研究計畫

氣候變遷研究聯盟總計劃下共有三個子計畫

子計畫一

計畫摘要

雲與氣膠過程是氣候研究不確定性的最大來源之一。此計子畫針對總計畫所採用的CESM 全球氣候模式以及WRF‐Chem 區域氣象與大氣化學模式,採用本團隊所發展或即將發展的各種參數法,改善改善模式對雲、降水、氣膠過程的計算,包括雲與氣膠的交互作用,以探討氣膠與雲對全球和區域氣候的影響。雲參數法的部分包括能考慮氣膠影響之積雲參數法,以及可解析雲內各種水物多重矩量變化的顯式雲參數法。氣膠的部分,採用多模組多矩量氣膠參數法,可考慮氣膠成分的不同混合態,以及各種人為與自然冰核的產生。雲與氣膠交互作用的部分則將上述兩類參數法耦合,解析各種凝結核與冰核對雲的影響。模式完成後,將用於探討雲、氣膠,以及雲─氣膠交互作用對全球、區域氣候的影響。此外,也將區域模式的模擬結果進行統計分析,以得到upscaling 參數法,用於改善全球模式的次網格過程。


預期成果

此計畫針對CESM 全球氣候模式以及WRF -Chem 區域氣象與大氣化學模式改善其雲與氣膠參數法,探討氣膠與雲對全球和區域氣候的影響。預期完成項目保包括:
  • 雲參數法

    1. 考慮氣膠影響之積雲參數法
    2. 顯式雲參數法,解析雲內各種水物的多矩量變化
  • 氣膠參數法

    1. 使用於 CESM 的氣膠參數法
    2. 使用於 WRF-Chem 的氣膠參數法,包括各種冰核,以及混合態的解析
  • 雲與氣膠交互作用參數法

    1. 上述兩參數法之耦合
    2. 應用 WR-Chem 模擬結果進行統計分析,得到upscaling 參數法用於全球模式
  • 應用以上模式探討雲、氣膠,以及雲─氣膠交互作用對全球、區域氣候的影響。


預期綜合效益

本5年期計劃的預期綜合效益如下:
  • 完成地球系統模式中計算雲與氣膠物理、化學過程的改進,使台灣地球系統社群模式群組更有特色。
  • 綜合探討雲與氣膠在全球與台灣附近的可能影響,釐清雲與氣膠過程在氣候變化中所扮演的角色,以及未來人為污染對氣候變化的可能衝擊。
  • 培養新一代氣候模式人才,包括機制與參數化發展者以及模擬應用者,使相關研究能在台灣紮根並與國際先進並駕齊驅。


投入人力

類別姓名服務機構/系所職稱在本研究計畫內擔任之具體工作性質、項目及範圍
主持人 陳正平 台灣大學 教授 Project Leader; cloud and aerosolmicrophysics and parameterization
主持人 陳維婷 Jet Propulsion Lab(2012/8 台灣大學) Postdoc(助理教授) Aerosol-cloud-climate interaction;model development andapplication
主持人 (待聘)      
協同主持人 Wei-Chyung Wang State University of New York at Albany Professor Aerosol-cloud-climate interaction;model application
協同主持人 Guoxiong Wu Inst. Atmo. Physics, Chinese Acad. Sci. Professor Aerosol-cloud-climate interaction;model application
協同主持人 Wei-Kuo Tao NASA Goddard Space Flight Center Senior Scientist Cloud microphysics
協同主持人 Shu-Hua Chen UC Davis Associate Professor Cloud microphysics; Regionalmeteorological modeldevelopment
協同主持人 Thanos Nenes Georgia Institute of Technology Associate Professor Aerosol-chemistry interaction,climate impact
協同主持人 Hong Liao Inst. Atmo. Physics, Chinese Acad. Sci. Researcher Global chemistry and aerosolmodel
協同主持人 Tsong-May Fu Peking University Associate Professor Emission inventory and organicaerosol
協同主持人 Corinna Hoose Karlsruhe Inst. Tech., Germany Dr. sc. ETH Global modeling of ice nuclei andice-phase processes
其他研究人力包括4 名博士後研究員、4~6 名博士生,4~6 名碩士生,以及數名專任助理與 電腦程式師。


