三套冰晶核化参数化方案的对比分析
2017-05-30史湘军朱寿鹏智协飞杜康云刘庆爱王琳玮
史湘军 朱寿鹏 智协飞 杜康云 刘庆爱 王琳玮
摘要 基于大气模式CAM5对比分析了三套基于物理过程发展而来的冰晶核化参数化方案，包括BN方案、KL方案和CAM5自带的LP方案。针对三个方案的离线测试结果表明，由LP和BN方案计算得出的冰晶数浓度随硫酸盐溶液滴的数浓度增加而明显增加，而KL方案对硫酸盐溶液滴的数浓度不敏感；CAM5模拟结果显示，这三套方案得出的云辐射强迫、冰晶数浓度及其概率分布非常相似，基本上都接近观测。但是，使用KL方案得出的全球平均云长波辐射强迫从工业革命前到当代增加0.05 W·m-2，明显低于LP方案的0.36 W·m-2和BN方案的0.33 W·m-2；由此可见，选择哪个冰晶核化参数化方案不会明显影响模式对冰云的模拟性能，但对评估人为产生气溶胶的间接效应可能有显著影响。
关键词 冰晶核化 参数化方案 气候模式 气溶胶间接效应 对比分析
冰云（包含薄冰云）覆盖地球大约30%的面积，对全球辐射收支平衡起重要作用（Wang et al.，1996；Wylie and Menzel，1999；Sassen et al.，2008）。冰云将部分太阳辐射反射回太空，对地表起降温作用；同时也吸收和再放射地表长波辐射，对地表起增温作用（Liou，1986；Rossow and Schiffer，1999；Chenet al.，2000；Corti et al.，2005）。总体来说，增温作用大于降温作用（Gettelman et al.，2012）。冰云的光学性质决定两者差值，即主要取决于冰晶数浓度（Haag and Karcher，2004；Kay et al.，2006；Fusina et al.，2007）。此外，冰云还可以显著影响对流层上部和平流层的水汽状况（Gettelman et al.，2002；Korolev and Isaac，2006；Kraner et al.，2009；Jensen et al.，2013）。若冰云中的冰晶下落到混合层还可能对降水产生影响（王佳等，2010；李杰等，2016）。
近些年，冰云观测分析和模拟研究取得了显著进展（Murray et al.，2010；DeMott et al.，2011；Jensen et al.，2013；Spichtinger and Kraner，2013；Diao et al.，2014；Murphy，2014；Schmitt and Heymsfield，2014；Shi et al.，2015）。冰云中的冰晶粒子由可溶性氣溶胶液滴同质核化形成或在不可溶气溶胶粒子帮助下异质核化形成（Pruppacher and Klett，1997），这种不可溶气溶胶粒子被称为冰核（Ice Nucleation，IN）。沙尘、飞灰和花粉等很多气溶胶颗粒物都能作为IN（DeMott et al.，2003；Cziczo et al.，2004；Hoose and M6hler，2012）。由于IN的种类繁多，目前对异质核化微物理过程的了解仅仅是冰山一角（Karcher et al.，2007；Hegg and Baker，2009；DeMott et al.，2011；Hendricks et al.，2011；Cziczo et al.，2013）。相对于异质核化，当前相关领域对同质核化已经有了较好的理解。同质核化发生时的核化率可以通过经典理论或依据已有的实验数据计算出来（Koop et al.，2000；DeMott et al.，2003；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，同质核化曾经被认为是冰晶粒子数浓度（Ni）的主要贡献者（Heymsfield and Sabin，1989；Cantrell and Heymsfield，2005；Liu and Penner，2005；Khvorostyanov et al.，2006）。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，使过饱和度由上升转为下降，从而抑制同质核化的发生。最终的Ni仅来自异质核化，明显小于同质核化可以生成的Ni（DeMott et al.，1994；Chen et al.，2000；Karcher and Lohmann，2003）。因此，模式中考虑异质和同质核化的竞争可以显著影响冰云中的Ⅳ；以及评估气溶胶间接效应（DeMottet al.，1997；Barahona and Nenes，2009）。近年来，美国大气研究中心（NCAR）的大气模式CAM5、美国航天局（NASA）大气模式GEOS5、德国马普所（MPI）的模式ECHAM5等国际知名的气候模式都引入了能够考虑异质与同质核化竞争的冰晶核化参数化方案（Lohmann et al.，2008；Gettelman et al.，2010；Barahona et al.，2014）。
