The potential impact of turbulent velocity fluctuations on drizzle formation in Cumulus clouds in an idealized 2D setup
本文讨论了湍流速度脉动对积云中毛毛雨形成的潜在影响。两种不同的表述湍流速度波动的微物理制定的拉格朗日框架进行了讨论-随机行走模型和插值，其微物理性质的云调查的影响。湍流速度波动显著地增强了碰撞液滴之间的速度差，特别是那些具有小尺寸的液滴。因此，在包括湍流表示的模拟中，毛毛雨形成得更快。湍流速度波动的两种表示，随机游走和插值，对液滴谱演变有类似的影响，但插值的速度不占可能的各向异性的空气速度。所有讨论的模拟表明，相对较大的标准差（$\sim$ 1 $μm$）的云滴分布从云形成的开始观察。由于凝聚作用处理云滴内部的气溶胶，因此可以获得关于气溶胶的详细信息。数值模拟结果表明，在$\sim$ 20 min的云演化过程中，由于气溶胶在液滴合并过程中的作用，气溶胶谱的变化相对较小。毛毛雨最初形成于云边缘附近，或者是云顶附近，那里的水质量最大，或者是卷吸涡旋附近。
2015-09-04 physics.ao-ph
Using Non-Linear Causal Models to Study Aerosol-Cloud Interactions in the Southeast Pacific
University of Oxford（牛津大学）
气溶胶-云的相互作用包括无数的效应，这些效应都始于气溶胶进入云并作为云凝结核（CCN）。云凝结核的增加导致平均云滴尺寸（r $_{e}$）的减小。较小的水滴尺寸导致更明亮，更广阔，更持久的云，反射更多的阳光，从而冷却地球。在全球范围内，气溶胶-云的相互作用使地球变冷，但这种作用的强度在不同的气象条件下是不均匀的。了解气溶胶-云相互作用如何随当地环境的变化而演变，可以帮助我们更好地了解地球系统模型中的误差来源，这些模型目前无法再现观测到的关系。在这项工作中，我们使用最新的非线性，因果机器学习方法来研究气溶胶对云滴半径的异质性影响。
2021-11-03 cs.LG physics.ao-ph physics.data-an
Large-eddy simulations of marine boundary-layer clouds associated with cold air outbreak during the ACTIVATE campaign. Part II: aerosol-meteorology-cloud interaction
利用现场观测和大涡模拟（LES）方法，研究了在西大西洋实验（ACTIVATE）气溶胶云气象相互作用期间（2020年2月28日和3月1日）两次冷空气爆发（CAO）过程中，气溶胶对西北大西洋（WNAO）海洋层积云微/宏观物理特性的影响。大涡模拟能够再现两种情况下快速云滴探测器（FCDP）现场测量的液态水含量（LWC）、有效半径r_eff和云滴数浓度Nc的垂直廓线。此外，我们表明，气溶胶影响云的属性（Nc，r_eff，和LWC）通过规定的体积吸湿性气溶胶和气溶胶粒子谱的特点。Nc、r_eff和液态水路径（LWP）与气溶胶的整体吸湿性和气溶胶数浓度（Na）呈正相关，而云覆盖率（CFC）对气溶胶的整体吸湿性和气溶胶粒子谱不敏感。气溶胶粒子谱（数浓度、宽度和几何直径）的变化使我们能够将气溶胶对云特性的影响从气象效应中分离出来。我们还使用LES的结果来评估云的属性，从两个再分析产品，ERA 5和MERRA-2。与LES相比，ERA 5再分析能够捕捉到两个CAO过程中研究区域内的LWP和总云量的时间演变，而MERRA-2则低估了它们。
2021-12-09 physics.ao-ph
Enthalpy effect on the kinetics of concurrent nucleation and chemical aging of aqueous organic aerosols. The stage of thermal relaxation
通过成核和伴随的化学老化而形成的含水有机液滴的集合的尺寸和组成分布可能受到冷凝的凝结潜热和非均相化学反应的焓的影响，因此液滴的温度可能偏离空气温度，从而成为其状态的独立变量（除了其尺寸和组成变量之外）。使用经典成核理论的形式主义，我们推导出一个偏微分方程的时间演化的分布的合奏这样的液滴相对于其所有的状态变量通过泰勒级数展开相应的多维离散平衡方程，描述液滴和空气之间的材料和热交换。由此产生的动力学方程超出了福克-普朗克近似的框架相对于温度变量。的时间尺度的非等温成核和随之而来的化学老化的含水有机气溶胶的层次结构的建立和分析描述其热松弛阶段的开发，允许一个估计的特征时间的建立气溶胶粒子的平衡分布相对于它们的温度。通过数值计算，说明了模型水溶性疏水有机气溶胶在空气中的同时成核和化学老化的理论结果。
