مطالعه موردی تأثیر هواویزها بر ویژگی‌های ابر و بارش در شرایط رطوبت نسبی متفاوت

نوع مقاله : مقاله تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد هواشناسی، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشیار موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

چگونگی تأثیر هواویزها بر خردفیزیک ابر و بارش با استفاده از طرح‌واره دومؤلفه‌ای خردفیزیک ابر تامپسون در مدل WRF برای یک سامانه همرفتی در آوریل ۲۰۱۹ در شمال ایران بررسی شده است. داده‌های مربوط به هواویزها از مدل جهانیGOCART  استخراج و سه آزمایش عددی انجام شده است. در اجرای کنترلی، از غلظت هواویزهای استخراج‌شده بی هیچ تغییری در مدل WRF استفاده شده است. در اجرای آلوده، تعداد هواویزهای آب‌دوست در نقاط شبکه‌ای که هواویز وجود دارد، پنج برابر افزایش یافته است. در آزمایش آلوده- مرطوب، تعداد هواویزها مشابه آزمایش آلوده است، ولی در نقاطی از شبکه که رطوبت نسبی بین 0 تا 90 درصد است، این تعداد به میزان 10 درصد افزایش یافته و در نقاطی از شبکه که رطوبت نسبی آن بین 90 تا 100 درصد است، به 100 درصد رسیده است. بیشترین مقادیر بلور یخ در آزمایش آلوده- مرطوب شبیه‌سازی شد. با افزایش رطوبت نسبی و تعداد هواویزها، هسته‌زایی بیشتر قطرک‌های ابر صورت می‌گیرد و درنتیجه، گرمای نهان میعان بیشتری آزاد می‌شود که موجب افزایش رشد قائم ابر و افزایش هسته‌زایی یخ و بنابراین تولید بیشتر بلورهای یخ می‌شود. ارتفاع پایه ابر با افزایش تعداد هواویزهای آب‌دوست افزایش می‌یابد، اما ارتفاع پایه ابر در شبیه‌سازی آلوده- مرطوب نسبت به دو شبیه‌سازی دیگر پایین‌تر است که دلیل آن، میعان بیشتر بخار آب روی ذرات هواویز و آزاد شدن گرمای نهان و در نتیجه، تقویت همرفت است. در آزمایش آلوده نسبت به اجرای کنترلی، بارش تجمعی میانگین‌گیری‌شده در کل حوزه شبیه-سازی کاهش می‌یابد که به‌دلیل کاهش اندازه قطرک‌های ابر و برخوردهای غیرمؤثر آنها است که تعویق شروع بارش گرم را درپی‌دارد. در آزمایش آلوده- مرطوب، افزایش بارش تجمعی رخ می‌دهد؛ زیرا در جوّ مرطوب بخار آب به اندازه کافی برای میعان روی ذرات هواویز وجود دارد و موجب تشکیل قطرک‌های بزرگ‌تر ابر می‌شود؛ بنابراین برخوردهای مؤثر قطرک‌های ابر موجب افزایش بارش می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A case study of the impact of aerosols on properties of clouds and precipitation under different relative humidity

نویسندگان [English]

  • Atena Mostafavi 1
  • omid Alizadeh 2
  • Samaneh Sabetghadam 2
1 M.Sc. Graduate, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