冰晶核化参数化方案将气溶胶与冰云中的Ni关联起来，是研究气溶胶通过冰云影响气候的重要环节（Wang et al.，2014）。近些年，基于理论公式或云气块模型的模拟结果，发展出一些复杂的可以考虑异质和同质核化之间竞争关系的冰晶核化参数化方案，例如：Liu and Penne（2005）发展的冰晶核化参数化方案（简称LP方案），Barahona and Nenes（2009）给出的参数化方案（简称BN方案）和Karcher et al.（2006）发展的参数化方案（简称KL方案）。以往的研究表明，不同模式模拟的气溶胶间接效应存在较大差异。采用KL方案的ECHAM5模式模拟的从工业革命前（Pre-Industrial times，PT）到当代（Present-Day，PD）云长波辐射强迫的变化为0.05～0.20 W·m-2（Zhang et al.，2013）。与之明显不同，采用LP方案的CAM5模式的模拟结果为0.40～0.52 W·m-2（Ghan et al.，2012）。因此，有必要分析上述差异中有多少是来自冰晶核化参数化方案。为了能在同一模式平台中研究分析不同参数化方案对评估气溶胶间接效应的影响，将BN和KL方案也放入CAM5模式中。本文着重对这三套方案进行离线测试，找出他们之间的异同，然后评估这三套方案在CAM5模式中对冰云的模拟性能，并分析不同参数化方案对评估气溶胶间接效应的影响。
1 CAM模式和三套参数化方案简介
本文使用美国NCAR开发的大气模式第五版本（CAM5，Neale et al.，2012）。CAM5将云划分为两类：对流云和大尺度云。对流云的处理较为简单，不考虑气溶胶对云的影响。大尺度云演化发展缓慢，模式可以细致地对其进行描述。CAM5采用Morrison and Gettelman（2008）发展的双参数云微物理方案（简称MG方案）来描述大尺度云的各种微物理过程。为能够研究气溶胶一云相互作用，MG方案与一个气溶胶模块（MAM，Liu et al.，2012）耦合在一起。默认的MAM对气溶胶粒子的描述采用三个模态：爱根核模态、积聚模态和粗粒子模态。在冰晶核化过程中，粗粒子模态的沙尘气溶胶可以作为异质核化所需的IN，爱根核模态的硫酸盐溶液滴可以在适合的条件下经同质核化形成冰晶。驱动冰晶核化参数化方案所需的上升速度采用诊断得出的次网格扰动速度（Wsub，Bretherton and Park，2009）。若已有冰晶存在，通过调低Wsub来考虑这些冰晶对冰云中继续发生冰晶核化的影响（Shiet al.，2015）。
CAM5采用LP方案计算新生成的冰晶数浓度（Gettelman et al.，2012）。此方案是基于云气块模型的模拟结果发展而来（Liu and Penner，2005）。含有气溶胶粒子的气块在上升过程中体积膨胀，对外做功，温度下降，相对于冰的相对湿度不断上升，气块达到饱和。随着过饱和度（Si）继续上升，达到冰晶异质核化所需的阈值（Sihet）时，冰晶出现。已经生成的冰晶在过饱和环境中凝华增长，消耗水汽，Si增长速率也将变慢。若Si；能够持续上升，并且达到同质核化发生的阈值（Sihom，Sihom，Sihet），同质核化发生，生成大量冰晶，消耗水汽的速度加快，从而Si急剧下降，不再有冰晶生成。若在气块上升的过程中Si没有达到Sihom就開始下降，则同质核化不会发生。上述冰晶生成发展的过程可以用绝热上升的气块模型模拟出来。但是，气块模型计算非常耗时，不便于直接用于气候模式。因此，需要采用参数化方案来简化对冰晶数浓度的计算。在LP方案中，采用数学拟合方法，根据气块模型的实验结果，给出计算冰晶数浓度的经验公式。生成的冰晶数浓度（Ni）是包括气温（T）、气压（P）、上升速度（W）、硫酸盐数浓度（Nso4）和沙尘数浓度（Ndust）等自变量的函数。
3三套冰晶核化参数化方案对冰云的模拟