近五年之研究計畫內容與主要研究成果說明

  1. 發展東亞大氣沙塵模式與台灣地區本土沙塵模式。除了提供環保署沙塵預報作業的模式預測外,並研究大陸沙塵傳送至台灣的機制與濃度分佈(Chen et al. 2004),並應用區域沙塵模式於研究大氣沙塵對海洋浮游生物之影響(初步成果發表於研討會)。此外並探討本地土地利用變化對河川、農地起沙之影響,以及本地起沙成為冰核對雲內冰態降水物理之影響(初步成果發表於研討會)。
  2. 發展新一代雙矩量暖雲微物理參數法,提高雲物理模式計算效率與準確度(Chen and Liu 2004),並以此法取代MM5 模式之顯式微物理機制,使此模式有能力模擬氣膠濃度對雲物理與降水過程之影響,以及Twomey 間接氣候效應(Cheng et al. 2007)。同時並將此參數法與冰相參數法結合,詳盡探討器交對混態雲物理過程之影響(Cheng et al. 2010)。
  3. 以冰晶核異質化理論分析實驗室資料,解析其熱力控因,並據此對礦物沙塵、細菌、花粉、煤灰等自然與人為冰核之核化速率進行剖析,獲得其核化接觸角與活化能等因子,建立通用的冰晶核化參數法(Chen et al. 2008)。初步已將此參數法納入MM5 模式之顯式微物理機制,探討礦物沙塵、煤灰、細菌對降水之影響(初步成果發表於研討會)。同時也與挪威奧斯陸大學合作將相關機制納入全球模式中,探討對全球冰晶雲的影響,成果已發表於Hoose et al. (2010).
  4. 發展全球大氣化學與氣候耦合模式(與美國紐約州立大學、挪威奧斯陸大學合作),模擬全球硫循環的收支,探討自然與人為硫酸根氣膠對氣候(包括氣溫、降水、季風等)的直接與間接效應(Tsai et al. 2010)。此研究除了顯示氣膠間接效應之顯著性外,也指出直接效應之訊號低於模式內之氣候變異度。
  5. 發展新一代氣膠總體參數法,以矩量法(moment method)與多模(multi-modal)方式描述完整的氣膠粒徑分佈(蔡2009)。其與傳統整體參數法不同之處在於並當解析解不存在時仍然可以得到準確的結果,並保留氣態環境參數之影響;同時又維持高計算效率。所考慮氣膠過程包括完整的核化、凝結/蒸發、碰撞、乾濕沈降,同還提供了有效粒徑、曲率效應等診斷方程(初步成果發表於研討會)。
  6. 結合多種觀測資料,以及中尺度氣象模式模擬,分析多孔徑合成雷達(Synthetic Aperture Radar)在台灣附件所偵測到的海面不連續帶,證實為綜觀尺度東風風場受中央山脈地形阻擋所造成的回流與入流的幅合,導致幅合區兩側海面波浪粗糙度明顯不同(Alpers et al. 2007, 2010)。

subproject1 計畫簡介 poster

pdfsubproject1_計畫簡介_poster.pdf4.61 MB


1. 研究計畫內容

研究背景

目前學界對於氣候的狀態與未來變化的瞭解有許多不確定,其中雲應該是造成不確定性的最重要參數 (IPCC, 2001)。例如在CO2 暖化效應的計算上,若忽略雲的存在,所有全球模式計算二倍CO2 情景下之增溫值,彼此差距皆在±0.2°C 以內;但當放入雲的效應後,預測的增溫範圍為1.5 至4.5°C,也就是說不確定性約為±1.5°C。事實上,CO2 造成的直接輻射強迫量還低於水氣的回饋以及雲的變化所造成影響(圖1)。Weare (2004)分析全球模式對雲的計算,發現不同模式間對雲含水量與反照率的診斷,除了與觀測值有相當大的差異外,彼此間的不一致性也相當高(圖2)。

在氣候變化的問題上,很值得注意的是災害性天氣與極端氣候是否會更頻繁。但全球模式除了在平均狀況的估算有不確定性,對極端狀況的掌握性更是不足。如Kharin et al. (2005) 指出,16 個全球模式對極端降水的計算差異性甚大,甚至幾個再分析資料之間都不一致(圖3)。根據過去約50 年間的觀測資料,Liu et al.分析降水強度對全球平均溫度的反應,發現海溫差1°C,最強降水(強度前10 分之1)的頻率約差100%,但全球模式中最強降水的頻率變化卻不到10%。

