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近年平流层气溶胶模式研究综述

来源:尚车旅游网
第4O卷第3期 2012年6月 气象科技 Vo1.40。No.3 METEOROLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Jun.2012 近年平流层气溶胶模式研究综述 张峰 刘煜 李维亮 (中国气象科学研究院,北京100081) 摘要 平流层气溶胶在全球大气的辐射与化学平衡中起着重要作用,对全球气候变化有着重要的影响。数值模拟 研究是研究平流层气溶胶浓度、粒径分布及其化学组成的重要手段之一。回顾了平流层气溶胶模式的发展历程, 并对现今研究中较有代表性的5种模式进行了比较,着重考察了模拟结果在OCS、SO 分布情况等方面与实测数 据的相符程度。结果发现5种模式均可再现平流层气溶胶和它的主要前体气体分布的大部分特征,但同时也都存 在各自的局限。最后展望了平流层气溶胶模式未来的发展方向以及需要改进的问题。 关键词 平流层气溶胶 模式模拟sOz 0Cs 引言 室数据和模拟研究_1 “ 都表明,发生在硫酸盐气溶 胶上的异质核化可以严重影响平流层下层的化学组 成,并导致臭氧浓度的逐年降低c1 ]。在中纬度地 区平流层下层,通过一些重要的化学反应_1 ,平流 大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液 体微粒共同组成的多相体系,其粒子直径的量级多 在1 nm ̄10 1"I1之间。按照分布高度的不同,气溶 胶分为对流层气溶胶和平流层气溶胶。对流层气溶 层气溶胶为多种其他化学物质的反应提供了便利的 条件,促进了液态硫酸气溶胶表面CIO等的活化, 胶的组成成分复杂,人们从很早便开始对其进行研 究;而平流层气溶胶的成分主要是硫酸盐[1],人们对 它的关注开始于2O世纪60年代l_2。。]。长期以来,对 气溶胶的研究主要集中在对对流层气溶胶的观测和 分析,但是众多事实表明,平流层气溶胶对全球气候 变化有着重要影响。平流层气溶胶在全球大气的辐 射与化学平衡中起着重要作用。平流层气溶胶可以 使得非均相化学反应增强。C10 和BrO 的浓度增 加,NO 的浓度降低,最终致使臭氧的损耗增加。 在极地地区’,平流层气溶胶促进了平流层云的发展 过程,使活性氯增加,加剧了臭氧洞的形成_2 。关 于平流层气溶胶对臭氧浓度的影响,观测数据表明 1991年Pinatubo火山爆发之后平流层臭氧的浓度 降低了大约1 ~2 。另外,平流层气溶胶的分布 还可以用来研究各种平流层大气环流的变化情况, 例如Brewer—Dobson环流的季节变化l2l_以及与 QBO相关的经向环流的变化情况_2。 等。 近年来的观测和模拟研究表明,平流层气溶胶 的主要来源有3个:在大的火山喷发之后,火山喷发 物质成为平流层气溶胶的最主要来源 卜 ;在没有 火山喷发的背景时期,通过赤道地区上升气流从对 散射太阳辐射,从而对气候具有冷却效应_4 ]。虽 然在背景时期,平流层气溶胶对气候的影响不是特 别显著。但是,在大的火山喷发之后,其光学厚度可 达到0.1,从而足以对全球气候产生可观测到的影 响。在大的火山喷发之后2~3年内,由于平流层气 溶胶的浓度突然增大,对太阳辐射的散射作用大大 增强,可以观测到显著的平流层温度升高和对流层 温度下降_7 ]。