基于分档云微物理方案的对流云-气溶胶相互作用模拟研究

The interactions between aerosols, convective cloud, and precipitation have been one of the most focused question in the field of atmospheric science. However, further in-depth study of this question is still necessary due to the complicated feedback between cloud dynamics and microphysics. Aerosols may enhance or suppress the convection, and also may increase or decrease precipitation under different atmospheric conditions; on the other hand, the convective transport and cloud processing impact the vertical distribution of aerosols. For deep convection, large amount of supercooled liquid water content dominants the aerosol effects, which depends on the transport of liquid drops from warm to cold environment, but the relevant studies are very few. The proposed project will focus on the aerosol-deep convection interactions using numerical models with spectra-bin microphysics and considering impaction scavenging of aerosol particles by hydrometeors, aerosol regeneration following complete evaporation or sublimation of hydrometeors. The objectives of the proposed projects are the follows: 1) to compare the upward and downward vertical cloud mass fluxes between clean and polluted conditions and to understand how aerosols affect the onset and developing of precipitation through changing convective strength and mobility of hydrometeors; 2) to analyze the impacts of convective transport and cloud processing on aerosol concentration and size distribution at upper troposphere; 3) to determine the relative contributions among convective cells with different sizes and convective strength using 3D cloud tracking algorithm, in order to elucidate the connections between deep convective clouds disturbed by low-level emission and aerosol vertical distributions. This study will be a significant contribution to further understanding the interactions between aerosols and deep convective clouds.

气溶胶-对流云-降水相互作用是大气科学领域的热点问题，但是由于云动力和微物理过程之间复杂的非线性相互作用，对该问题的理解还很有限。不同大气条件下气溶胶可能促进或抑制对流，也可能增加或减少降水；对流输送和云过程又反过来影响气溶胶的垂直分布。对于深对流云，过冷水的多少是决定气溶胶效应的关键因素之一，这取决于液水从暖云区到冷云区的输送，但是这方面的研究较少。本项目将使用带有详细谱分档云微物理方案的数值模式，耦合气溶胶湿清除和再生过程，研究清洁和污染条件向上和向下垂直云质量通量的变化，理解气溶胶通过改变对流强度和水凝物粒子的移动速度影响降水发生发展的机制；研究受到气溶胶扰动影响的对流过程和云过程对对流层上层气溶胶尺度分布的影响；结合三维云追踪技术确定云场内不同大小和强度的对流云胞对垂直输送的相对贡献，揭示低层污染对气溶胶垂直分布的影响。本研究对于深入理解气溶胶与深对流云相互作用具有重要的理论意义。

本项目使用带有详细分档微物理方案的中尺度模式（WRF-SBM）研究了气溶胶对理想深对流单体和中尺度对流系统（MCS）对流强度和水凝物粒子可移动性的影响，并研究了对流云过程对大气成分垂直分布的影响。结果发现：（1）液相和混合相过程在气溶胶影响深对流云过程中起关键作用，云凝结核（CCN）浓度增加引起液相和混合相格点垂直速度增加，水凝物粒子群平均有效下落末速度减小，二者的共同作用导致粒子群重力中心位移速度增加，水凝物粒子随上升气流快速向上输送，因而导致向上的云质量通量增加，对流层中高层云体质量的增加。其中，混合相态水凝物粒子群所在的上升气流核心区是深对流云发展的主要驱动力。混合相云体占深对流云体积的比例小于10 %，但主导了6-10 km高度范围内绝大部分的云质量向上输送。使用三维云追踪算法对MCS云场中对流云单体的分析也发现了类似的气溶胶促进对流发展的结果。（2）对于不同的风切变条件下发展起来的MCS，气溶胶都促进了对流核心区的发展，增加强降水发生频率，增大累积雨量和平均雨强。同时，深对流云和层状云/云砧发生频率增加，而浅云的发生频率减小。CCN通过增强凝结潜热的释放促进8 km以下对流的发展。在8 km高度之上，垂直气压扰动梯度力的减小导致对流受到抑制。（3）较高的CCN浓度产生较大的过冷水含量，并且更加有效地促进冰雹增长，从而导致较大的冰雹数浓度和质量浓度。但是，较高的冰核（IN）浓度导致冰晶数量增加，减少霰粒的平均尺度并抑制冰雹的形成和增长。对冰雹可移动性的分析发现，CCN浓度的增加导致大冰雹发生频率升高。（4）在对流发展过程中，近地层降水区气溶胶显著减少，飑线发展前沿的非降水区由于动力输送作用出现高污染区。气溶胶垂直分布的变化是动力输送、湿清除过程和水凝物粒子蒸发再生共同作用的结果。云滴核化过程对吸湿性核的清除率最高，液相和冰相粒子对气溶胶的碰撞清除率次之。蒸发再生过程主要作用在地面至10 km高度。本项目研究结果对于深入理解气溶胶-深对流云相互作用具有重要的理论意义。