 

圖1:模式估算二倍CO2 情景下的輻射強迫量,來自CO2 的直接作用遠低於水氣回饋與雲的效應,但雲的效應有相當大的不確定性 (藍、綠、灰三色代表各個模式估算的低、中、高值)。 (摘自:http://www.atmosphere.mpg.de/enid/254.html

 

圖2:Weare (2004)對全球氣候模式中,南北緯60°間的雲相關參數與ISCCP 觀測值比較。其中d2 為ISCCP 觀測值,不同灰階代表不同高度的雲。

 

圖3:Kharin et al. (2005) 比較16 個全球模式與幾個再分析資料中的日平均極端降水。所有資料為20 年的緯向平均。

 

氣候模式中對雲的計算有兩個主要問題。其一是模式解析度不足,另一個是模式中雲微物理機制的不夠準確與詳盡。雲的尺度變化極大,大的雲系可達數百、上千公里,而對流雲(個別對流胞)卻與有數公里至數十公里的範圍,遠小於一般全球模式的一個網格點大小。在氣候上甚為重要的海洋性層積雲,其垂直深度亦經常是小於模式的垂直解析度。處理次網格大小的對流雲,傳統上氣候模式(包括粗解析度的區域氣象模式)採用所謂的積雲參數法,將個別積雲甚至群體的積雲做一個整合性的處理,忽略了雲的許多繁雜但重要的細節,這可能是以上所介紹雲不確定性的主要來源之一;在層積雲的處理上,也只能採取簡單的參數法。針對雲的尺度問題,最近的一些先進全球模式嘗試採用所謂超級參數法(super-parameterization),以雲解析模式替換積雲參數法,進行多尺度模擬(multi-scale modeling)。例如Grabowski (2004)、Wyantet al. (2006)等在全球模式中加入2 維的雲解析模式(2 至4 km 的水平解析度),希望如此可以在全球模擬中得到雲的更多細節。Satoh et al. (2008)甚至在全球模式將水平解析度降到3.5 km,直接解析雲;Suzuki et al . (2008)也以此模式在7 km 解析度下模擬氣膠的暖雲作用。Miura et al.(2007)則指出,如此的高解析度模式可以更準確地模擬出Madden-Julian Oscillation。這些改進全球大氣模式的研究均凸顯出雲的解析對氣候模擬的重要性;但如此的高解析度模擬,對大多數研究單位來說其其計算資源仍是無法負擔的,因此次網格的雲參數化在短期內仍有其必要性,但也看得出高解析度雲模擬是未來氣候研究必須走的方向。

 

雲的解析的另一個問題是微物理過程準確性;空間解析度愈高,所需考的雲微物理也必須愈詳盡。積雲參數法中的雲微物理是極端地簡化,例如表1 中所列的許多的先進全球氣候模式,只考慮暖雲過程(忽略冰晶),而對雲粒子的描述也只考慮質量(1M,即單一矩量)。不過近來由於氣膠問題的重要性,使得許多積雲參數法也開始改善其微物理過程,採用雙矩量法(表1 中的2M)以考慮氣膠數量的影響(Lohmann et al. 2007; Song and Zhang, 2011),或增加雲冰粒子的預報方程(Gentleman et al. 2009; Wanabe et al. 2009; Delanoë et al., 2010)。即使在雲解析模式中(包括多數的區域氣象模式如表2),雲微物理過程仍須參數化,而其參數法仍有許多缺陷,包括對雲粒子粒徑分布的假設,以及物理機制的不足(尤其是牽涉到冰相過程,以及凝結核與冰核的影響)。具有詳盡氣膠─雲交互作用的模式則更是少數(見表2)。

 

IPCC (2001, 2007)指出,各種氣候模式對人為輻射強迫作用的估算,最大不確定性來自氣膠,特別是氣膠與雲的交互作用(圖4)。如圖4 所示,人為物質中氣膠是最主要的反溫室效應物質,全球平均輻射強迫量(直接效應加間接效應)為-1.2 W/m-2,對總強輻射強迫量+1.6W/m -2 而言,這是相當顯著的數值。圖5 也顯示硫酸根氣膠所造成的冷卻作用不可忽略。然而,氣膠直接效應的不確定性約為±0.4 W/m-2 ,間接效應(透過對雲的影響)更達±0.7 W/m-2 ;相對而言,溫室氣體的不確定性只有±0.17 W/m-2 。值得注意的是,溫室氣體的全球分布相當均勻,但氣膠的分布則集中在人口眾多與高度開發的陸地上,故其局部效應遠遠高於溫室氣體,也因此IPCC 的下一次評估(AR5)會特別強調區域、局部效應。

