气溶胶影响暖云滴谱分布的离散效应在全球气候模式中的数值模拟研究

Increase of atmospheric aerosol leads to a broadening of warm cloud droplet size distribution, which is the dispersion effect. In recent years, several numerical parameterization schemes have been developed on it. This project collects empirical, semi-empirical and analytical schemes and implements them into the global climate model in Center of Earth System Science of Tsinghua University. We first modify the aerosol activation process and auto-conversion process for clouds to form rain by including the influence of dispersion parameter. The model simulation of cloud microphysical processes using different schemes are evaluated with multiple satellite observational datasets, by comparing key microphysical diagnostic quantities such as cloud water content, cloud droplet number concentration, cloud droplet size and precipitation. This study aims to one or a few dispersion parameterization scheme with reasonable simulated results in comparison with observed data. Secondly, we analyze the impact of dispersion parameter on the calculation of cloud radiative properties and large scale precipitation. We design groups of model experiments to study the performance of different parameterization schemes in simulation of climate effect. Analysis on model results will quantify the mitigation on the first and second indirect aerosol effects by the dispersion effect, and help to reduce the uncertainty of model estimated aerosol-climate effect.

大气中气溶胶增多导致暖云滴谱宽度改变的离散效应，在近几年发展出多种数值参数化方案，本项目拟综合经验、半经验公式及近似解析模型等六个离散度参数化方案，在清华大学地学中心的全球气候模式中运行。首先改进模式中离散度参数对云滴核化过程和云滴向雨滴自动转化过程的影响，测试不同参数化方案对云微物理过程及关键参量的模拟情况。结合多套卫星观测资料，在全球尺度下对主要的云微物理诊断量进行评估，筛选出综合模拟效果较优，适合气候模式采用的离散度参数化方案。其次分析离散度参数对云的辐射特性计算以及对大尺度降水计算的影响，通过多组对比实验模拟气溶胶的气候效应，量化离散效应对气溶胶第一和第二间接效应的抵消程度，从而更准确地估算气溶胶通过云微物理影响气候的间接效应。

本研究聚焦于气候模式CAM5的云微物理方案中云滴谱离散度参数的不同诊断方法，主要评估不同离散度参数化方案对云微物理量、辐射与降水的影响，并量化估算离散效应对气溶胶第一、第二间接效应的影响。当前对云滴谱离散度参数化的研究，多针对经验性拟合的方案，而本研究对经验性、半经验性以及解析求解的离散度参数化方案进行了全面评估。根据模拟结果与观测的综合比较，我们发现Liu et al.(2008)的半经验性方案在南北半球中纬度增加了云水路径，与观测符合得更好，同时对中纬度短波云辐射强迫的改进也较为明显。因此认为该方案可以较合理地描述云滴谱离散度随云滴数浓度和云水含量的变化关系，是推荐在气候模式中使用的方案。另外，我们还量化地分析了离散效应对气溶胶间接效应的影响。最终得到离散效应对气溶胶第一间接效应的抵消约为7%-9%，对气溶胶第二间接效应的抵消约为4%-7%。对气溶胶总间接效应的抵消约为7%-10%。加入前面筛选出的Liu et al.(2008)的离散度方案和Xie et al.(2013)的自动转化方案后，我们得到CAM5对气溶胶影响短波的间接效应最终估算值为-0.182W/m2。本研究通过与观测数据的客观比较和评估，筛选出了整体模拟效果较优，且适合气候模式采用的云滴谱离散度参数化方案，并详细分析了不同离散度参数化方案影响云微物理量、辐射和降水的机理，为日后的相关模式研究和发展工作提供了具体的参考。另外，本研究还综合分析了多组气候实验结果，量化得到了离散效应对气溶胶第一和第二间接效应的抵消作用，获得了较为可靠的间接效应估算值，为减少气溶胶-气候效应模拟的不确定性提供了一定参考依据。