Effect of Aerosol on Cloud–Environment Interactions in Trade Cumulus

Seoung-Soo Lee

NOAA/Earth System Research Laboratory/Chemical Sciences Division, and CIRES, University of Colorado, Boulder, Colorado

Abstract

This study examines the role of aerosol in mediating interactions between a warm trade cumulus cloud system and the environment that spawns it. Numerical simulations of the observed and well-studied Rain in Cumulus over the Ocean (RICO) field experiment are performed. The results draw on simulations of 34-h duration so as to avoid conclusions based on transients. Simulations show that, on average, aerosol-perturbed clouds are initially deeper and more vigorous but that after about 14 h there is a reversal in this trend, and unperturbed clouds deepen relative to the perturbed clouds. Differences in cloud depth are about 100 m, and differences in vertical velocity variance are about 30%. After about 20 h, most cloud fields are statistically similar with the exception of rain rate and optical depth, which are lower and higher, respectively, in the high-aerosol conditions. By sampling the model output at various points in the cloud system evolution, the mechanisms responsible for the initial differences and then convergence of most of the cloud field properties are addressed. Sensitivity tests indicate that responses are driven primarily by temperature profiles, rather than by humidity profiles, and that the general trend to homogenization of the bulk cloud field properties is robust for different forcings. Finally, the paper shows that even transient aerosol perturbations may endure beyond the duration of the perturbation itself, provided they persist long enough. Short-duration aerosol perturbations are unlikely to have much influence on the system.

Keywords: Cumulus clouds; Marine boundary layer; Large eddy simulations

1. Introduction

Shallow, warm cumulus clouds play an important role in the transport of heat, moisture, and pollutants to the free troposphere. They also affect the planetary albedo and thus the Earthrsquo;s radiative budget (Sengupta et al. 1990). Furthermore, the manner in which they are represented in climate models has a strong bearing on climate sensitivity (Bony and Dufresne 2005). The prevalence of these clouds is well documented (Tiedtke et al. 1988; Slingo et al. 1994).

In the trade wind regime, shallow cumulus clouds both influenced by and, in turn, affect environmental conditions, such as temperature, humidity, and wind shear (Malkus 1954; Squires 1958; Grabowski and Clark 1993; Zhao and Austin 2005). A distribution of buoyant plumes of varying magnitudes generates cumulus clouds that transport heat and moisture into the trade inversion to different extents. In this weakly stable transition region, characterized by strong mixing and downward transport of inversion air, evaporating cloud turrets humidify the warm and descending dry air, preconditioning it for subsequent convection. The upward flux of water associated with trade cumulus enhances surface evaporation, which supplies moisture to the system. Moisture is removed by precipitation, which is a strong function of cloud depth, but also controlled by cloud microphysical processes, themselves a function of the aerosol. This introduces the potential for the aerosol to influence the thermodynamic environment that supports the trade cumulus cloud system.

The role of the atmospheric aerosol in influencing cloud microphysical processes and perhaps modulating the role of shallow cumulus in the climate system has been the subject of much debate. While it is generally perceived that aerosol perturbations increase drop concentrations (Twomey 1977), suppress the formation of rainfall (Warner 1968; Albrecht 1989), and increase the lifetime of clouds, there is scant observational evidence to support these suppositions and even some to the contrary (Small et al. 2009). Finescale modeling studies have suggested that the aerosol may play multiple roles—increasing cloudiness in aerosol-poor conditions but reducing it in aerosol-rich conditions (e.g., Ackerman et al. 2004; Xue et al. 2008).

Some modeling studies have shown that by delaying the onset of precipitation, higher aerosol concentrations transport water vapor deeper into the inversion layer and support deeper cumulus clouds (McFarquhar and Wang 2006; Stevens and Seifert 2008). These deeper clouds offset the effect of aerosol-induced suppression of collision–coalescence on rainfall. Self-regulation of this kind led Stevens and Feingold (2009) to the conclusion that in many cases, the multitude of internal feedbacks between microphysics and dynamics might reduce the potential for the aerosol to influence the cloud system. The system may therefore be perceived as “buffered” or robust to aerosol perturbations.

