冰晶核化方案在大气模式gamil中的使用及敏感性研究

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1、冰晶核化方案在大气模式GAMIL中的使用及敏感性研究史湘军1,2，王斌1，刘小红31中科院大气物理研究所，北京，1000292河北省气候中心，石家庄，0500213PacificNorthwestNationalLaboratory,Richland,Washington99352摘要：冰云（cirrus）的形成和存在可以影响对流层上部的辐射传输以及水汽状况，也是导致全球气候变化的一个重要因素。由于目前对冰云形成的认识还很少，模式中对冰云的模拟存在很大的不确定性，尤其是大尺度气候模式。近几年，NCAR的大气模式CAM、GFDL的大气模式AM、德国马普所的模式ECH

2、AM等模式开始引入了基于物理过程的冰晶参数化方案取代原有的经验公式，改进对冰云的模拟。大气模式GAMIL（GridAtmosphericModelofIAPLASG）也做了这方面的改进，引入两套不同的基于物理过程的参数化方案：Liu和Penne2005年发展的冰晶核化参数化方案（以下简称LP方案）以及Barahona和Nenes2009年给出的参数化方案（简称BN方案）。这两个方案都考虑了气溶胶的微物理化学特征以及同质核化和异质核化的竞争。并且在此基础上，研究冰云中气溶胶间接效应的不确定性。主要结果如下：LP方案计算得出冰核（icenuclei，IN）数浓度远高于

3、BN方案。致使实验LP中同质核化发生概率小于BN方案。因此，实验LP中冰晶数浓度普遍小于BN方案。实验BN的云长波辐射强迫较实验LP高3.2W/m2。实验BN的云短波辐射强迫比实验LP强-1.7W/m2。这说明，冰晶异质核化方案是气溶胶影响云辐射强迫的不确定性的一个主要来源。与Kramer观测数据对比发现：在小于205K的低温地区，LP方案和BN方案计算得出的冰晶数浓度明显高于观测。在温度高于205K的区间，实验LP和实验BN中的冰晶数浓度与观测较为接近。与观测相比，实验LP中的冰晶数浓度在温度高于220K的区间也有随温度升高而增加的趋势。这是因为，在这段区间，冰

4、晶主要来自于异质核化过程。敏感性实验表明:1)由于IN太少，不足以抑制同质核化发生。冰晶主要来源于同质核化；2）硫酸盐气溶胶液滴在205K以下，呈现出类似于玻璃的特性，不再发生同质核化。将这个现象考虑到冰晶参数化方案后，模式模拟的冰晶数浓度在205K温度下明显降低，与Kramer观测资料吻合。3）考虑模式格点已有的冰晶对冰晶核化过程的影响后，同质核化概率大幅降低。在205K以上的温度区间，模式模拟的冰晶数浓度与观测更为接近。以上实验说明，冰晶数浓度主要来自同质核化过程。但是，怎样使用冰晶核化参数化方案可以很大程度上影响同质核化的发生概率，进而影响冰晶数浓度及云的辐

5、射强迫。关键词：冰云、冰晶核化、大气模式、GAMIL1引言：冰云（cirrus）的形成和存在可以影响对流层上部的辐射传输以及水汽状况，是导致全球气候变化的一个重要因素。但是，目前对冰云形成的认识还很少。模式中对冰云的模拟存在很大的不确定性，尤其是大尺度气候模式。冰云中的冰晶粒子是由可溶性气溶胶液滴的同质核化形成或是在不可溶气溶胶粒子帮助下异质核化形成[PruppacherandKlett,1997]。在新生成的冰云中，往往处于过饱和状态（相对于冰），冰晶粒子胚胎形成后，将不断地消耗水汽，凝华增长。在温度很低并且相对湿度很高的条件下，过冷的气溶胶液滴内部会出现体积很

6、小的具有冰晶结构的胚胎。若这种冰晶胚胎的数量达到一定程度，整个气溶胶液滴都将发生冻结，变为冰晶粒子。这就是同质核化过程[Chenetal.,2000]。异质核化过程是在冰核（IN）的帮助下完成的。异质核化过程有多种机制，如凝华、碰触、浸润等。很多气溶胶可以作为IN，如沙尘、黑碳、花粉等[Chenetal.,1998;Cziczoetal.,2004;DeMottetal.,2000;SzyrmerandZawadzki,1997]。由于IN的种类繁多，目前对异质核化的微物理过程的了解还非常少[HeggandBaker,2009]。相对于异质核化，对同质核化已经有了

7、较多的理解。同质核化中的核化率可以通过经典理论或依据实验结果计算出来[DeMottetal.,1998;Koop,2004]。一般来说，对流层上部可溶性气溶胶的数浓度远大于IN的数浓度。因此，在温度很低（<235K）、垂直上升速度较高的区域，同质核化被认为是冰云形成的主要机制[CantrellandHeymsfield,2005;HeymsfieldandSabin,1989;Khvorostyanovetal.,2006;LiuandPenner,2005]。但是，在IN的帮助下，异质核化先于同质核化发生，生成的冰晶凝华增长，消耗水汽，进而抑制同质核化的发生。以

8、致生成的冰