2022-01-08 physics.ao-ph physics.chem-ph
Super-Droplet Approach to Simulate Precipitating Trade-Wind Cumuli - Comparison of Model Results with RICO Aircraft Observations
在这项研究中，我们提出了一系列的LES模拟采用超液滴方法（SDM）代表气溶胶，云和雨微物理。SDM是一种基于粒子和概率的方法，其中Monte-Carlo型算法用于求解粒子碰撞和聚结过程。该模型不区分气溶胶粒子、云滴、毛毛雨或雨滴。因此，它涵盖了这样的云微物理过程的表示：云凝结核激活，毛毛雨形成的自动转换，吸积的云滴，自收集的雨滴和降水，包括气溶胶湿沉降。SDM的突出特点包括：（一）模型公式的稳健性（即采用基本原则而不是参数化）;（二）模型结果易于与用粒子计数仪器获得的实验数据进行比较。研究中使用的模式设置是基于海洋上空积云降雨（RICO）现场项目（GEWEX云系统研究边界层云工作组RICO案例）的观测。云和雨滴的大小谱功能在模拟中获得的比较与以前发表的飞机观测期间进行的RICO现场项目。分析包括高度分辨的模拟云微物理参数，如液滴数浓度，有效半径，和云滴大小谱的宽度的统计。网格分辨率的LES的结果的敏感性，以及概率（蒙特卡罗型）模型的采样密度进行了讨论。
2012-10-23 physics.ao-ph
The Relationship between Precipitation and Aerosol: Evidence from Satellite Observation
气溶胶-云-降水的相互作用对全球气候有重要影响。对这一问题的认识与气候变化预测的不确定性有关。传统的气溶胶间接效应认为，当气溶胶数量增加时，它会起到抑制降水的作用。然而，最近卫星观测的研究发现，气溶胶与降水正相关，这与传统观点相反。本研究试图利用A-Train卫星产品验证气溶胶与降水的相关性，并通过云的三维结构进一步揭示卫星观测中气溶胶与降水正相关的可能物理机制。研究发现，降水强度与气溶胶光学深度呈正相关，而云滴浓度与降水强度的关系则与液态水路径有关;且当气溶胶数量增加时，雷达反射谱变宽，降水增加，而云滴浓度则表现出相反的现象。结果表明，CDNC与AOD的负相关可能是气溶胶与降水正相关的原因。
2019-02-04 astro-ph.EP physics.ao-ph
Using uncertainty-aware machine learning models to study aerosol-cloud interactions
University of Oxford（牛津大学）
气溶胶-云相互作用（ACI）包括气溶胶进入云所产生的各种效应，并影响云的性质。一般来说，气溶胶浓度的增加会导致更小的液滴尺寸，从而导致更大，更亮，更持久的云层，反射更多的阳光并使地球降温。然而，这种影响的强度是异质的，这意味着它取决于周围的环境，使ACI成为我们目前气候模型中最不确定的影响之一。在我们的工作中，我们使用因果机器学习通过将问题重新定义为治疗（气溶胶）和结果（液滴半径的变化）来从卫星观测中估计ACI。我们预测气溶胶对云的因果关系的不确定性界限取决于未知的因素，可能会影响气溶胶的影响。在评估的三个气候模型中，我们发现只有一个模型能够合理地重现这一趋势，从而使其对ACI造成的冷却的估计更加可信。
2022-11-30 cs.LG physics.ao-ph physics.data-an
Enhancements in cloud condensation nuclei concentrations from turbulent fluctuations in supersaturation
气溶胶排放对云的性质和分布的影响是天气和气候预测中不确定性的一个很大来源。这些气溶胶-云的相互作用主要取决于气溶胶粒子激活成云凝结核（CCN）的能力。模拟云凝结核激活和云滴形成的一个关键挑战是湍流和云微物理之间相互作用的表示。湍流混合会导致水蒸气和温度的小尺度波动，这在大尺度大气模式中无法解决。我们使用拉格朗日包裹模拟驱动的高分辨率大涡模拟的对流云室量化这些小尺度波动对云凝结核激活的影响。我们发现，小规模的波动环境属性强烈增强CCN激活，这表明，传统的大涡模拟和地球系统模型，忽略这些波动低估了云滴的形成。
2022-10-27 physics.ao-ph
A Lagrangian Particle-Based Numerical Model for Surfactant-Laden Droplets at Macroscales