Motivated by the importance of warm cumulus clouds in the climate system, this study focuses on understanding how aerosol perturbations affect the statistical properties of a cloud system for relatively long simulations (gt;24 h) and scales of 25 km, which are large enough for mesoscale circulations (i.e., mesobeta circulations) to develop. By integrating through transients, the goal is to ascertain just how robust the system is to aerosol perturbations. The paper deviates somewhat from the typical studies of aerosol–cloud interactions that tend to focus on microphysical responses to aerosol influences via traditional constructs (Twomey 1977; Warner 1968) and instead attempts to incorporate a more boundary layer, cloud-system-centric view. While these aforementioned processes drive the responses that we aim to quantify, it is becoming increasingly clear that microphysical changes carry dynamical consequences. Stated differently, by changing cloud microphysical processes, the aerosol changes the thermodynamic environment in which a cumulus cloud system lives and evolves. This

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气溶胶对商业积云中云与环境相互作用的影响

Seoung-Soo Lee

NOAA /地球系统研究实验室/化学科学部和CIRES，科罗拉多大学博尔德分校

摘要

本研究考察了气溶胶在调解温暖贸易积云系统与其产生的环境之间的相互作用中的作用。 对在海上积云（RICO）野外实验中观测和深入研究的雨进行了数值模拟。 结果利用了34小时持续时间的模拟，以避免基于瞬态的结论。 模拟结果表明，平均而言，气溶胶扰动的云层初始时更深，更活跃，但大约14小时后，这种趋势出现逆转，未受干扰的云层相对于扰动的云层加深。 云深度差异约为100米，垂直速度差异差异约为30％。 大约20小时之后，除高空气溶胶条件下雨量和光学深度分别较低和较高外，大多数云雾场在统计学上相似。 通过对云系统演化中不同点处的模型输出进行采样，解决了大部分云场特性的初始差异和收敛机制。 灵敏度测试表明，响应主要由温度剖面而不是湿度剖面驱动，并且对于不同的强迫云体场特性的均匀化的一般趋势是稳健的。 最后，本文表明，即使瞬态气溶胶扰动可能会持续超过扰动本身的持续时间，只要它们持续足够长时间。 短时间的气溶胶扰动不太可能对系统产生太大影响。

关键词 ：积云; 海洋边界层; 大型涡流模拟

1.引言

浅而暖的积云在热量，湿度和污染物向自由对流层的运输中起着重要作用。 他们还影响行星反照率，从而对地球 辐射收支（Sengupta等，1990）。 此外，它们在气候模式中的代表方式对气候敏感性有重要影响（Bony and Dufresne 2005）。 这些云的流行是有据可查的（Tiedtke et al.1988; Slingo et al.1994）。

在贸易风况中，浅层积云既受影响又影响环境条件，如温度，湿度和风切变（Malkus 1954; Squires 1958; Grabowski and Clark 1993; Zhao and Austin 2005）。 不同大小的浮力羽流的分布会产生积云，这些积云将热量和湿度转换为不同程度的贸易逆转。 在这个弱稳定的过渡地区，以强烈的混合和向下的空气输送为特征，蒸发的云塔使湿热和下降的干燥空气湿润，对其进行预处理以便随后进行对流。 与贸易积累有关的水向上流动增强了表面蒸发，为系统提供了水分。 水分通过降水被去除，这是一个强烈的云深度函数，但也受云微物理过程控制，它们本身就是气溶胶的一个功能。 这引入了气溶胶影响支持贸易积云系统的热力学环境的潜力。

大气气溶胶在影响云微物理过程以及可能调节气候系统中浅层积云的作用方面的作用一直备受争议。 虽然普遍认为气溶胶扰动会增加降雨浓度（Twomey 1977），抑制降雨的形成（Warner 1968; Albrecht 1989），并且增加云的寿命，但很少有观测证据支持这些假设，甚至有些人认为相反（Small等2009）。 Finescale建模研究表明，气溶胶可能扮演多重角色 - 在气溶胶不良条件下增加云量，但在气溶胶丰富的条件下降低云量（例如Ackerman等2004; Xue等2008）。

一些模拟研究表明，通过延迟降水的发生，较高的气溶胶浓度将水汽更深地运输到反演层并支持更深的积云（McFarquhar和Wang 2006; Stevens和Seifert 2008）。 这些更深的云层抵消了气溶胶诱发的碰撞 - 聚合对降雨的 抑制作用 。 这种自我调节导致Stevens和Feingold（2009）的结论是，在许多情况下，微物理学和动力学之间的大量内部反馈可能会降低气溶胶影响云系的潜力。 因此该系统可能被认为是 “ 缓冲的 ” 或对气溶胶扰动具有鲁棒性。