Aerosols can act as cloud condensation nuclei in inhomogeneous nucleation. Thus, changes in the concentration of aerosols can affect cloud microphysics and precipitation by changing the number and concentration of cloud droplets. Using the two-moment Thompson cloud microphysics for two nested domains in the weather and research forecasting (WRF) model, the impacts of aerosols on cloud microphysics and precipitation are investigated for a convective system in northern Iran on 17-23 April 2019, in which the first 24 hours are considered as spin-up of the model. Aerosols are obtained from the Goddard chemistry aerosol radiation and transport (GOCART) model and used in the WRF model. Mass mixing ratios are of sulfate, dust, black carbon, organic carbon, and sea salt, although black carbon is ignored in the cloud condensation nuclei activation. Dust aerosols larger than 0.5 μm in diameter are accumulated into the ice-nucleating mode, while all other aerosol types mentioned above are combined into the cloud-droplet-nucleating mode. Three numerical experiments have been conducted. In the control experiment, the extracted aerosols from the GOCART model are used in the WRF model. In the polluted experiment, the number of hygroscopic aerosols in all model grid points that contain aerosols is increased by a factor of five. The third experiment is similar to the second experiment in terms of the number of hygroscopic aerosols. However, relative humidity is increased by 10 percent in all grid points with relative humidity between 0 and 90 percent. It is changed to 100 percent in all grid points with relative humidity higher than 90 percent. This experiment is referred to as the polluted-humid experiment. The maximum number of ice crystals is found in the polluted-humid experiment. The increase of relative humidity in the polluted-humid experiment also leads to the formation of more cloud droplets, and thus more release of latent heat of condensation, which results in higher cloud tops and the formation of more ice crystals. The lifted condensation level (LCL) is also shifted to lower heights in the polluted-humid experiment. In the polluted experiment, the accumulated precipitation in the innermost domain is decreased, which can be due to a decrease in the size of cloud droplets, associated with which is less collision of cloud droplets, which results in a delay in warm precipitation. Nevertheless, higher relative humidity in the polluted-humid experiment and associated larger cloud droplets are accompanied by higher accumulated precipitation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • aerosol
  • Precipitation
  • Cloud microphysics
  • WRF Model
زارعی، ف.، قرایلو، م.، علیزاده چوبری، ا.، 1396، تأثیر هواویزها بر بارش در شرایط رطوبت­های نسبی متفاوت: مطالعه موردی: مجله ژئوفیزیک ایران، 11(2)، 135-155.
 
علیزاده چوبری، ا.، 1396، مطالعه عددی اثر غیرمستقیم هواویزها بر تابش طول موج کوتاه و بلند: مطالعۀ موردی: فیزیک زمین و فضا، 43(2)، 441-450.
 
 
 