大气气溶胶可以由无机和有机物质组成，包括浓度很高的表面活性剂。重要的是，后者可以降低液体-蒸汽表面处的表面张力，由于其两亲性结构，它们优先吸附在液体-蒸汽表面处。因此，诸如液滴聚结、降水发展和最终云的寿命等过程可能取决于气溶胶中表面活性剂的存在。在这里，我们提出了一个云滴形成的数值模型，这是基于拉格朗日粒子为基础的微物理方案超级液滴方法，并考虑到在液滴中的表面活性剂的存在。我们的研究结果表明，表面活性剂促进云的形成，通过增加激活液滴的数量和大小，集中在云的底部，而最大的液滴集中在云的顶部。这表明液滴的循环涉及从云的底部到顶部的激活和生长过程。此外，我们的结论是独立的特定方法用于模拟欧拉变量的扩散，由于亚网格尺度湍流。我们预计，我们的研究结果将丰富我们对表面活性剂在大气气溶胶行为中的作用的理解，更重要的是，将为宏观尺度上表面活性剂系统的数值模拟的进一步发展铺平道路。
2022-09-22 physics.ao-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Understanding and Visualizing Droplet Distributions in Simulations of Shallow Clouds
UCI（加州大学尔湾分校）；OSU（俄亥俄州立大学）；Columbia（哥伦比亚大学）；NVIDIA（英伟达公司）；PNNL（太平洋西北国家实验室）
本文利用变分自编码器的潜在表示对浅云大涡模拟中的液滴尺寸分布进行可视化，揭示不同气溶胶浓度下液滴谱演变相似但速度不同，从而改进对气溶胶-云相互作用和降水 initiation 过程的理解。
2023-10-31 cs.LG physics.ao-ph physics.flu-dyn
Global impacts of organic aerosol acidity on sulfate and cloud formation
本研究将有机气溶胶酸解离及表面特异性效应纳入全球气候模型，发现其会促进硫酸盐生成、增加云滴数浓度并产生冷却效应，凸显了在气候模型中考虑该因素的重要性。
2025-10-03 physics.ao-ph
On the Stochasticity of Aerosol-Cloud Interactions within a Data-driven Framework
本文利用ACTIVATE观测数据和机器学习模型研究气溶胶-云相互作用的随机性，发现气候平均Nc可预测但个别个例不可预测，表明ACI在细时空尺度上具有随机性。
2024-03-13 physics.ao-ph
Exploring the Nonlinear Cloud and Rain Equation
海洋层积云被认为是气候系统的反射器，将很大一部分太阳辐射返回太空，从而冷却大气。这种云在各种环境条件下可以以两种稳定的模式存在，即开放和封闭的单元。系统的这种紧急行为及其对气溶胶和环境特性的敏感性由一组非线性方程捕获。在这里，使用线性稳定性分析，我们表示从稳定到极限环状态的过渡分析，显示它如何依赖于模型参数。我们表明，控制液滴浓度（N），环境承载能力（H 0）和云恢复参数（tau）可以通过一个单一的无量纲参数μ =N/（阿尔法 *tau* H 0），这表明，对于较深的云的过渡，从开放（振荡）到关闭（稳定的定点）细胞将发生较高的液滴浓度（即较高的气溶胶负载）。对可能状态的分析计算，以及它们如何受到气溶胶和环境变量变化的影响，提供了对云和雨复杂相互作用的更好理解。
2017-01-10 physics.ao-ph
Substantial Diel Changes of Cloud Adjustments to Aerosols in Ship-tracks
本文通过自动确定船舶航迹段年龄的新方法，揭示了气溶胶云调整存在显著昼夜变化，发现夜间老化污染云云量增加更大且液态水路径调整呈非单调趋势，表明考虑时间变化后气溶胶有效辐射强迫更强。
2025-04-09 physics.ao-ph
The dominant role of jetting in micron- and sub-micron sea spray produced by bubble bursting: a revised model and comparison with measurements
本研究提出修正的第一性原理模型，证明射流在气泡破裂产生微米和亚微米海盐气溶胶中占主导地位，并构建了与实验数据高度吻合的全球尺寸分布预测模型。
2025-06-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Convective Ripening and Initiation of Rainfall
