基于飞机观测的华北地区气溶胶对云和降水影响的中尺度云分档模拟研究

Aerosols play an important role in the development of cloud and precipitation, while in China the bulk parameterizations are often used in numerical simulation, even in the bin parameterizations, the parameters adopted always lack of considering regional aerosol characteristics. This project focus on studying the following issues: (1) Develop the specific parameterization schemes of different pollution characteristics in North China region based on the aircraft measurement data in Beijing. The schemes to be developed include the vertical distribution of aerosol number concentration, aerosol spectrum, aerosol chemical composition, its soluble fraction and the number concentration of aerosol particles with diameter greater than 0.5um. 2.Couple the acquired parameterization scheme with the WRF-SBM. The number concentration of aerosol particles with diameter greater than 0.5um will be tracked in the model. The original ice nucleation scheme is also modified to a new one in which the nucleated ice crystals are directly linked to the large aerosol(D>0.5um) number concentration. Thus, a mesoscale cloud spectral-bin model with cloud droplet and ice crystal nucleation scheme characterized by North China regional characteristics will be developed. 3. Simulate the sensitivity of typical cloud precipitation in North China with the developed new model under different pollution levels. With the results, a discussion of the effect and its physical mechanism of aerosols are conducted on the cloud microphysical structure and precipitation during the evolution process of different cloud in North China.

气溶胶在云和降水形成中具有重要作用，但目前国内针对此问题的模拟研究多采用体积水云方案，即使在现有的分档方案研究中，相关气溶胶参数也较少考虑实际区域大气中气溶胶的具体特征。针对现有研究的不足，本项目拟研究以下内容：1.通过飞机探测获得能代表华北区域不同污染特征的气溶胶谱分布、数浓度、成分和可溶性粒子百分比以及大粒径气溶胶粒子（D>0.5微米）数浓度垂直分布的参数化方案。2. 将获得的参数化方案耦合到WRF-SBM分档模式中，并在模式中对大粒径气溶胶粒子（D>0.5微米）数浓度追踪计算，同时修改原模式中冰晶核化方程，使核化的冰晶数浓度与大粒径气溶胶粒子（D>0.5微米）数浓度相关，由此最终在中尺度云分档模式中建立符合华北区域特征的云滴与冰晶核化参数化方案。3.利用改进的模式对华北地区典型云降水过程进行不同污染状况的敏感性模拟，探讨在不同云系的演变过程中华北地区气溶胶对云和降水的影响特征及机制。

课题基于观测分别构建了北京地区气溶胶吸湿性参数（由气溶胶粒子化学成分决定）垂直分布、大气冰核温度谱以及大气冰核核化参数化方案。北京地区气溶胶吸湿性参数垂直分布表明在不同污染和湿度情况下，气溶胶吸湿性随高度变化特征差异显著。大气冰核温度谱表明在北京山区与城区核化的冰晶数浓度有明显差异；拟合的大气冰核核化参数化方案使核化的冰晶数浓度除了与温度相关以外还与粒径大于0.5um 的气溶胶数浓度直接相关。在WRF-SBM分档云方案中耦合观测得到的气溶胶与冰核参数化方案，并根据理论公式对模式中的气溶胶核化临界半径、核化的云滴粒径等进行计算，对模式的输入与输出程序重新编写，结合华北气溶胶谱型参数化方案，在WRF-SBM分档云方案中建立了符合华北区域特征的云滴与冰晶核化参数化方案。利用优化的WRF-SBM分档云方案对多个个例进行模拟，分析对比了不同气溶胶与冰核数浓度、不同气溶胶吸湿性参数以及不同冰核温度谱对云和降水发展影响及机制。研究表明：高相对湿度情况下会有更多小云滴核化，云滴数浓度增加，而雨滴、雪和霰的数浓度减少。耦合了实际观测的吸湿性参数后模拟效果与实际观测更加接近，改善模拟效果。北京山区由于生物气溶胶影响，导致山区低层云水减少，冰雪晶增多，而在高层，城区由于受污染气溶胶影响，城区高层的云水减少，冰雪晶增多。随着气溶胶浓度增多，云滴与低密度冰粒子含量均随之增大。而高密度冰粒子和雨滴则随着气溶胶的增多体现出先减少再增加的变化特征。随着气溶胶浓度的增加，降雨也呈现出先减弱后增加的变化特征。导致这种变化的机理是由于当气溶胶浓度很高时，少量大液滴出现打破了云系胶状稳定状态，加强了降雨。当气溶胶和冰核浓度均增大时，云中贝吉隆和云滴凝结增长过程最强，降雨最为显著，云水增多时，霰/冰雹粒径将更大。而当冰核浓度增多，霰/冰雹粒径减少。研究结果印证了人工防雹作业基本理论。