Albrecht, B. A., 1989, Aerosols, cloud microphysics, and fractional cloudiness: Science, 245(4923), 1227-1230.
Alizadeh‐Choobari, O., 2018, Impact of aerosol number concentration on precipitation under different precipitation rates: Meteorological Applications, 25(4), 596-605. doi:10.1002/met.1724
Alizadeh-Choobari, O., and Gharaylou, M., 2017, Aerosol impacts on radiative and microphysical properties of clouds and precipitation formation: Atmospheric Research, 185, 53-64. doi:10.1016/j.atmosres.2016.10.021
Alizadeh Choobari, O., Zawar-Reza, P., and Sturman, A., 2013a, Low level jet intensification by mineral dust aerosols: Annales Geophysicae, 31(4), 625-632. doi:10.5194/angeo-31-625-2013
Alizadeh Choobari, O., Zawar-Reza, P., and Sturman, A., 2013b, Simulation of the spatial distribution of mineral dust and its direct radiative forcing over Australia: Tellus B, 65, 19856. doi:10.3402/tellusb.v65i0.19856
Alizadeh-Choobari, O., Zawar-Reza, P., and Sturman, A., 2014, The global distribution of mineral dust and its impacts on the climate system: A review: Atmospheric Research, 138, 152-165. doi:10.1016/j.atmosres.2013.11.007
Alizadeh-Choobari, O., Zawar-Reza, P., and Sturman, A., 2015, Global distribution of mineral dust and its impact on radiative fluxes as simulated by WRF-Chem: Meteorology and Atmospheric Physics, 127, 635-648. doi:10.1007/s00703-015-0390-4
Andreae, M. O., Rosenfeld, D., Artaxo, P., Costa, A. A., Frank, G. P., Longo, K. M., and Silva-Dias, M. D., 2004, Smoking rain clouds over the Amazon: Science, 303, 1337-1342.
Berg, W., L'Ecuyer, T., and van den Heever, S., 2008, Evidence for the impact of aerosols on the onset and microphysical properties of rainfall from a combination of satellite observations and cloud‐resolving model simulations: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 113, D14S23.
Colarco, P., da Silva, A., Chin, M., and Diehl, T., 2010, Online simulations of global aerosol distributions in the NASA GEOS‐4 model and comparisons to satellite and ground‐based aerosol optical depth: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 115, D14207.
Fan, J., Leung, L. R., Rosenfeld, D., Chen, Q., Li, Z., Zhang, J., and Yan, H., 2013, Microphysical effects determine macrophysical response for aerosol impacts on deep convective clouds: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110, E4581–E4590.
Fan, J., Zhang, R., Li, G., and Tao, W. K., 2007, Effects of aerosols and relative humidity on cumulus clouds: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 112(D14204).
Ginoux, P., Chin, M., Tegen, I., Prospero, J. M., Holben, B., Dubovik, O., and Lin, S. J., 2001, Sources and distributions of dust aerosols simulated with the GOCART model: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 106, 20255-20273.
Hobbs, P. V., 1993, Aerosol-cloud interactions: International Geophysics, 54, 33-73, Academic Press.
Hong, S. Y., Noh, Y., and Dudhia, J., 2006, A new vertical diffusion package with an explicit treatment of entrainment processes: Monthly Weather Review, 134, 2318-2341.
Jiménez, P. A., Dudhia, J., González-Rouco, J. F., Navarro, J., Montávez, J. P., and García-Bustamante, E., 2012, A revised scheme for the WRF surface layer formulation: Monthly Weather Review, 140, 898-918.
Jin, Q., Wei, J., and Yang, Z. L., 2014, Positive response of Indian summer rainfall to Middle East dust: Geophysical Research Letters, 41, 4068-4074.
Kain, J. S., 2004, The Kain–Fritsch convective parameterization: an update: Journal of Applied Meteorology, 43(1), 170-181.
Kaufman, Y. J., and Koren, I., 2006, Smoke and pollution aerosol effects on cloud cover: Science, 313(5787), 655-658.
Khain, A. P., 2009, Notes on state-of-the-art investigations of aerosol effects on precipitation: a critical review: Environmental Research Letters, 4, 015004.
Khain, A. P., and Pokrovsky, A., 2004, Effects of atmospheric aerosols on deep convective clouds as seen from simulations using a spectral microphysics mixed-phase cumulus cloud model, Part II: Sensitivity study: Journal of the Atmospheric Sciences, 61, 2983–3001.
Khain, A., Rosenfeld, D., and Pokrovsky, A., 2005, Aerosol impact on the dynamics and microphysics of deep convective clouds: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 131, 2639-2663.
Köhler, H., 1936, The nucleus in and the growth of hygroscopic droplets: Transactions of the Faraday Society, 32, 1152-1161.
Koren, I., Kaufman, Y. J., Rosenfeld, D., Remer, L. A., and Rudich, Y., 2005, Aerosol invigoration and restructuring of Atlantic convective clouds: Geophysical Research Letters, 32, L14828
Lee, S. S., Donner, L. J., Phillips, V. T., and Ming, Y., 2008, The dependence of aerosol effects on clouds and precipitation on cloud‐system organization, shear and stability: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 113(D16202).
Li, J., Jian, B., Huang, J., Hu, Y., Zhao, C., Kawamoto, K., Liao, S., and Wu, M., 2018, Long-term variation of cloud droplet number concentrations from space-based Lidar: Remote Sensing of Environment, 213, 144-161.
Mlawer, E. J., Taubman, S. J., Brown, P. D., Iacono, M. J., and Clough, S. A., 1997, Radiative transfer for inhomogeneous atmospheres: RRTM, a validated correlated‐k model for the longwave: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 102, 16663-16682.
Ramanathan, V. C. P. J., Crutzen, P. J., Kiehl, J. T., and Rosenfeld, D., 2001, Aerosols, climate, and the hydrological cycle: Science, 294(5549), 2119-2124.
Rosenfeld, D., 2000, Suppression of rain and snow by urban and industrial air pollution: Science, 287, 1793–1796.
Tao, W. K., Li, X., Khain, A., Matsui, T., Lang, S., and Simpson, J., 2007, Role of atmospheric aerosol concentration on deep convective precipitation: Cloud‐resolving model simulations: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 112, D24S18.
Thompson, G., and Eidhammer, T., 2014, A study of aerosol impacts on clouds and precipitation development in a large winter cyclone: Journal of the Atmospheric Sciences, 71, 3636-3658.
Twomey, S., 1977, The influence of pollution on the shortwave albedo of clouds: Journal of the Atmospheric Sciences, 34, 1149-1152.
Wang, M. X., Zhang, R. J., and Pu, Y. F., 2001, Recent research on aerosol in China: Advances in Atmospheric Sciences, 18(4), 576–586.
Williams, E., Rosenfeld, D., Madden, N., Gerlach, J., Gears, N., Atkinson, L., ... , and Avelino, E., 2002, Contrasting convective regimes over the Amazon: Implications for cloud electrification: Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 107, 8082.