本文讨论了瑞利-贝纳德池中气包液气溶胶液滴尺寸分布的演化。它引入了一种非碰撞模型，用于扩大液滴尺寸分布，称为“对流成熟”。本文还考虑了无冰积云降雨的起始。有人认为，虽然碰撞机制不能解释生产的雨从云与水滴直径$20\ μ{\rm m}$，非碰撞对流成熟机制提供了一个更快的路线，以增加小部分的水滴，成长为雨滴的大小。
2014-07-23 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A review of the relevance of the 'CLOUD' results and other recent observations to the possible effect of cosmic rays on the terrestrial climate
宇宙射线对气候变化的影响是一个持续的问题，也是一个重要的问题。至少在原则上，欧洲核子研究中心的云项目的最新结果提供了关于致电离粒子在“致敏”大气气溶胶中的作用的信息，这些气溶胶可能在以后产生云滴。我们的分析表明，虽然在云物理学中很重要，但这些结果并不能得出宇宙射线对大气云有显著影响的结论，至少如果H2SO4是大气中气溶胶的主要来源的话。最近对太阳高能粒子巨大事件后平流层气溶胶变化的研究进行的分析表明，类似的影响可以忽略不计。最近对宇宙射线强度的测量表明，以前随时间下降的趋势已经逆转。因此，即使宇宙射线增加了云的产生，也会有一个小的全球冷却，而不是变暖。
2013-08-23 physics.ao-ph
Instrumentation for atmospheric ion measurements
小离子是大气气溶胶光谱的一部分，离子-气溶胶相互作用的研究是大气物理学的基础。空气离子物理和仪器进行了审查，包括历史背景。本文介绍了一种用于离子测量的可现场操作的、可减小入口误差的可拆卸的Gerdien冷凝器。采用两种使用独立的电流和电压衰减测量的操作模式。本文还讨论了一种基于同样原理的更复杂的自校准和完全可编程离子迁移谱仪（PIMS）。通过对误差项的详细分析和新技术的应用，大大提高了系统的性能。自洽的实验方法，包括电离和离子浓度仪器，用于校准。在开发和表征的PIMS的各个组件，有利和不利的操作制度被确定：这种方法也可以应用于其他抽吸离子计数技术。使用精密的可编程静电计可以补偿泄漏项。已发现带电气溶胶粒子使离子测量复杂化。因此，传统的离子气溶胶理论，忽略了颗粒浓度，被认为是不完整的。多峰离子迁移谱也被发现影响仪器的操作。开发的新型可编程离子仪器，结合考虑离子迁移率谱产生一个改进的和灵活的方法，在原位大气离子测量。
2005-01-19 physics.ao-ph physics.geo-ph
Lightning declines over shipping lanes following regulation of fuel sulfur emissions
利用全球最繁忙航运航道在燃料硫法规实施前后的变化，研究发现航道闪电增强下降超40%，证明深对流云受海洋气溶胶数浓度分布影响。
2024-12-30 physics.ao-ph physics.geo-ph
Gibbs states and Brownian models for coexisting haze and cloud droplets
针对霾-云过渡区小型弱上升气流云难以测量且科勒理论无法处理大粒子群的问题，提出基于科勒理论的随机分析框架，通过竞争生长模型解释气溶胶与云滴相互作用，识别滞后机制并生成多模态分布，为相关研究提供新视角。
2024-11-27 nlin.CD physics.ao-ph
Turbulence is ineffective in causing raindrop growth in polluted clouds
Indian Institute of Technology Madras（印度马德拉斯理工学院）；Max Planck Institute for Chemistry（马克斯·普朗克化学研究所）；University of Toronto（多伦多大学）；National Atmospheric Research Laboratory（国家大气研究实验室）；Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究所）
该研究发现湍流在污染云中促进雨滴增长的效果取决于液滴尺寸分布的宽窄，指出需改进云微物理参数化以提高模型准确性。
2026-01-02 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Detecting anthropogenic cloud perturbations with deep learning