例如1991年的Pinatubo火山喷发 之后平流层气溶胶的浓度增加了一个数量级以上, 流层进入的含硫气体是形成平流层气溶胶的重要来 源[25-36 ;也有研究者指出,人类活动大量排放的SO 喷发产生了大约一3 W/m 的辐射强迫,使对流层 温度降低了大约0.5℃。同时,平流层气溶胶还通 过非均相化学过程影响着臭氧层[9 。大量的实验 和0CS以及飞机尾气等也是影响平流层本底气溶 胶浓度的来源l_3 。 平流层气溶胶研究除了需要大量的观测试验 国家重点基础研究计划(973计划)项目(2010CB428605)和国家自然科学基金项目(40675076)资助 作者简介:张峰,男,1986年生,硕士,主要从事大气化学数值模拟研究,Email:zhangfeng0711@gmail.COrn 收稿日期:2010年12月22日;定稿日期:2011年7月29日 第3期 张峰等:近年平流层气溶胶模式研究综述 457 外,数值模拟也是进一步了解平流层气溶胶浓度、粒 径分布及其化学组成的重要手段。它不仅为检验我 们关于平流层气溶胶过程的理论提供了一种重要途 径,并且可以帮助人们更好地理解观测结果。在建 立气溶胶模式的过程中,需要考虑各种复杂的化学 和微物理过程。平流层气溶胶的化学过程主要分为 3类:在平流层气溶胶气态前体物中发生的气相化 学反应,在液滴中发生的化学反应和在气体与颗粒 物交界面上发生的化学反应。气态前体物的均相化 学反应,主要是含硫气体的光化学过程和氧化过程。 S、SOz、OCS、CSz、H S和HS等气态前体物的光化 学反应和与O、O 、O。以及含氯物质的化学反应,这 一阶段的主要反应产物是SO 、SO。等。在液滴中 的化学反应主要是SO。氧化生成硫酸和硫酸盐的 反应。在粒子表面发生的化学反应则比较复杂,其 反应速率受很多因素的影响。 目前的研究认为,平流层气溶胶的微物理过程 主要包括核化(nucleation)、凝结增长(condensation growth)、碰并(coagulation)、蒸发(evaporation)和 重力沉降(sedimentation)等。气溶胶粒子在热带对 流层顶或者平流层底部形成之后,通过上升运动被 抬升到更高的高度,经过一系列微物理过程之后,在 中高纬度地区被清除出平流层大气。传统的核化理 论假定一个凝结核胚的热力学平衡,而凝结过程主 要是气态分子间的聚合与分离过程。在平流层中有 很多种类的核化过程,包括均质核化、异质核化、自 由基凝聚、离子核化等,这些核化过程也是模式模拟 研究的重点问题。另外平流层气溶胶的移除过程也 是目前研究的重点,不管是火山气溶胶还是背景时 期的平流层本底气溶胶,它们从平流层中被移除的 方式都几近相同 。在火山爆发之后,平流层气溶 胶经过扩散增长、混合、碰并、重力沉降等作用,使它 的粒径分布发生变化,最后气溶胶粒径不断增大,并 由于重力沉降和对流交换等作用下沉到对流层中 去。但也有人认为,重力沉降主要是对平流层中上 层的大粒子起作用,对全球平流层的影响主要是造 成平流层中上层和下层气溶胶粒子重新分布,使中 上层大粒子下降到下层,进而进入对流层,所以重力 沉降过程在维持自然界本底气溶胶浓度为常数方面 有重要作用,但由于平流层下层气溶胶主要是以小 粒子为主,这些小粒子的沉降速度几乎可以忽略,重 力沉降对于将它们移除平流层的贡献并不是很大, 这些小粒子气溶胶的移除主要是依靠平流层和对流 层的气体交换运动,使平流层的气溶胶通过等熵传 输过程进入到对流层,从而移出平流层[4 。 本文主要从气溶胶模式的发展、目前主要的气 溶胶模式、模式与观测结果的比对、模式在气溶胶研 究中发挥的作用以及模式未来的发展方向等方面对 平流层气溶胶的模拟研究进行了评述。 