受气候系统中温暖积云的重要性的驱动，本研究着重于了解气溶胶扰动如何影响云系统的统计特性，用于相对较长的模拟（gt; 24 h）和25 km的尺度，这对于中尺度循环（即mesobeta循环）发展。 通过瞬态整合，目标是确定系统对气溶胶扰动的强大程度。 这篇论文偏离了典型的气溶胶 - 云相互作用 研究，这些研究 倾向于关注通过传统构造对气溶胶影响的微物理响应（Twomey 1977; Warner 1968），而是试图结合更多边界层，云系统中心观点。 虽然上述这些过程推动了我们旨在量化的反应，但它正在变得越来越清晰，微物理变化带来了动态后果。 换句话说，通过改变云微物理过程，气溶胶改变了积云系统生活和演变的热力学环境。 这种云系统的观点为气溶胶 - 云沉淀问题 开辟了更丰富的物理光谱和细微差别 ，并且，正如这里所显示的，这有助于澄清气溶胶的作用，而不是使其复杂化。

从这个角度出发，我们提出了一组数值实验，这些实验将表明，对于考虑的探测，气溶胶扰动会影响热力学环境和云团的发展，使得许多扰动和未受干扰的云场特性在经过足够的时间后趋于收敛。 所提出的假设表述如下：云场的垂直发展对大气稳定性的气溶胶引起的变化作出响应，从而不稳定性（即潜在能量）以不同的速率消耗; 然而，在一段短暂的时间之后，这些系统演变成相似的状态。 灵敏度测试将显示这种响应对于各种不同的模型假设/模拟条件是稳健的。 关于这种趋同的时间尺度如何变化的一些初步想法也被提供。

2.大涡模拟（LES）

这项研究依靠数值模拟来实现其目标。 用于模拟的高级研究气象研究和预报模型（ARW-WRF，版本3.1.1）。 在ARW-WRF中，使用高阶单调对流方案（Wang et al。2009）和双时间体积微物理方案（Feingold et al.1998; Wang and Feingold 2009）。 Wang和Feingold（2009）提供了云凝结核（CCN）和云和雨滴尺寸分布的表示。 简而言之，CCN数量浓度，云滴的数量和质量混合比以及雨滴的数量和质量混合比解决了预测方程。 液滴活化基于预测的过饱和度，假定的气溶胶粒度分布（对数正态分布）和组成（硫酸铵）计算。 活化后，CCN通过滴落群跟踪并在蒸发时再生。 CCN浓度通过下落碰撞 - 聚结和地面雨水减少。 没有应用CCN来源。 CCN的变化仅由浓度变化来表示; 未考虑对气溶胶粒径分布和组成的敏感性。 对于贸易积分制度，忽略尺寸分布和成分变化不太可能对待呈现的结果产生重大影响（Feingold 2003）。

3.案例描述

一个数值实验

对积云覆盖海域（RICO）野外实验（Rauber et al。2007）期间观测到的贸易累积情况进行了大量模拟。 水平区间的长度设定在25公里两者的东 - 西（x）和北 - 南（y）的方向上，而垂直域长度设定为4公里到覆盖行星边界层（PBL）。 周期边界条件强加在水平域上。 水平网格长度（Delta;x 和 Delta;y）为100微米，而垂直网格长度 Delta;z是40米。

根据RICO现场实验的探测结果，使用由全球能源与水循环实验云系统研究（GCSS）边界层工作组合成的热力学探测资料。 风的u分量是东风的，从 表面 大约10 ms - 1 线性减小 到模型顶部（4 km） 大约2 ms - 1，而 upsilon; 分量则偏北，恒定在3.8 ms - 1。 从表面到740m， 水蒸气混合比r和位置温度 theta; 几乎是恒定的。 从740米向上，R从13.8到1.8克公斤减小 - 1，而 在模型顶部从297.9至317 Ktheta;·增加。 除非另有说明，仿真使用与GCSS规定的相同的强制。 这些在第3b节简要介绍。

第一次模拟被称为对照（C）运行，采用的初始背景气溶胶数浓度为100 mg - 1（相当于100 cm - 3，空气密度为1 kg m - 3时），而且这个数字是恒定的遵循GCSS规范的PBL。 C赛跑持续34小时。 模拟期间的前6小时10分钟被认为是 “ 旋转 ”， 并且被排除在分析之外（在第5节中探讨了旋转的持续时间的影响）。 为了研究气溶胶对云系及其环境的影响，在Spinup期结束时产生了一个新的模拟，其背景气溶胶数浓度增加了2.5倍， 在没有云的格点处 产生250 mg - 1。 这种重复运行使用风力，压力，温度和湿度作为初始条件，控制运行的整个区域的每个网格点。 这种重复运行被称为 “ 高气溶胶 ” 或H运行。