University of Oxford（牛津大学）
气候科学中最紧迫的问题之一是人为气溶胶对地球能量平衡的影响。气溶胶提供了形成云滴的“种子”，云可利用的气溶胶数量的变化可以改变其亮度和其他物理特性，如光学厚度和空间范围。云在调节全球温度方面发挥着关键作用，微小的扰动可能导致显着的冷却或变暖。这种影响的不确定性是如此之大，以至于目前还不知道它是否可以忽略不计，或者是否提供了足够大的冷却，以在很大程度上抵消目前二氧化碳造成的变暖。这项工作使用深度卷积神经网络来寻找由于人为气溶胶引起的云中的两种特殊扰动，并评估它们的性质和流行程度，为它们的气候影响提供有价值的见解。
2019-11-29 cs.CV cs.LG physics.ao-ph
Immersion freezing in particle-based aerosol-cloud microphysics: a probabilistic perspective on singular and time-dependent models
AGH University of Krakow（克拉科夫AGH科技大学）；University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；Goddard Institute for Space Studies, National Aeronautics and Space Administration（美国国家航空航天局戈达德太空研究所）；Stony Brook University（石溪大学）
本文探讨了浸入冻结过程在气溶胶-云相互作用中的作用，比较了奇异和时间依赖参数化方法在概率粒子基云微物理建模中的应用，分析了不同冷却速率对冻结分数的影响及稀疏冰核的存在对异质冰核化的重要性。
2024-10-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Tracking water vapor homogeneous nucleation and droplet growth with spectroscopy and holography in a free expansion cloud chamber
Princeton University（普林斯顿大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；High Meadows Environmental Institute（高地环境研究所）；University of Michigan（密歇根大学）；École Normale Supérieure de Paris（巴黎高等师范学院）；Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, NOAA（美国国家海洋和大气管理局地球流体动力学实验室）
本研究利用新型快速膨胀气溶胶室设施，通过可调激光吸收光谱和在线全息技术，追踪水汽均匀成核和液滴生长过程，发现成核阈值比约为S=5，并揭示湍流对液滴形成和生长的强烈影响。
2026-05-12 physics.ao-ph physics.chem-ph physics.flu-dyn
IPRT polarized radiative transfer model intercomparison project - Three-dimensional test cases (phase B)
最初未偏振的太阳辐射在地球大气层中散射后变成偏振的。特别地，分子散射使电磁辐射极化，但是气溶胶、云滴和冰晶处的辐射散射也极化。每种大气成分都产生一种特有的偏振信号，因此光谱偏振测量经常用于遥感气溶胶和云的特性。反演算法需要有效的辐射转移模型。通常，这些应用平面平行近似，假设大气层由水平均匀层组成。对于遥感应用，辐射被认为是恒定的仪器的瞬时视场和每个传感器元件被独立地处理在平面平行近似，忽略相邻像素之间的水平辐射传输。为了估计由于IPA近似引起的误差，需要三维（3D）矢量辐射转移模型。到目前为止，只有少数这样的模型存在。因此，国际辐射委员会（IRC）的国际偏振辐射转移（IPRT）工作组启动了一个模型相互比较项目，以便为偏振辐射转移提供基准结果。该小组已经对一维（1D）多层测试用例进行了相互比较（Emde等人，2015）。本文介绍了2D和3D测试用例的相互比较项目的延续：阶跃云，立方云，和一个更现实的情况下，包括三维云场产生的大涡模拟模式和典型的背景气溶胶。3D偏振辐射转移的常用基准结果可在IPRT网站（http：//www.meteo.physik.uni-muenchen.de/enquiprt）上获得。
2019-01-07 astro-ph.EP physics.ao-ph