 

表1: 目前具有氣膠─雲交互作用機制的氣候模式。由右至左為模式名稱、氣膠模組、氣膠種類、氣膠混合態、雲的相態類別、雲微物理機制、氣膠─雲交互作用機制、氣膠第一間接效應全球平均、總氣膠輻射效應(直接效應+間接效應)、相關文獻。
 

Footnotes:

1. S=sulfur, C=carbon, I=interactive, L=loading; 2. Rotstayn et al., 2007; 3. Koch et al., 2001; 4. Koch et al, 2007; 5. Liao et al., 2006; 6. Joneset al., 2001;

7. Collins et al., 2008; 8. Kirkevag et al., 2008; 9. Seland et al., 2008; 10. S=sulfate, SS=sea salt, BC=black carbon, OC=organic carbon,N=nitrate, D=dust;

11. E=external, I=internal, P=prognostic; 12. W=warm, M=mixed phase, St=stratiform, Cu=cumulus; 13. 1M=one-moment,2M=two-moment,

PDF=probablity distribution function; 14. Morrison and Gettleman, 2008; 15. Smith et al., 1990; 16. Rotstayn and Liu, 2003; 17.Lohmann et al., 1999;

18. Lohmann, 2002; 19. Rotstayn et al., 2000; 20. Ming et al., 2007; 21. Del Genio et al., 1996; 22. Boucher et al., 1995; 23.Bony and Emanuel, 2001;

24. Rasch and Kristjansson, 1998; 25. Sotrelvmo, et al., 2006; 26. Hoose et al., 2009; 27. Cotton et al., 1986; Ghan et al.,1997;

28. Morrison et al., 2005, 2009;

29. Takemura et al., 2005; 30. Takemura et al., 2009; 31. Liu et al., 2007; 32. B=Berry, 1967, CC=Chen andCotton, 1987, KK=Khainroutdinov and Kogan, 2000,

TC=Tripoli and Cotton, 1980; 33. A=activation, Ma=aerosol mass, Na=aerosol number,Nc=droplet number; 34. Abdul-Razzak and Ghan, 2002;

35. Boucher and Lohmann, 1995; 36. Quaas et al., 2006; 37. Chuang and Penner, 1995; 38.Lin and Leaitch, 1997; 39. Lohmann and Diehl, 2006;

40. Ming et al., 2007; 41. Menon et al., 2002; 42. Menon et all, 2008; 43. Chen et al., 2010; 44.Jones et al., 1994; 45. Kristjansson, 2002; 46. Takemura et al., 2009.

Reference index:

1. Chen et al., 2010; 2.Collins et al., 2008; 3. Ghan et al., 2001; 4. Hansen et al., 2005; 5. Kirkevag et al., 2008; 6. Koch et al., 2009; 7.Kristjansson 2002;

8. Kristjansson et al., 2005; 9. Lee et al., 2009; 10. Lohmann et al., 2000; 11. Lohman et al., 2007; 12. Ming et al., 2005; 13. Ming et al., 2007;

14. Neal et al., 2010; 15. Quaas and Boucher, 2005; 16. Quaas et al., 2009; 17. Rotstayn and Penner, 2001; 18. Rotstayn and Liu, 2003;

19. Rostayn et al., 2010; 20. Seland et al., 2008; 21. Takemura et al., 2005; 22. Wang et al., 2011; 23. Williams et al., 2001; 24. Tsai et al. 2010. 

 

表1: 目前具有氣膠─雲交互作用機制的氣候模式。由右至左為模式名稱、氣膠模組、氣膠種類、氣膠混合態、雲的相態類別、雲微物理機制、氣膠─雲交互作用機制、氣膠第一間接效應全球平均、總氣膠輻射效應(直接效應+間接效應)、相關文獻。
 

Footnotes:

Aerosol module: P=prognostic; Prc=prescribed; Aerosol species: BC=black carbon, C=carbon, D=dust, InO=inorganic, N=nitrate, OC=organic carbon, S=sulfate,SOA=secondary organics, SS=sea salt; Aerosol mixture: E=external, I=internal; Cloud type: M=mixed phase, I=ice phase, W=warm; Cloud microphysics: 1M=onemoment; 2M=two-moment; Aerosol-Cloud interaction: A=activation, Ma-Nc=aerosol mass and droplet number relationship.