1 平流层气溶胶模式的发展 对平流层气溶胶的模拟研究大约始于2O世纪 7O年代。Turco等 ]在1979年就提出了一个依赖 于时间的一维模式来模拟研究平流层气溶胶层。在 构造这个模式的过程中,他们合并了一个范围广泛 的基本的物理和化学过程,以避免预先知道模拟结 果或者对模拟结果产生偏见。这个模式模拟的高度 为从地面到58 km高度,将对流层作为平流层气溶 胶及其气态前体物的源,并将对流层作为气溶胶液 滴的汇,但是平流层气溶胶的化学和微物理过程在 这个模式中并没有得到充分的分析,而且这个模式 只能模拟垂直方向上一维的运动情况,并不能模拟 气体与平流层气溶胶粒子的水平传输过程。 虽然Turco的气溶胶模式还比较简单,它却是 后来其他平流层气溶胶模式发展的基础。在这个模 式的基础上,Toon[45 和Zhao[4。 等分别进一步发展 完善和优化了这一模式。Hamilll1 在1982年通过 一个一维模式测试了各种不同核化机制在平流层气 溶胶形成过程中的贡献。早期的平流层气溶胶一维 模式大都在化学和微物理过程的模拟上非常简单, 这使得模拟结果与实际观测数据的差异较大。随着 观测技术的进步和计算机科学的发展,研究者陆续 开发了许多较为复杂的二维模式来模拟平流层气溶 胶。起初的二维模式在模拟平流层气溶胶的微物理 过程时排除了气溶胶的均质核化过程,只研究异质 核化对平流层气溶胶分布的影响。之后Weisen— stein等l4 在l997年发展了同时包含均质核化和异 质核化的平流层气溶胶模式,并进一步考虑对流层 过程对平流层气溶胶分布的影响。从研究目的上来 看,这些二维气溶胶模式一部分关注于人类飞行器 排放的气体和颗粒物对平流层气溶胶产生的影 响_4。 ,一部分则由于1991年Pinatubo火山的爆 发而更加关注火山喷发对平流层气溶胶分布的重要 作用 。 。从模式设计上来看,这些模式或者是 458 气 象 科 技 第40卷 基于气一粒化学平衡的理论,或者侧重于平流层气溶 胶的微物理过程、散射太阳辐射的作用或者化学一动 力学过程,并根据研究目的的不同按照气溶胶粒径 学模式发挥了巨大的作用。模式从侧重于气溶胶的 形成机制和粒径分布变化到与复杂的大气环流模式 相结合,进而研究平流层气溶胶对全球气候变化的 影响。Chin等 。 曾利用一维光化学模式来计算平 的大小发展了气溶胶分档处理的方法来研究气溶胶 粒径分布的变化特征。 这些二维模式在模拟背景时期平流层气溶胶分 布情况时,与观测结果的符合程度较之前的模式有 流层中OCS的损失率和生命周期,并推断OCS并 不是平流层气溶胶的主要来源气体,但是这个模式 只考虑了OCS这一种气体在平流层的收支情况而 了很大提高,但是不同模式的模拟结果之间仍然存 在着一些差异,这主要是由于对流层和平流层之间 忽略了其他气体的作用并且对OCS的计算可能存 在偏差。Zhao等I1 ]也通过将大气环流模式和平流 垂直传输过程的模拟情况不同而造成的_5 。由于 发生在平流层低层的传输过程直接影响着全球平流 层气溶胶的分布情况,为了更好的了解平流层气溶 胶的组成、分布和变化情况,从2O世纪9O年代开始 研究者们陆续开发了更加复杂的三维模式来模拟对 流层和平流层之间气体和气溶胶的传输过程。由于 三维模式的复杂性,它在模拟各种辐射、环流以及全 球气溶胶的化学和微物理过程时,会计算得更加细 致,并得到更加接近实际观测的结果。