本节主要评估三套冰晶核化参数化方案在CAM5中对冰云的模拟。首先，通过与观测的Ni数据进行对比，评估模式对冰云的模拟能力。之后，分析由冰晶核化参数化方案造成的模拟结果的差异。在这部分用到的模拟实验中，冰晶核化参数化方案都是使用PD气溶胶读入数据。
图3给出了三套参数化方案模拟的Ni随温度的变化。图中，观测资料采用的是Kramer et al.（2009）中收集的飞机观测资料。需要注意，在观测过程中，冰晶碰到设备将发生破碎，会造成观测的Ⅳ_虚假偏多，尤其是在偏暖的冰云中。图3中，模拟结果的一个显著特征是冰晶数浓度随气温的升高而减少。造成这个特征的主要原因是同质核化的发生概率以及生成冰晶的Ni随温度升高而减少。在温度小于205 K时，模拟的Ni明显高于观测。一种可能原因是，在这种低温条件下，气溶胶液滴呈现出玻璃的特征，少量的气溶胶液滴在还没有达到Sihom时就作为IN发生异质核化了。也就是，冰云形成以异质核化为主，同质核化很难发生（Murray et al.，2010）。若将上述影响简单地考虑到模式中，例如：温度低于205 K时，禁止同质核化发生。那么，模拟的Ⅳ；与观测较为接近（史湘军，2010）。本文为了能够与以往的模式模拟结果进行对比，没有使用这种限制。在温度高于225 K时，模拟的冰晶数浓度明显低于观测。在这种偏暖的冰云中，观测的冰晶数浓度可能出现虚假偏多。当温度范围在205～225 K时，模拟的冰晶数浓度与观测接近。图3中，另一个显著特征是三套方案的模拟结果很接近。
图4给出了冰云中Ni的概率分布。飞机观测数据来自美国的一个冰云外场观测实验（SPARTIC-US，http：∥acrf-campaign.arm.gov/sparticus/）。观测区域位于（97.5°W，36.6°N）附近。这套观测数据排除了冰晶破碎的影响。由图可见，观测的Ni主要分布在5～500 L-1模拟的Ni主要分布在2～200L～，略低于观测数据。不过，模拟结果冰晶浓度37%～39%集中在20～50个/升区间（LP38%，BN37%，KL39%），观测的冰晶浓度31%集中在较低的10～20个/升区间。总体来说，模拟的Ni的概率分布与观测比较接近，三套方案的模拟结果无明显差异。
离线测试结果表明LP方案相对于BN和KL方案更容易出现的异质核化阻止同质核化发生的情况。因此，有必要诊断分析CAM5模式在采用LP方案时冰云形成过程中同质核化发生概率是否低于其他两方案。由图5可见，采用LP方案时同质核化发生概率明显低于BN和KL方案。此外，无论采用哪套方案，多年纬向平均的同质核化发生概率都小于0.1。也就是说，90%以上的冰云生成过程中只出现异质核化。这与飞机观测得出的结论是一致的，冰云形成以异质核化为主（Cziczo，et al.，2013）。从图5还可以看出，南半球同质核化发生概率高于北半球。原因是北半球沙沉气溶胶多，沙尘气溶胶异质核化阻止了同质核化的发生。
图6给出了冰晶数浓度的垂直分布。由于热带对流层顶部气温相对较低和次网格垂直扰动相对剧烈，同质核化发生时能够产生较多的冰晶（Barahona and Nenes，2008）。因此，三套方案模拟得出的冰晶数浓度高值区（大于200 L-1）都是主要分布在热带对流层顶部。不过，采用LP方案时，同质核化发生概率相对偏低（图5），从而导致年平均的冰晶数浓度小于BN和KL方案。图6也给出了异质核化对冰晶数浓度贡献（Nihet/Ni）。由于北半球沙尘多于南半球，沙尘气溶胶多，不仅仅导致异质核化生成的冰晶数浓度多，并且还能抑制同质核化的发生。所以，北半球异质核化对冰晶数浓度的贡献明显高于南半球。需要特别指出，在北半球中高纬以外地区，异质核化对冰晶数浓度贡献小于0.5，在南半球的部分区域，甚至小于0.1。这说明，虽然大多数冰云由异质核化生成，年平均冰晶数浓度却是主要来自同质核化。
冰晶数浓度的变化会影响冰云的光学厚度，进而影响云辐射强迫。图7给出了多年纬圈平均的云长波辐射强迫（Long-Wave Cloud Forcing，LWCF）、短波辐射强迫（Short-Wave Cloud Forcing，SWCF）、气柱冰晶数密度（column ice number concentration，简称CDNUMI）和云冰路徑（Ice Water Path，IWP）。由图可见，CAM模式模拟的云辐射强迫与观测较为接近。三套实验（LP、BN和KL）模拟得出的CDN-UMI和IWP非常接近，没有明显差别。因此，云长波、短波辐射强迫（LWCF、SWCF）也非常接近。LP、BN和KL三套实验（PD）模拟得出的全球平均的CDNUMI分别为150.1、145.1和149.7×106m-2（表1），无明显差异。此外，全球平均的IWP、LWCF、SWCF、大尺度降水（large-scale precipitation，简称PRECL）和对流降水（convective precipitation，简称PRECC）也是比较接近。总体而言，模式采用不同冰晶核化参数化方案（LP、BN和KL）的云辐射强迫和降水非常接近，无显著差异。
