冰核气溶胶对京津冀区域混合云降水影响的在线数值模拟研究

As the main precipitation type in the beijing-tianjin-hebei（BTH）region, the formation process and mechanism of mixed cloud precipitation need to be studied and discussed. The formation of ice crystal particles and their effects on mixed cloud precipitation are the key points need to be further studied. As the atmospheric ice nuclei, aerosols will affect the formation of ice crystals, then affecting the formation of mixed clouds and their precipitation. It is of great scientific significance to study the effect of aerosol as ice nuclei on the mixed cloud precipitation in BTH region. In this project, we plan to add the ice nucleation process in WRF-Chem model, which only consider aerosol as cloud condensation nuclei to participate in the microphysical process originally. Based on the sensitive numerical experiments of the precipitation process of the BTH mixed cloud by use the modified model, the effects of aerosol as ice nuclei on the macro and micro physical quantities of the mixed cloud precipitation process in BTH area were analyzed. Finally, combining the observational data and simulation results, the influential mechanism are summarized in order to provide a scientific basis for the regional model prediction and artificial weather modification service on mixed cloud.

混合云降水作为京津冀地区的主要降水类型，其形成过程和机制需要进行深入的研究和探讨。冰晶粒子的形成及其对混合云降水的影响是目前需要更进一步研究的重点，而气溶胶作为大气冰核将影响冰晶的形成，进而影响混合云及其降水的形成。因此，研究气溶胶作为冰核对京津冀地区混合云降水的影响具有重要的科学意义。本项目拟在原本仅考虑气溶胶作为凝结核参与云物理过程的WRF-Chem模式中，增加气溶胶作为冰核的核化过程，并将其与云物理过程结合，实现模式的气溶胶-冰核-云物理过程模拟。使用改进后的模式模拟京津冀混合云降水过程，分析气溶胶作为冰核对京津冀区域混合云降水过程宏微观物理量的影响。最后综合观测事实和数值模拟结果,总结归纳冰核气溶胶对京津冀区域混合云降水影响的物理机制，以期能够为提高区域模式预报准确性以及人工影响混合云降水工作提供一定的科学依据。

本项研究在WRF-Chem 模式基础上进行了修改，增加化学模块生成的气溶胶作为冰核的参数化计算过程，并将其与云物理过程耦合，形成气溶胶-冰晶-云物理过程的在线耦合模拟工具。采用改进的模式模拟研究气溶胶作为冰核对京津冀地区混合云发展过程及其降水的影响。这有利于研究京津冀地区气溶胶背景条件下混合云降水形成的物理机制，了解该区域气溶胶如何作为冰核参与混合云及其降水形成的过程。.本研究针对华北区域典型的积层混合云降水进行的模拟分析发现，添加了冰核参数方案后，云发展的微物理过程发生了变化，冰核的存在使得过冷水被消耗而形成了霰粒子，从而增加了云中冰相物质含量，而这些物质降落最终导致降水量和降水强度有所增加。此外，利用长期卫星AOD和地面降水数据结合模拟分析，均显示山区受平原地区大气污染影响，各降水强度均在大气污染增强时有所降低，而在大气污染有所改善后有所增加。分析表明，在水汽供应充足的情况下，大气污染增强导致气溶胶颗粒增加，使得平原地区各种云水物质的数量和质量均有所增加，从而增加了一定时间内空中云水总量，最终更易形成较强的降水落到地面。但由于气溶胶在平原地区被消耗，最终传输到山区的气溶胶有所减少，导致了山区云凝结核和冰核减少的情况下使得降水减少。.本研究将部分冰核参数化方案加入到该区域模式中，实现气溶胶冰晶核化并参与云物理过程的在线耦合，使模式对于混合云与冰云的降水过程的模拟更加科学合理。通过对华北典型降水过程的模拟，分析了气溶胶作为冰核对降水过程的云形成中的微物理特性，这为更加清晰的认识云的形成发展过程提供了数据，同时也为目前存在的数值预报模式提供了可改进的方向。