4.结果

用GCSS探测进行一系列模拟以测试引言中提出的假设。

一个时间序列和垂直剖面

图1示出了时间序列的域平均的液态水路径（LWP），垂直速度方差WW， 云量（CF），云的顶部的高度，对流有效位能（CAPE），浮力通量，所述PBL 的 顶部高度和C和H运行的降水率。 PBL顶部高度定义为 在每个网格列中40米垂直间隔内 theta; 增加 最大 的水平 （类似于Rauber et al。2007）。 至多约14小时，将H运行表现出较大的LWP中，wW，CF， 和比C运行云的顶部高度（图1A - d和1G）。 然而，约14至20小时，LWP，WW，CF， 和云的顶部 之间 的高度是在C运行大。 大约20小时后，这些变量的差异是微不足道的。 C和H运行之间的相对差异对探测的初始扰动幅度不敏感（附录A）。

5.讨论

在上面的详细分析的支持下，我们的观点是，气溶胶浓度的差异造成环境不稳定性的差异，这导致具有不同性质的云区; 这些又反过来以与不稳定的积累相称的速度消除不稳定。 在被气溶胶扰动的系统中，低水平冷却使得CAPE增加得更快，这导致其在1期（图1e）出现峰值。 但结果是云领域以更快的速度消耗CAPE（Nober和Graf 2005）。 在未受扰动的系统不稳定发展更慢，但随之而来的浅云字段最终产生在 Delta; 的Zm 不稳定性 ，允许云加深（平均）比它们的扰动对应物更。 未受干扰和扰动的系统遵循不同的时间周期，但最终它们会聚合到类似的状态。 因此，气溶胶扰动产生动态响应，在足够长的时间段之后产生类似的环境和云场特性。

先前已经表明，气溶胶的增加倾向于通过早期产生更强的不稳定性并随后以更快的速率将它们移除而加速浅层积云对流的循环。 江等人。 （2009）计算了同一RICO GCSS情况下对流细胞的出生率和死亡率（虽然使用了不同的模型），并表明气溶胶扰动系统的出生/死亡率更快。 第4b节中的云粒径分布分析还支持来自不同模型和不同贸易积云测量结果的早期结果，即气溶胶扰动云系统包含较大数量的寿命较短的小云团（Xue and Feingold 2006; Jiang et al.2006）。 通过扰动热力学分布，气溶胶因此似乎能够改变不稳定性产生和消耗的速率。

结果提出了一些其他有趣的问题和问题; 这些在下面讨论。

6.总结和结论

贸易积累的微弱趋势及其对气候系统的重要性（如Bony和Dufresne 2005）为贸易积云及其对气溶胶变化的反应提供了强有力的动力。 我们在这里研究了气溶胶扰动对长时间（~30 h）贸易积云模拟的影响，特别是测试了由气溶胶扰动引发的热力学剖面变化引起云垂直发展变化以消除差异的假设。 这个概念是一致的与缓冲气溶胶 - 法因戈尔德在西伯特和（2009），史蒂文斯和法因戈尔德（2009年），和李和法因戈尔德（2010）讨论云系统。 上述研究假设一个系统倾向于通过改变环境条件或微物理途径来减少气溶胶的影响。

在当前的论文中，我们用RICO GCSS案例研究作为数值实验的基础，详细研究了与气溶胶扰动对边界层响应相关的事件序列。 结果表明，增加气溶胶浓度会产生更小的液滴，从而更有效地蒸发。 这导致更小，更多的云量和更大的表面积 - 体积比，这通过反馈机制增加了云对干空气夹带的敏感性（Small et al。2009）。 因此，气溶胶的增加加速了蒸发的下降，导致更强的冷却，并因此增加了模拟开始附近云层下部的不稳定性。 云较低部分和相关较大CAPE的较大不稳定性会形成顶高较高的云，并且在模拟早期的气溶胶扰动模拟中具有较高的LWC和LWP。 这些顶部高度较高的云层导致对流散度升高（高度），因此峰值蒸发冷却的位置较高。 众多的灵敏度测试指出气溶胶引起的气温引起的扰动，主要由气溶胶引起的水蒸气扰动引起的云系统响应。

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