Reference index:

1. Grell et al. 2005; 2. Fast et al., 2006; 3. Berry and Reinhardt, 1974; 4. Chen and Liu, 2004; 5. Cheng et al., 2010; 6. Giorgi and Marinucci, 1996; 7. Giorgi and Shields, 1999;

8. Giorgi et al, 2003; 9. Grell et al., 2000; 10. Huang et al, 2007; 11. Khain and Sednev, 1996; 12. Lin et al., 1983; 13. Liu et al., 2005; 14. Lynn et al., 2005;

15. Martins et al., 2009; 16. Meyers et al., 1997; 17. va den Heever et al., 2006; 18. Zheng et al., 2004; 19. Zheng et al., 2010.

 

 

圖4:IPPC AR4 歸納各種人為物質對地球輻射強迫量的估算。(摘自:IPCC, 2007)
 
 
圖5:Meehl et al. (2004) 模擬上一世紀全球平均表面溫度的變化,以及太陽輻射變化與不同人為物質的輻射強迫量,顯示硫酸根氣膠造成顯著的冷卻作用不可忽略。
 

氣膠直接效應的不確定性多來自對氣膠的形成過程的瞭解不足,包括氣膠的種類與混合狀態、前軀物的排放量、化學反應機制、沈降與洗除過程等。氣膠間接效應的不確定性,首先來自氣膠形成與移除機制,再加上氣膠對雲的影響,甚至有一部份可能來自前述雲的空間解析度不足的問題;但確切原因尚待探討。以上介紹說明了氣候模式中有關雲、氣膠以及兩者交互作用的許多問題。這些不確定性特高的地方,也就是氣候模式亟需改進之處。故此部分計畫希望針對這些模式中的問題逐一改善,以減少氣候模擬的不確定性,有利於對未來氣候進行更精準的預測。


方法與步驟

 

此計畫針對氣候模式的改善分為3 個大方向:(1)雲參數法,(2)氣膠參數法,(3)雲與氣膠交互作用參數法,並同時注重全球與區域模式的相輔相成,如圖6 所示。全球模式將採Community Earth System Model (CESM),為美國大氣研究中心(NCAR)與美國能源署所發展的最新地球系統模式,具有完整的大氣、海洋、陸地耦合過程,也包含了基本的氣膠過程;此模式將是IPCC 下一次評估(預計2013)所使用的主要氣候模式之一。其前身CAM 也是表1 中許多氣候模式的氣象、動力核心。

 

區域模式將採WRF-Chem,是美國國家大氣海洋署(NOAA)所主導,聯合NCAR, PNNL, EPA以及許多大學研究員所共同開發,將區域氣象模式 Weather Research and Forecasting (WRF) 結合了一個大氣化學模式,包含了氣態化學過程與氣膠模組,是國際間最主要的氣象、化學耦合區域模式之一。

 

圖6:此氣候模式改善計畫的內容示意。三大主軸為雲、氣膠、雲與氣膠交互作用,全球與區域模式並重,其中區域模式中對前兩個主軸的參數化方法或模擬結果可用來改善全球模式中的相關過程(如箭頭所示)。

 

雲參數法

 

對於全球模式中雲的參數法採雙管齊下的方式:

 

    1. 積雲參數法:

      積雲參數法:首先在計算資源有限的狀況下改善對雲的描述,主要作法為增加對雲粒子物理性的解析。在雲微物理部分,將採用本團隊研發的Chen and Liu (2004)暖雲參數法,可有效解析氣膠對雲物理的影響。目前積雲參數法極少考慮冰態過程,但這些過程相當重要;計畫後期將逐步納入Cheng et al. (2010)的方法,將前述暖雲參數法與冷雲參數法結合。 



      • 重點1:


        發展雙矩量法(增加數量濃度),以利未來納入氣膠的影響。
      • 重點2:


        由於目前全球模式的雲參數法對冰相過程的描述不是過於簡化就是完全省略,故另一改進重點放在納入冰晶的雙矩量參數法。
      • 重點3:


