双参数层云微物理方案在气候模式中的应用及气溶胶间接效应的初步研究

Aerosol particles acting as cloud condensation or ice nuclei can change cloud microphysical and radiative properties and cloud lifetime, and hence indirectly affect the radiation balance of the earth-atmosphere system. Aerosol indirect effect on climate is among the greatest uncertainties in the study of climate change, and it has a great significance for the research of global or regional climate change. At present, the one-moment stratiform cloud microphysics scheme that only predicts the mass mixing ratio of cloud droplets and cloud ice is employed in most of general circulation models (GCMs), which undoubtedly leads to many uncertainties for the study of aerosol indirect effect. Therefore, a physically based two-moment stratiform cloud microphysics scheme is applied into an interactive system coupling climate model and aerosol model in this project. Then, we combine the aerosol mass concentrations online simulated by the coupled model with the aerosol activation parameterization in cloud microphysics scheme and realize the activation from aerosols to cloud droplets to constitute a climate model including aerosol-cloud interaction, which can predict the mass mixing ratio and number concentration of cloud droplets and cloud ice simultaneously. Finally, we preliminary estimate the aerosol indirect effect on climate by using the model.

气溶胶颗粒能够作为云凝结核或冰核改变云的微物理和辐射性质以及云的寿命，间接影响地气系统能量平衡。气溶胶间接气候效应是当前气候变化研究中最大的不确定性因素，它对于全球或区域气候变化的研究都具有重要意义。目前，大部分气候模式均采用单参数的云微物理方案，仅将云滴和云冰的质量浓度作为预报变量，这无疑给气溶胶间接效应的研究带来了很多的不确定性。本项目在一套气溶胶?气候在线耦合模式的基础上，加入一个以物理为基础的双参数层云微物理方案，并将耦合模式在线模拟的气溶胶质量浓度与云微物理方案中的气溶胶活化方案对接，实现气溶胶到云滴的活化，从而建立一套包含了气溶胶?云相互作用过程的气候模式系统，该系统能同时预报云滴和云冰的质量浓度和数浓度。然后，利用该模式开展数值试验，初步评估气溶胶的间接效应对气候的影响。

气溶胶颗粒能够作为云凝结核或冰核改变云的微物理和辐射性质，间接影响气候。气溶胶的间接气候效应是当今气候变化研究中最大的不确定性因素。目前，大部分气候模式均采用单参数的云微物理方案，即仅将云滴和云冰的质量浓度作为预报变量，且缺乏以物理为基础的气溶胶-云相互作用过程的描述，这无疑给气溶胶间接效应的研究带来了很大的不确定性。.本项目在一个自主发展的包含了气溶胶-辐射相互作用过程的气溶胶-气候在线耦合模式的基础上，加入了一套双参数云微物理方案（云滴和云冰的质量和数浓度均作为预报变量）和以Köhler理论为基础的气溶胶活化过程，改进了模式对气溶胶-云相互作用过程的描述，研制了目前国内唯一自主发展的包含了气溶胶-云-辐射相互作用过程的气溶胶-气候在线耦合模式。结合观测数据，我们全面评估了新模式的模拟性能。新模式能更加合理地模拟出气溶胶浓度和光学性质、云水含量、云辐射、降水和云的微物理性质。.然后，利用自主研制的气溶胶-气候在线耦合模式，我们进行了以下几个方面的研究：.（1）结合工业革命前和现在的气溶胶排放数据，定量评估了人为气溶胶的间接辐射强迫及其对气候的影响。结果表明，自工业革命以来人为气溶胶的光学厚度的全球年平均值增加了0.04。人为气溶胶的增加造成全球年平均液态水含量增加了6.4 g m-2，云滴数浓度增加了0.8 × 1010 m-2，总云量增加了0.06%。人为气溶胶的增加造成的大气顶间接辐射强迫的全球年平均值为-1.9 W m-2。.（2）研究了黑碳与云滴相互作用对云滴光学性质、辐射和气候系统的影响。结果表明，黑碳与云滴混合能明显增强云滴对太阳辐射的吸收，在大气顶产生正的辐射强迫。黑碳这种效应对温度、环流和降水都存在明显的影响。该工作很好地弥补了以往气候模式中对气溶胶-云相互作用过程考虑的不足，也是国际上这方面为数不多的研究结果之一。.（3）结合未来排放情景数据，研究了气溶胶综合减排对气候系统的影响。结果表明，考虑到气溶胶的同源性，气溶胶的综合减排会导致气溶胶的直接和间接冷却效应均减弱，最终会对地气系统起到不被预期的增暖作用。该工作可为将来综合制定污染物减排和减缓气候变暖政策起到一定的科学支撑作用。