但是由于发 展时间较短,目前的三维模式尚不够完善,在实际模 拟过程中不能完全模拟全部的化学和微物理过程, 例如Erik[5 使用的ECHAM模式只是模拟了前体 气体的排放、传输、化学转换和气溶胶沉降过程,而 Amram[5 等使用的三维模式模拟了OCS产生 SO 、SO 的氧化过程、H SO 气粒的凝结蒸发平 衡、粒子的冷凝增长和对流层粒子的雨水冲刷移除 过程等。这些三维模式在处理热带对流层顶附近的 中尺度过程时也存在很多问题,全球三维模式在模 拟这一区域的气溶胶过程时由于分辨率的限制,可 能对一些中小尺度的传输特征(例如对流单体、粒子 流出平流层的区域等)无法做出正确的计算,而正是 这些传输特征对对流层气体进入平流层起着重要作 用的。这些三维模式在模拟过程中也存在着一些系 统误差,例如对极地地区平流层低层温度的低估和 对流层上层温度的高估 ,而且由于热带对流层顶 区域的温度、动力过程、化学过程和云过程等具有很 强的纬向非均一性,在模拟过程中设定边界条件时 可能也会造成误差。另外三维模式对全球平流层气 溶胶源的分布可能也存在着错误的设定,而对气溶 胶的汇可能存在着低估或者忽略了一些尚未引起人 们注意的汇_5 。 2 目前主要使用的平流层气溶胶模式 在研究平流层气溶胶的过程中,各种物理和化 层光化学模式相结合的方法,模拟平流层下层不同 时期的化学与动力扰动,发现发生在硫酸盐气溶胶 上的异质核化可以严重影响平流层下层的化学组 成。Yu_4。。使用Advanced Particle Microphysics (APM)模式研究发现,飞机尾气排放的“化学离子 模型”气溶胶是背景时期最主要的凝结核,而其粒径 分布和生命周期随着含硫燃料的减少而降低。另外 还有研究人员曾利用经典核化模型来研究平流层飞 机尾气中发生的均质核化和异质核化过程。 目前研究中使用的平流层气溶胶模式数目较 多,下面列举了5个较有代表性的气溶胶化学和传 输模式:AER(Atmospheric and Environmental Re— search)[-47,523、UPMC(University Pierre et Marie Curie)[ 。 ]、LASP(Laboratory for Atmospheric and Space Physics)[57-58]、MPI(Max—Planck Insti— tut)_5 9_和ULAQ(University L’Aquila)[6o3。虽然 在目前的研究过程中,也还有其他的一些常用的气 溶胶模式,但是这5个模式在对微物理过程和化学 过程的模拟方面基本上代表了现今平流层气溶胶二 维和三维模式的基本状况,它们是现今研究平流层 气溶胶过程的重要手段。其中ULAQ和MPI是三 维模式,而AER、UPMC和LASP是二维模式。在 模式的动力学方面UPMC和LASP都通过交互式 计算得到风场和温度等各种动力学参数,AER模式 则是通过气候分析来获得这些参数的[6 ,而MPI 和ULAQ则是通过另一个气候模式(ECHAM一4 GCM)的模拟输出来获得相应的动力学参数_6 。 这些平流层气溶胶模式和对流层气溶胶模式具 有很大的不同,对流层的气溶胶模式在计算粒子沉 降的过程中一般只考虑粒径大于1“m的大粒子, 而在平流层中更细的颗粒也会对沉降速率产生影 响,沉降速率和粒子半径以及空气密度具有很强的 相关性。在对流层和平流层气溶胶模式中,对粒径 第3期 张峰等:近年平流层气溶胶模式研究综述 459 分布的计算都是一个重要的内容,但是在对全球对 组成的极地平流层云,而其他模式则没有模拟PSC 流层进行模拟时,如果按照详细的粒径分档将会造 的部分。SPARCl6 中曾总结了这5种模式的特点 成巨大的计算量,而且很多情况下对气溶胶粒径分 和相互问的差异,具体的对比结果见表1。 