增強(qiáng)；在碰并階段,云中最大上升氣流則隨著Na的增加而緩慢減弱，原因是當(dāng)Na增加時(shí)，形成的云滴尺度較小，在碰并過程中更多的云滴會(huì)在云中下落，會(huì)對(duì)上升氣流起到拖曳作用，因此最大上升氣流會(huì)隨Na的增加而略減弱；在沉降三階段中，最大上升速度隨Na的增加明顯減弱，原因是Na越高，N越大，形成的云滴越小，大量較小尺度的云滴拖曳造成云在后期云中上升速度較弱。同時(shí)從表中還可以看到液態(tài)水含量(LWC)、數(shù)濃度、平均半徑和標(biāo)準(zhǔn)差受Na的影響顯著，其中LWC在凝結(jié)階段隨著Na的增加而略增大，原因是LWC受上升氣流的影響顯著，上升速度越大，云中過飽和度越大，凝結(jié)的水汽量越高，云中N越高、云中液態(tài)水含量越高，但此時(shí)受凝結(jié)增長(zhǎng)的機(jī)制限制，云滴譜越窄(標(biāo)準(zhǔn)差越小)，云滴平均尺度越小；在碰并階段，液態(tài)水含量受Na的影響不大，但仍會(huì)對(duì)N產(chǎn)生明顯的影響，其數(shù)值會(huì)隨著Na的增加而增大，此時(shí)云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差、云滴平均半徑也會(huì)隨著Na的增加而減小。在沉降階段，由于云雨滴下落過程中碰并并脫離云體，云中N相對(duì)其他生長(zhǎng)過程會(huì)大幅度減少，但會(huì)隨Na的增加而增多。LWC、云滴平均半徑以及標(biāo)準(zhǔn)差也存在隨Na的增加而減小的特征。但云滴譜ε隨Na的變化特征并不是很明顯，其還會(huì)受到其他因素的影響，比如云中垂直氣流不同的特征、不同生長(zhǎng)階段維持的時(shí)間等都有可能對(duì)云滴譜ε產(chǎn)生影響。

表3 不同氣溶膠背景下不同生長(zhǎng)階段云物理量統(tǒng)計(jì)特征

Na影響云滴譜的分布特征明顯，從圖14可以看出，低氣溶膠背景下云滴譜更寬，比如碰并階段的最大云滴半徑可以達(dá)到20 μm，而方案2和方案3分別為16 μm和15 μm，說明高氣溶膠背景云滴碰并增長(zhǎng)偏弱，云滴譜拓寬不明顯。凝結(jié)階段受Na的影響特征與碰并階段類似。同時(shí)從同一個(gè)方案不同生長(zhǎng)階段的云滴譜進(jìn)行對(duì)比也能發(fā)現(xiàn)，受凝結(jié)增長(zhǎng)機(jī)制的控制，該階段云滴譜較窄，隨著碰并的發(fā)生，云滴譜拓寬，因此碰并階段的云滴譜明顯寬于凝結(jié)階段，這與張晉廣等[30]的觀測(cè)分析結(jié)果一致。沉降階段由于云體下沉蒸發(fā)作用，云滴變小，N變少，特別是小尺度云滴變少特別明顯，滴譜相對(duì)碰并階段反而有一定的拓寬，該拓寬是通過減少小尺度云滴來實(shí)現(xiàn)的。

圖14 方案1(a)、方案2(b)、方案3(c)不同方案各階段云滴譜變化特征

3 結(jié)論

(1)Na越低，云滴尺度越大，碰并增長(zhǎng)發(fā)動(dòng)越早，云滴譜拓寬更明顯，云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差越大，云體發(fā)展越迅速，降水發(fā)生更早，云體生命周期越短； 而Na越高，云滴尺度也越小，碰并增長(zhǎng)發(fā)動(dòng)越晚，云滴譜拓寬變得越弱，云滴譜相對(duì)較窄，云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差較小，云體發(fā)展更緩慢，形成降水的時(shí)刻也更晚，云體生命周期也越長(zhǎng)。

(2)在暖云的生長(zhǎng)演變不同階段中由于受不同機(jī)制影響，碰并階段云滴譜較凝結(jié)階段更寬，沉降階段由于云體下沉蒸發(fā)作用導(dǎo)致小尺度云滴減少進(jìn)而導(dǎo)致云滴譜較碰并階段略有拓寬。在凝結(jié)階段，低Na時(shí)ε-N呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而高Na時(shí)ε-N兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系；在碰并階段ε-N關(guān)系為負(fù)相關(guān)，且隨著Na增大，負(fù)相關(guān)程度減弱；在沉降階段，ε-N則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。