        利用區域模式的結果改善質量通量與微物理過程的參數法。

 

  1. 顯式雲參數法:

    預期未來計算資源(包括CPU 速度與平行化計算的進步,以及對高速運算的經費投入)會大幅提升,全球模式解析度將大幅提高,可達到解析雲的尺度,因此應積極發展顯式雲參數法。事實上,國際間一些走在前端的團隊已開始類似的工作,例如Lohmann (2008)測試了在ECHAM 全球模式中加入雙矩量(two-moment)雲參數法,Songand Zhang (2011) 則在1 維氣柱模式中測試了具有四種水物(雲滴、雨滴、雲冰、雪)的雙矩量參數法。當然,這些研究都還只是在萌芽階段,其複雜程度遠遠不及應用在目前雲解析模式或區域氣象模式(如MM5、WRF)。受限於計算資源,此計畫初期將先在區域模式中測試,並逐步置入全球模式中,改善”網格點降水”計算,未來再取代積雲參數化。所採用的顯式雲參數法為本團隊所開發的Chen and Liu (2004)暖雲參數法與Cheng etal. (2010)混態雲參數法,所考慮之粒子種類以及微物理過程如圖7 所示;相較於傳統的雲微物理參數法,我們的方法更為準確、詳盡,尤其是考慮的凝結核、巨核以及冰核的影響。 



    • 重點1:


      將WRF 中的傳統單矩量法改為雙矩量法,除了提升微物理過程的準確性,也容許與氣膠的交互作用。除了針對傳統的Kessler type 參數法進行修改,也將納入已應用於MM5 中的Chen and Liu (2004)物理參數法(Cheng et al. 2007, 2010)。
    • 重點2:


      中長期重點放在冰、水混態過程的改進。對冰態粒子更將發展3 矩量或4 矩量參數法,以納入冰晶形狀對雲微物理過程與輻射過程的影響,以及不同冰相粒子的密度差異。
    • 重點3:


      冰晶核化過程。目前的區域氣象模式中並未直接考慮冰核,而是採用經驗式來處理,但由於冰核濃度的時空變化極大,各種冰晶核化過程是此類模式中不確定性最高之處。此計畫將在氣膠模式中將納入不同冰核(如礦物沙塵、煤灰、細菌等)產生機制,這將容許對冰晶核化過程進行大幅改進,方法為利用Chenet al. (2008)的冰晶核化參數法,可準確計算不同種類冰核的核化速率。
圖7:本團對所研發的顯式雲微物理種體水物參數法示意圖,包含3 大類氣膠(凝結核、巨核、冰核(紅色框),5 大類雲粒子

 

氣膠參數法

 

早期甚至目前許多考慮氣膠過程的全球模式與區域大氣化學模式多僅計算氣膠的質量濃度(混合比);當需要知道氣膠大小時(例如計算輻射效應),則或是假設某個定值,或者是應用診斷法或經驗法,如Haywood and Boucher (2000), Penner et al. (2001), Forster et al. (2007), Tsaiet al. (2010)。CESM 與WRF-Chem 中已有數種氣膠模組可模擬不同種類氣膠的生成機制。如WRF-Chem 中最先進的氣膠參數法為Binkowski and Shanker (1995)的多模氣膠參數法,原運用於美國環保署的Models-3 Community Multiscale Air Quality (CMAQ)中,可解析粒徑譜。但此方法類似用在雲微物理的Kessler type 參數法,先天上有許多缺陷,故此計畫擬以Tsai (2009) 所發展的新一代氣膠參數法Physically-based Aerosol Parameterization Scheme (PAP)植入CESM 與WRF-Chem 中。團隊所新近發展的PAP scheme 與過去氣膠參數法最大不同點,就是不需簡化成長核量以求得解析解,因此計算更為準確而且也比較有效率。