布采用模态的处理方式就可以很好地达到研究目 从表1中可以看出,各个模式模拟的高度范围、 的,所以在对流层气溶胶模拟过程中较少使用详细 水平或者三维分辨率、模拟粒子的粒径范围以及是 的粒径分档方式来进行模拟,同时会更多地考虑气 否考虑H。SO 光解生成的SO 的贡献等方面都存 溶胶粒子总量的分布和变化。相比之下,在平流层 在较大差异,而且不同模式考虑的硫源气体和气溶 中由于涉及的粒径范围较小,计算量也相对较少,上 胶成分等也不尽相同。另外这些气溶胶模式对平流 述5种模式都是采用对粒径大小进行分档的方法来 层气溶胶物理过程的模拟主要是模拟气溶胶的核 研究粒径的分布和变化情况。对流层气溶胶模式模 化、碰并、凝结、蒸发以及传输和沉降等,但是不同模 拟的气溶胶粒子种类很多,包括硫酸、粉尘颗粒、海 式对物理过程的模拟存在细微的差别,如UPMC只 盐粒子、有机气溶胶和黑碳等,而平流层气溶胶模式 模拟了粒子的异质核化过程,AER、LASP和MPI 模拟的主要是硫酸盐气溶胶,在极地地区还会关心 则只模拟了粒子的均质核化过程,而ULAQ则同时 极地平流层云,也有研究指出陨石物质可能在平流 考虑了这两种核化过程。虽然这种核化机制的不同 层气溶胶中发挥一定的作用 ,但是上述平流层 会造成模拟结果的差异,但是由于在模拟过程中选 气溶胶模式中都没有对此做出模拟计算。 择正确的气溶胶核化地区(主要是热带对流层顶和 上述5种平流层气溶胶模式相互之间存在着很 冬季极地上空平流层中部)相对而言更加重要,而且 多的相似点,也存在着各种细微的差异。它们之间 当粒子核化速率增大时碰并过程会降低粒子的数浓 的主要差别是在所用计算方法的不同和处理物理化 度,所以这种对核化机制的不同选择不会对模拟结 学过程的复杂性和严密性方面,比如不同模式对均 果造成太大的影响。除了核化之外,各个模式对气 质核化和异质核化的模拟情况各不相同,而且对参 溶胶的凝结、蒸发、碰并和沉降等过程的模拟基本一 与化学过程的气体和气溶胶种类的模拟情况也存在 致,并都把气溶胶通过重力作用下降到对流层进而 差异,而且在极地地区,UPMC、LASP和ULAQ模 被雨水冲刷移除出大气作为平流层气溶胶主要的 式还考虑了其他的气溶胶组分,例如HNO。和H O 汇。这些过程在三维模式中会随着时间发生相应变 表l 5种不同气溶胶化学传输模式 460 气 象 科 技 第4O卷 化,而在二维模式中则只是被简单的参数化。 3模式模拟与观测的对比 平流层的硫酸盐气溶胶的各种微物理过程。 在对这5种模式进行长期计算并达到平衡状态 之后,将它们模拟的OCS分布情况与ATM0s(At— mosphere Trace Molecule Spectroscopy)试验观测 平流层气溶胶模式的目的在于模拟平流层气溶 胶层的各项特征,从而帮助我们更好地理解硫源气 体的产生和传输机制,以及发生在平流层的化学和 微物理过程。为了更好地评价模式模拟的结果,需 要将模拟结果与实际观测到的数据进行对比。研究 者通过模拟平流层和对流层的硫收支情况,发现通 过对流层上升运动进入平流层的OCS、SO 和含硫 数据l6。 的比较,发现在热带地区OCS的模拟结果 与观测数据非常符合,这主要是因为OCS在对流层 非常稳定,它在对流层顶的浓度几乎是一个常数,这 使得所有模式都可以得到一个可靠的OCS混合比 作为初始边界条件。但是在中高纬度地区不同模式 对OCS的模拟结果开始出现差异,只有UPMC和 AER的结果较好的符合观测结果,这反映出不同模 的气溶胶粒子是平流层气溶胶的主要来源,所以在 将模拟结果与观测数据进行对比的过程中主要考虑 式对传输过程模拟处理的差异。