高污染区大气冰核活化参数化方法及对强降水影响的研究

Heavy rainfall processes are closely linked to the processes of ice phase (named as ice-crystal effect) in the cold clouds. Ice nuclei play a significant role in the development and formation of severe precipitation within a temperature warmer than -40 ℃ because the ice phase processes depend on the pristine ice crystals initialized by the heterogeneous nucleation. We will propose a new pamameterization for ice nuclei activation within high ice nuclei conditions based on the ice nuclei field observational data over the last five decades and the widely used ice nuclei activation pamameterizations in numerical models, and the new scheme will be coupled into the WRF model with Spectral Bin Microphysics (WRF-SBM). Based on the improved model, we will focus on the conversion among the hydrometeors (vapor, cloud water, rain water, cloud ice, snow, graupel, and hail) in a severe precipitation event which has been captured by ground-based radar, and the satellites of A-train (mainly including CloudSat and CALIPSO) and Fengyun (FY). The results will be used to learn the effects of high ice nuclei concentration on the development and formation of a severe precipitation. Based on the results, the parameterization for ice nuclei activation will be improved, and then improve severe precipitation forecasting within polluted conditions by a numerical model.

冷云中强降水的形成与冰相("贝杰隆")过程密切相关。当温度高于-40 ℃时，冰相过程依赖于冰核异质核化初始形成的冰晶，因而冰核对冷云强降水的启动和发展有着重要的作用。利用华北（北京及周边）地区1960-2013年的外场冰核观测资料，分析冰核浓度和活化谱特征，结合当前已有的多种冰核活化参数化方法，提出高浓度冰核背景条件下冰核的活化新方法。将新方法耦合到WRF-SBM分档模式中，利用改进后的模式，以华北地区有常规观测、地基雷达观测、A-Train系列卫星（主要是CloudSat、CALIPSO）探测、风云(FY)卫星观测等资料的实例作为研究对象，进行精细模拟，定量分析强降水过程中不同相态水物质（水汽、云水、雨水、云冰、雪晶、霰、雹）之间相互转换，揭示冰核对强降水粒子群的影响途径和量级，以便改进数值模式中冰核活化的参数化描述方法，提高数值模式对高污染区强降水的预报能力。

本项目搜集整理了1960-2015年华北地区外场试验观测的冰核观测数据，统计分析了冰核的特征，提出了高浓度冰核背景下新的冰核活化参数化方法。将新提出的冰核活化参数化方法耦合到WRF-SBM分档模式中，并利用改进后的模式进行了高分辨率理想个例和实例数值模拟试验。在本项目的资助下共发表相关学术论文9篇（第一资助7篇，第三资助1篇，第四资助1篇），其中SCI收录7篇，中文核心2篇。主要研究成果概述如下。.（1）收集整理了1960年以来华北地区外场冰核观测数据，形成了冰核数据集，统计分析了冰核的特征，并基于不同温度下观测的冰核浓度构建了冰核活化参数化表达式。自1960年以来，-20℃时冰核浓度增加了数倍，但冰核浓度-温度谱的斜率变化不明显。.（2）基于观测结果，改进了SBM分档方案中冰核活化的描述方法。冰核的活化可表示为. Nd = N0*exp(-b*△t) (1).其中N0和b是拟合参数。同时考虑到饱和度 对冰核活化的影响，新活化的冰核数 可表示为. dNd = bd*Nd*dSi (2).其中dSi = ∂Si/ ∂t + u*∂Si/ ∂x + v*∂Si/ ∂y + w*∂Si/ ∂z。根据冰核活化的温度，将形成的冰晶分为柱状、枝状和盘状。.（3）利用修改冰核活化描述后的SMB分档方案开展了数值模拟试验。结果表明冰核浓度变化对降水发生发展的影响与环境条件密切联系，尤其是水汽含量。当水汽含量增加后，降水量急剧增加；当水汽含量减少，降水量出现了一定量的减少。可以发现，水汽增加引起的降水量变化量远远大于水汽含量减少引起的降水量变化。此外，在高含水量的条件下，高冰核浓度促进了降水的形成，增加了降水量。总结而言，在高冰核浓度的背景下，水汽的增加引起的降水增加更明显。此结论有助于理解在高污染区出现的极端强降水过程。.此外，在研究过程中研发了双偏振雷达模拟器。利用该模拟器能够方便地将模式变量转换到双偏振雷达观测变量，为云微物理参数化方案的研究和数值模式评估提供有效的手段。