圖8 為應用PAP scheme 進行東亞大氣沙塵揚起、傳送、陳降之模擬,顯示參數化的結果(實線)與使用12 個粒徑網格元(size bin)的詳盡模式結果(方塊點)不僅總質量相當一致,粒徑分布也相當接近,但只需一半的參數與計算時間。PAP scheme 同時也可以有效處理氣膠的混合狀態(mixture state;如圖9),對不同種類氣膠的碰撞結合與後續效應均有能力解析。以源自沙漠、乾燥地區的礦物沙塵為例,如圖10 所示,在傳送至海洋的途中會逐漸與人為硫酸根氣膠混合;到了遠洋幾乎所有的沙塵附有硫酸成分,而未混合的少部分質量則是人為污染在沿途所產生的硫酸根粒子,其質量低但數量高。純沙塵與經過內部混合的沙塵,在凝結核效應、冰核效應、輻射效應以及異質化學反應的作用上有相當大的差異。氣膠混合態不僅影響其輻射效應的大小也影響其正負號。

因此本計畫針對各種氣膠演化過程與直接氣候效應,對CESM 與WRF-Chem 模式進行改良:

  • 重點1:


    在CESM 與WRF-Chem 中納入可溶性氣膠、礦物沙塵(mineral dust)、煤灰、生物氣膠與相關機制,以及不同氣膠的混合態,瞭解其個別輻射效應在氣候系統中的重要性。可溶性氣膠成分又包括硫酸根、胺根、硝酸根、海鹽與有機物。
  • 重點2:


    有機氣膠。在污染嚴重地區,有機氣膠為氣膠成分中的最大宗,與無機氣膠具有類似的凝結核作用,但相關形成與演化機制不明確,許多模式中也缺乏此種氣膠,故是國際間未來氣膠研究的重點之一。
  • 重點3:


    氣膠機制的改進。現有氣膠模式對相關機制做了許多簡化,包括忽略曲率效應對氣膠含水量的影響,以及凝結(蒸發)所造成氣膠的增溫(降溫)的影響,還有表面張力的曲率效應對核化過程的影響等。另外還有一些新的氣膠機制,包括氣膠異質化學反應等,也將一同納入氣膠模式中。
圖8:以粒徑網格元法及PAP 法所進行的東亞大氣沙塵模擬,以及在不同地點的沙塵粒徑分布。左上為近地面沙塵總質量分布的snap shot,兩種方法幾乎一致,故僅顯示其一。其他三圖為沙塵傳送上、中、下游任選三地點的沙塵粒徑分布;帶方塊點的藍線為粒徑網格元法結果,紅色實線為PAP 法的結果。
 
 
圖9:PAP 氣膠參數法所考慮的幾種主要氣膠類型,以及其間的可能混合狀態示意圖。EC 為元素碳,OC 為有機碳。
 
 
圖10:應用PAP 法於CMAQ 模式中,個案模擬東亞礦物沙塵與人為硫酸根氣膠之內部混合(internal mixing)比例隨時間之演變。上圖為質量比例,下圖為數量比例;由左至右為沙塵離開沙漠源區傳向沿海污染地區再到遠洋的過程中的幾個代表性位置。

 

氣膠─雲交互作用

 

氣膠對雲的影響,主要是透過凝結核對雲滴活化(activation)的影響,以及冰核對雲冰核化(nucleation)的影響。雲滴活化過程控制了雲滴的數量與大小,進而影響雲的輻射效應以及後續降水過程。有多少凝結核可被活化基本上受雲內所能達到的最高過飽和度決定,當雲內過飽和度超過個別氣膠之科勒曲線臨界過飽和,此氣膠可被活化。因此雲滴數量由兩個因子控制,一為環境降溫率(主要由上升氣流控制),一為凝結核的粒徑分佈與成分。前者提供可凝結水氣與過飽和度,後者控制水氣的消耗。此二因素交互作用下,氣塊上升過程中,過飽和度在離雲底之上約五十米內達到一個最高點後下降,此後未活化的凝結核就不能活化。因此要解雲滴數量必須能解析雲內過飽和度的演化。不過,全球模式無法解析個別雲的雲底上升速度,因此不能根據基本雲物理理論來計算雲滴數量。甚至在區域氣象模式或雲模式中,由於垂直解析度不足,也無法完全解析雲底之上約50 米內的最高過飽和度。至於冰核的效應,不止全球模式未考慮,區域氣象模式與雲模式也都只採用簡單的經驗式,並未考慮冰核種類與其時空變化。