对于SO 气体的 模拟结果,不同模式之间存在着较大的差异,如图1 所示,(a)是在5。N地区5种模式模拟的1985年1 的是OCS、SO 和气溶胶粒子的分布。 由于OCS在对流层是一种惰性气体,具有很长 的生命周期,在模拟过程中作为初始值的OCS的混 月SO 混合比的情况,(b)是在28。N地区5种模式 模拟的1985年4月的SO 混合比与ATMOS观测 结果的比较 。。。可以发现不同模式的模拟结果之 合比可以设定为不随季节和空间变化的常数[6 。 由于目前并没有对流层顶的SO。浓度数据,所以一 般使用IPCC气候评估报告中的三维模式计算的结 果l_6 作为SO。的初始值。在使用三维模式进行模 拟过程中,ULAQ同时模拟了平流层和对流层的气 溶胶粒子,包括硫酸盐、粉尘、有机气溶胶和海盐粒 子等的相互作用,而MPI则只模拟了对流层上层和 间存在较大的偏差,其主要原因是热带地区S0 的 生命周期较短以及不同模式对0H浓度和sO 传 输过程的模拟情况不同。从图1中还能发现35 km 以上SO 浓度随高度迅速上升,研究者认为这主要 归因于上层H SO 光解生成SO [70-71 ̄。 ■ 、、 框 图1 5种模式模拟的5。N地区so。混合比(a)以及28。N地区模拟结果与1985年ATMOS观测结果的比较(b)[71] 除了对前体气体OCS和SO 与观测结果进行 对比之外,研究者们还将平流层气溶胶模拟的消光 系数和光学厚度与sAGE II以及HALOE资料的 观测数据进行比较,发现并不是所有的模拟结果都 有强烈的垂直梯度和季节变化,而模式输入的初始 边界条件则缺少对这种季节变化的考虑。而当模拟 20~25 km以上高度的可见光波段(0.525/am)和 1.02/am的气溶胶消光情况和光学厚度时,5种模 式的模拟结果与观测数据相当接近,但是随着波长 增加,模拟结果之间的差异开始变大,也更加远离观 能与观测数据相吻合。其中在热带地区17~20 km 高度上,5种模拟结果都不能很好地重现那里的气 溶胶消光观测情况,主要是因为此处气溶胶消光具 测数据。总的来看,模式对0.525 m波长的消光 第3期 张峰等:近年平流层气溶胶模式研究综述 461 模拟与SAGE II的观测数据最为接近,这表明模式 在模拟比较大的气溶胶粒子的粒径分布时可能存在 更多问题。产生这种结果的原因尚不清楚,可能原 因为对于平流层中部重力沉降过程的错误参数化以 及模式中对气溶胶粒径的分辨率造成的误差。 此外,研究者通过对1991年Pinatubo火山爆 发之后12年内的平流层气溶胶进行模拟,发现在热 带和中纬度地区模式模拟的火山气溶胶的浓度量级 以及衰减速率都与雷达观测到的气溶胶散射数据具 有很好的一致性,但是在与SAGE II的消光数据进 行比较后发现,模拟结果在不同高度上的模拟情况 与观测结果存在或者高估或者低估的偏差,这可能 主要是由模式差异以及火山爆发初期不同模式对火 山气溶胶垂直分布的设定不同造成的。 通过上面的模拟和比较,可以发现所用的5种 模式可以重现平流层气溶胶和它的主要前体气体 (OCS和SO。)分布的大部分特征,这为我们更好地 了解平流层气溶胶的硫源和发生在那里的化学与微 物理过程提供了一个良好的检验途径。但是这些模 拟也存在很大的局限性,实际上平流层的气溶胶分 布是各种复杂的微物理过程、物理化学过程和传输 过程相互作用的结果,通过与观测数据相比较来检 验我们对其中单个气溶胶过程的理解是非常困难 的,因为通常很难判定是哪些过程导致了模拟结果 之间的差异以及与观测数据之间的偏差。 