4不同冰晶核化参数化方案对评估气溶胶间接效应的影响人数据，计算暖云云滴数浓度时都是依据当代（PD）气溶胶前体物在线计算的气溶胶特征。若在暖云中也使用不同年代（PT、PD）的气溶胶数据，云滴数浓度从PT到PD的显著增加也将对LWCF产生影响，CAM5模式计算得出的LWCF（PD—PT）将增强（0.46 W·m-2LP方案，Shi et al.，2015）。与对LWCF的影响不同，Ni的变化对SWCF的影响更为复杂，可能通过影响局地的降水、辐射等其他因素进而影响SWCF。因此，SWCF的变化（PD—PI）较为复杂，年平均扰动振幅较大，且没有明显的统计特征（图8）。此外，冰晶数浓度的变化可以通过影响大气环流、水汽输送进而对其他地区的云水、云冰造成影响。由图8可见，在60°S附近，云冰路径（IWP）从PI到PD变化十分明显；在30～60°S区间，云水路径（LWP）从PI到PD变化十分明显。
5结论和讨论
本文首先对LP、BN和KL这三套冰晶核化参数化方案进行离线测试，找出他们之间的差异。结果表明，使用KL方案时，多数情况下计算得出的冰晶数浓度（Ni）对硫酸盐溶液滴的数浓度（Nso4）不敏感。但是，使用LP和BN方案计算得出的Ni明显随Nso4的增加而增加（图1）。相对于BN和KL方案，LP方案中抑制同质核化发生的情况更容易出现（图2）。不过，由LP方案中计算得出的Ni多数情况下高于BN和KL方案（图1和图2）。
其次，将BN和KL方案也引入CAM5模式，评估了模式使用这三套方案对冰云的模拟能力。模拟结果显示，采用LP、BN和KL方案得出Ni、Ni的概率分布和云辐射强迫十分相似，并且基本上接近观测（图3、图4和图7）。这表明，模式对平均气候态的模拟似乎不受如何选择冰晶核化参数化方案的影响，也就排除了由于气候平均状态大幅改变进而对评估人为产生气溶胶间接效应的影响。有必要再次指出，BN方案默认最多只能有5%的沙尘能够转化为冰晶凝结核（IN）。在本文的试验中，BN方案去掉了5%这个限制，与LP和KL方案保持一致。若保留这个限制，IN大幅减少，对同质核化的抑制能力减弱。同质核化生成的Ni将明显增多，进而对云辐射强迫造成显著影响（史湘军，2010；Zhang et al.，2013）。由于在离线测试中LP方案更容易出现抑制同质核化发生的情况，本文分析了CAM5模拟的同质核化发生概率。采用LP方案的同质核化发生概率明显低于BN和KL方案（图5），与离散测试结果一致。不过，模式使用LP方案得出的Ni并没有显著地小于BN和KL方案（图3和图6）。一种原因是，在相同条件下，LP方案计算得出的Ni高于其他两套方案（图2）。另一种可能原因是，同质核化发生概率与年平均的Ni之间存在负反馈机制。同质核化发生频繁，冰云中时常存在较高的Ni。受冰云中已存在冰晶的影响，同质核化发生概率将降低。即使同质核化发生，生成的Ni也将降低，年平均的Ni将减小。
最后，分析了不同冰晶核化参数化方案对评估人为产生气溶胶的间接效应的影响。在本文的CAM5数值实验中，使用读入的PD（或PI）气溶胶数据驱动冰晶核化参数化方案，这样就排除了人为产生的气溶胶通过影响暖云进而对气候造成的影响。计算气溶胶光学特征一律采用PD气溶胶读入数据，这样就不存在人为产生气溶胶的直接气候效应。模式模拟结果显示，采用LP和BN方案时得出的全球平均LWCF从工业革命前（PT）到当代（PD）分别增加了0.36和0.33 W·m-2，明显高于KL方案的0.05W·m-2（表1）。因此推断，冰晶核化参数化方案是导致不同模式模拟人为产生气溶胶间接效应存在较大差异（ECHAM5一KL的LWCF从PI到PD上升0.05-0.20 W·m-2，而CAM5-LP的结果为0.40～0.52 W·m-2）的主要因素。相对于冰晶核化参数化方案，能够准确描述上升气块微物理过程的气块模型的实验结果更加可靠。气块模型的试验结果表明，多数情况下，Nihom明显地随Nso4增加而增加（Shi et al.，2014）。也就是说，模式采用KL冰晶核化参数化方案评估气溶胶间接效应时，很可能低估了LWCF从PI到PD的上升幅度。
