浅对流云对污染物的垂直输送机制研究

Previous studies indicate that convective clouds are very important in transporting pollutants vertically: Deep convective clouds can transport pollutants out of the boundary layer and to the upper troposphere; Shallow convective clouds can not only enhance the vertical mixing of pollutants in the boundary layer, but also transport pollutants to the outside of the boundary layer through the cumulus venting or cumulus pumping effect. This project investigates the vertical transport of pollutants by shallow cumulus clouds. The focus is to elucidate the physical and chemical mechanisms of the vertical transport, including the transport of pollutants from the surface upward to the heights above the boundary layer and the transport of pollutants from outside of the boundary layer downward to the inside of the boundary layer by shallow cumulus clouds. This project uses a cloud resolving model (large eddy simulation model coupled with droplet bin microphysical scheme) to study the cloud dynamical structure, the microphysical and chemical processes, the interactions between microphysics and dynamics, and the scavenging of aerosols and soluble trace gases by cloud particles. Results from this study can be used to understand the mechanisms of vertical transport of pollutants by convective clouds. This can help to model and predict pollutant concentrations better in the boundary layer.

很多研究表明，对流云对污染物的垂直输送起着非常重要的作用：深对流云能够将污染物从边界层输送到对流层上部；而浅对流云不仅可以在边界层内部对垂直混合起着重要作用，也可以在边界层顶通过云的抽吸作用（cumulus venting 或cumulus pumping effect），将污染物传输到边界层以上。本项目研究浅对流云对污染物的垂直输送,重点揭示浅对流云垂直输送污染物的物理和化学机制,具体研究浅对流云如何将近地面污染物向上传输到边界层以外，又如何将边界层以上的污染物向下传输到边界层内。本项目采用云分辨模式（大涡模拟模式与包含详细微物理过程及化学过程的云滴分档模式耦合），不仅可以分辨云的动力结构，还可以详细模拟云的微物理过程和化学过程。本项目的结果可以帮助我们进一步理解对流云对污染物的垂直传输机制，从而可以帮助我们更好地模拟及预报边界层内的污染物浓度。

本项目研究对流云对污染物的垂直输送，深入理解对流云对污染物垂直输送的机制。大气污染物通常从地面排放，如果没有有效的垂直输送机制，或者没有平流风场的作用，大气污染物会在地面积累，造成严重的污染。本项目重点研究对流云对大气气溶胶的垂直输送过程，以及大气气溶胶的垂直分布改变后，其辐射加热效应对后续边界层发展，云的发展，和气溶胶的垂直输送有何影响。本项目采用三维云分辨模式，详细模拟云微物理过程-动力过程-辐射过程的相互作用。.本项目研究结果表明，浅对流云能有效地将近地面的污染物输送到边界层上部，也能有效地将边界层顶的污染物输送到边界层下部，但浅对流云无法将边界层内的污染物输送到自由大气。黑碳气溶胶被垂直输送后，能够改变边界层的温度廓线，从而影响浅对流云的后续发展。当黑碳气溶胶在近地面时，其辐射加热效应对浅对流云的发展有促进作用，因此更容易把黑碳气溶胶向上输送。当黑碳气溶胶在边界层顶时，其辐射加热效应使得云蒸发加快，因此并不利于黑碳向下的输送。另外，本项目研究结果发现，深对流云能够有效地将边界层内的黑碳气溶胶输送到自由大气，但是黑碳气溶胶的辐射加热效应并不能显著影响深对流云的发展和降水。最后，本项目还研究了层积云中的湍流及污染物的输送。研究发现边界层以上自由大气的温度和湿度，以及边界层内部大气的温度和湿度，都会显著影响边界层湍流，边界层高度，以及污染物的垂直输送。