造成不同气溶胶模式模拟结果差异的原因很 多,对气溶胶粒径区间的划分方式不同,可能会造成 模拟结果的差异,研究表明随着相邻粒径区间体积 比的增大,模拟的气溶胶质量浓度会相应下降。另 外模式模拟的硫源和气溶胶的传输过程的不同会给 模拟结果带来差异,而不同模式使用的核化机制和 核化率的不同、不同模式模拟的主要气溶胶种类不 同以及对流层顶高度上SO 和OCS的浓度不同 等,都会对模拟结果产生不同程度的影响。其中对 传输过程的不同模拟会对模拟结果造成最大的影 响,这在中高纬度地区0CS的模拟过程中得到了很 好的验证。 4 平流层气溶胶模式的最新进展和未来趋势 20世纪9O年代以来平流层气溶胶模式发展非 常迅速,在不断的模拟和对比过程中,发现了很多对 平流层气溶胶模拟过程起着关键作用的因素,并对 它们逐步进行改进。Pan等 在1998年指出对硫 酸粒子粒径的设定是造成模式不可靠性的最大原因 之一,之后的模拟对比发现在模式中设定气溶胶粒 子的粒径尺度l7 要比设定气溶胶粒径分布的形 状 。 能够取得更好的模拟效果。在模拟平流层 总的硫输入方面,不同的模式之间以及它们与观测 结果之间都能符合得很好,而在模拟平流层微物理 过程和气溶胶化学过程的转化速率等方面,不同模 式之间则存在着一定的差异[7 。Rasch等_7们在 2007年利用一个耦合的大气海洋环流模式 AOGCM模拟了平流层气溶胶的收支情况发现,如 果要平衡CO 气体增加造成的全球变暖,需要比预 想中更多的硫注入到平流层中去。Weisenstein 等 使用AER 2 D模式为框架,测试了3种划分 粒径尺度档的微物理模块和划分模态的微物理模 块,发现模拟结果对粒径尺度档的划分数目比较敏 感,而在某些状况下划分4个模态的模拟结果要比 划分3个模态的模拟结果更加符合观测数据。 Kokkola等 利用大气环流模式ECHAM5来模拟 4个不同的微物理模块(M7、SALSA、SAM2和 MAIA)在加入到气候模式之后的表现,发现在背景 条件下所有的模块模拟的气溶胶粒径分布的形状相 当一致,但是随着So。浓度的增加,不同模式模拟 的结果之间的差异逐渐增大,所以正确的设置气溶 胶微物理过程的各项参数(例如核化速率)将很大程 度上提高模拟质量。Hommel等 阳在2010年通过 将气溶胶微物理模块SAM2加入到大气环流模式 ECHAM5中,对平流层气溶胶进行模拟,并与 SAGE II的卫星观测资料进行对比,发现可以得到 与观测数据比较吻合的模拟结果,但是随着气溶胶 浓度的下降,模拟与观测之间的误差也逐渐增大。 虽然气溶胶模式的发展取得了不少的成果,但 目前的平流层气溶胶模式距离成熟和完善还很远。 未来的平流层气溶胶模式应该向着更加完善的方向 发展,逐步解决目前气溶胶模式所存在的各种问题, 其中包括对均质核化、异质核化、凝结、蒸发、碰并以 及其他各项微物理过程的比较全面的模拟,对每一 种微物理过程在平流层所起的作用进行正确的评 估,对平流层影响气溶胶分布的所有前体气体的化 学过程的完整模拟,而且由于热带对流层顶SO 的 浓度对平流层气溶胶层的变化有重要影响,关于这 部分区域的模拟研究将是未来的重点。由于在对流 462 气 象 层上层,气溶胶的主要成分除了硫酸盐之外,还包括 有机气溶胶、煤炭颗粒、粉尘等,而气溶胶中的有机 物质在对流层顶以上1~2 km高度范围内急剧减 少l_8 ,可能是造成观测到的消光垂直分布剧烈变化 的重要原因,所以在未来的化学一传输模式中应该考 虑加入对这些气溶胶成分的模拟计算。