反過來說,雲對氣膠也有很大的影響,包括雨除(rainout)、洗除(washout)等過程可將氣膠移除大氣,而雲內液態化學反應則可增加氣膠的質量,雲滴的碰撞則可增加氣膠質量但減少數量(當雲滴蒸發時)。這些過程在全球氣候模式與區域氣象模式中不是沒有考慮就是處理過於簡單。因此本計畫希望在雲微物理、氣膠微物理機制發展完成後,就進一步將兩者結合,以解析氣膠透過雲過程所造成的間接氣候效應。

  • 重點1:


    在CESM 中以幾種方式納活化機制。目前大多數全球模式,包括本團隊的GCCM(見表1、Tsai et al. 2010),多應用簡單經驗參數式,將氣膠質量與雲滴數量根據觀測結果作一連結,但此法過於簡單而誤差大,且無法利用氣膠模式所提供的粒徑分佈資訊,因為需要知道雲底上升速度。此子計畫共同主持人陳維婷(第二年加入)亦曾應用GCM GISS III 模擬氣膠間接效應(Chen et al. 2010),同樣採用診斷法將氣膠可溶性子含量與雲滴數量連結,已能模擬出與觀測大致相符的雲量、雲滴大小以及雲輻射效應,但氣膠與雲交互作用的機制仍相當簡化。此計畫初步擬利用全球模式所計算的turbulence kinetic energy 推估上升速度的頻譜分佈(可分為數個離散類組),再利用圖11 中之雲滴活化計算法(見下方說明),得到雲滴數量頻譜分佈,由此再對輻射效應與降水同樣計算出其頻譜分布。計畫後期將利用區域雲模式的結果進行統計分析,產生可供全球模式使用的參數法。
  • 重點2:


    在WRF-Chem 中,將本團隊之氣膠模組與雲物理模組結合,根據模式計算的氣膠粒徑分佈配合上升速度實際解析雲滴活化過程。此方法如圖11 所示意,隨著雲內過飽和度(上方座標)的增加,可以有較小的凝結核被活化(橘色部分),其相對活化粒徑(下方座標)由科勒理論決定;但過飽和度降低時則沒有作用。此外,巨核粒子可直接被活化為雨胚(綠色部分),這是一般應用總體水物法的雲模式所沒有的一個功能。Chen and Liu (2004)指出,模式垂直解析度不足的問題可透過箝入Lagrangian parcel 的方式提高解析;此方法並已由Cheng et al. (2007)在MM5 模式中經過測試,證實可顯著提升過飽和度的解析。此法不止將用於WRF-Chem 模式中,還可用於CESM 進行雲滴數量之診斷。不過,如雨水洗除作用等過程並未在Cheng et al. (2007)中考慮,將於此計畫中使參數法更完整。
  • 重點3:


    在CESM 與WRF-Chem 中加入冰核機制。首先納入不同冰核(主要為礦物沙塵、煤灰、細菌)的產生機制,再將Chen et al. (2008)的冰晶核化參數法,納入模式中。此冰晶核化參數法已被初步應用在全球模式中(Hoose et al. 2010),評估不同冰核氣膠與不同核化途徑的全球雲冰形成的重要性。冰核的產生,在沙塵的部分將本團隊在Chen etal. (2004)中模擬東亞沙塵的模組納入CESM 與WRF-Chem 中;煤灰、細菌、花粉的部分,則根據Hoose et al. (2010)的方法進行。冰核的雨除、洗除機制則類似以上對凝結核的處理方式。此外,混合態(即冰核附著可溶性氣膠)對冰晶核化的影響,Chen etal. (2008)的參數法已可準確處理。
圖11:凝結核活化計算的式意圖。上座標為雲內過飽和比,下座標為凝結核粒徑,縱座標為凝結核數量密度分佈。當雲內過飽和度S∞達到某凝結核粒徑的科勒曲線臨界過飽和度 時(即上下座標有一對一關係),此粒子便可活化,此粒徑即為截斷粒徑(rs,cut)。在下 一時間,過飽和度增加到S∞,+Δt 時,橘黃色的部分的氣膠又可活化,但此過程為不可逆。 若活化的凝結核半徑大於10 μm,則所形成的是雨胚。 

 

此計畫除了完成改善全球與區域模式中的氣膠與雲物理過程,進行相關模擬,並將應用各種觀測資料,包括衛星資料與台灣本地採集的各種氣膠、輻射資料,來驗證模式結果(如Chenet al. 2010),並在驗證過程中不斷改進相關的參數法。

Read more: 1. 研究計畫內容


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