在对流层一 平流层传输区域,需要一个能够较好的模拟气溶胶 传输过程和云过程的三维模式。而且由于前体气体 进人平流层的区域选择在模拟过程中的重要性,更 加正确地设置这个区域也是未来模式需要改进的地 方。考虑到热带对流层顶区域的温度、动力学、化学 和云过程等都具有很强的纬向非均一性,所以在未 来的模拟中需要在这一区域设定更加精细的边界条 件,更加真实的反映上述过程在热带对流层顶的分 布和变化。而在极地地区,由于陨石物质对平流层 气溶胶的影响不容忽视,在将来需要将陨石物质的 影响加入到气溶胶模式中。在模式中对气溶胶粒子 设置合适的粒径尺度档数目或者模态数目,更好地 理解维持平流层气溶胶层稳定的各种过程之间的关 联,都将使我们得到更好的模拟结果。另外,重现平 流层气溶胶的季节变化也是现在模式面临的重大挑 战之一。同时,提高对流层上层和平流层底层SO 、 平流层中高层SO 和H S0 以及整个平流层气溶 胶粒径分布的观测精度,将有助于更好地理解平流 层气溶胶并改进现在的气溶胶模式。 由于我国在平流层气溶胶的研究方面起步较 晚,而且主要的研究工作集中在对平流层气溶胶的 观测方面,如王开存 、周任君_8。 等都对平流层气 溶胶的分布、变化及输送特征进行过相关研究,但是 对平流层气溶胶模式的研究基本尚未开展,在这一 领域我们距离国际先进的研究水平还存在一定差 距,在国际上已经建立的各类模式的基础上加强对 平流层气溶胶的模拟研究,是我们需要努力的目标。 5 总结 综上所述,平流层气溶胶模式近20年来取得了 较快的发展,模式的研究经历了从无到有,从早期对 物理和化学过程较为简单的模拟到现在可以模拟二 维或者三维的复杂的物理化学过程,并且在探索平 流层气溶胶的来源和形成机制以及平流层气溶胶粒 径分布的变化等方面发挥了重要作用。通过对现在 国际上主要使用的5个具有代表性的气溶胶模式进 科 技 第4O卷 行模拟和对比发现,它们在模拟热带对流层的OCS 气体时都能很好的与观测结果相符合,但是不同模 式对SO。的模拟结果与观测数据都相差较大。研 究者在模拟20 ̄25 km以上高度的可见光波段(0. 525 m)和1.02 m的气溶胶消光情况和光学厚度 时,5种模式的模拟结果与观测数据相当接近,但是 随着波长增加,模拟结果之间的差异开始变大,也更 加远离观测数据。此外,通过对1991年Pinatubo 火山影响时期的气溶胶进行模拟,发现在热带和中 纬度地区模拟得到的火山气溶胶的浓度量级以及衰 退速率都与雷达散射数据相当符合,但是与SAGE II的卫星消光数据在不同高度上存在着或高或低的 偏差。未来的气溶胶模式应该包括复杂详细的物理 和化学机制,并了解有机气溶胶和陨石物质对平流 层气溶胶浓度的影响。与所有其他模式一样,对平 流层气溶胶模式的评估需要更加详细准确的气溶胶 数据库,通过更加精确的试验观测和研究建立起完 善的气溶胶数据库是必不可少的。 参考文献 E13 Rosen J M.The boiling point of stratospheric aerosols[J].J APPl Met,1971,10:1044—1046. 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Key words:stratospheric aerosol models,simulation,OCS(Carbonyl Sulfide),SO2 

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