华南地区典型灾害性天气的关键物理化学过程及其相互作用

Aerosols in polluted air act as cloud condensation nuclei, or ice nuclei, forming cloud and fog, and affecting rainfall amount or frequency. This is known as the aerosol indirect effect, or aerosol and cloud interaction. The ability of aerosols to act as cloud condensation nuclei depends on many factors, including meteorological conditions, aerosol size, and chemical composition. These factors also influence microphysical processes in cloud. However, the actual mixing state of aerosols in cloud is complex, and may be rapidly altered through physical and chemical atmospheric transformations. Here, a coupled mesoscale atmospheric modeling system, including aerosol and atmospheric chemistry, and cloud microphysics is used to simulate typical disaster weather events in the South China. This study examines weather events and emission sources in the South China. We use this system to carry out sensitivity tests to identify the critical chemical processes involved in the formation and depression of weather events. Cloud microphysical processes of weather events also are calculated and compared. Our study provides a deeper understanding of the interaction between aerosols and weather, as well as how atmospheric pollution and its related chemical processes affect the microphysical characteristics of weather. Such data will enhance the accuracy and scope of numerical predictions for air quality and extreme weather events.

大气污染所致的气溶胶可以充当云凝结核或冰核，参与到云的形成过程中并影响降水， 这称为气溶胶的间接效应或气溶胶与云的相互作用。云凝结核或冰核的活化能力与气象条件和大气气溶胶粒子形状大小以及大气气溶胶的化学成分有关，并进而会影响到云中的微物理过程。然而实际大气的云内情况非常复杂，大气化学反应和云微物理过程同时快速地进行并且相互起作用。本项目采用一个包括云微物理与气溶胶化学以及大气化学过程的中尺度模式用于华南地区的典型灾害性天气个例数值模拟。模拟试验考虑华南地区的不同天气过程、不同排放源等的影响，并主要针对大气化学过程做批量敏感性试验，对比模拟分析这些化学过程对灾害性天气的作用，同时计算出灾害性天气的云微物理过程并作比较。旨在研究影响灾害性天气的关键云微物理过程和关键大气化学过程及其相互作用。本项目将有助于理解大气污染与天气气候的相互作用，为提高空气质量预报和天气预报的准确率提供重要的科学依据。

本项目围绕着华南地区典型灾害性天气的关键物理化学过程及其相互作用进行数值模拟研究。所发表的学术论文围绕着华南地区典型灾害性天气的关键物理化学过程及其相互作用进行数值模拟研究。对比生物质燃烧排放源、人为排放源、自然排放源的结果，在降水过程中均有抑制的作用，对于对流的发生有推迟效应，并且使得降水的分布更趋于集中。气相化学方案的选择，相比于RADM2方案，CBMZ方案模拟的降水中心地面温度偏低，相对湿度偏高，污染物浓度偏低，降水强度偏强。当气溶胶数量尺度分布的标准差增加，在8km高度上，冰晶核化和凝华速率增加，冰晶收集云滴和雨滴冻结过程增强，导致冰晶有效半径增大。当降低硫酸转化为硫酸盐气溶胶的核化速率Jnuc，积聚模态硫酸盐气溶胶的质量浓度几乎在所有时间和所有高度上都增加，由于在降水发展阶段 4~8 km 高度上更多硫酸盐气溶胶吸湿、凝结增长消耗更多水汽，故在降水极值阶段水汽减少，导致凝结和凝华过程减弱，雨滴和冰晶生成量减少，冰晶融化和雨滴收集云滴过程减弱，最终冷雨和暖雨的生成速率减弱造成地面降水减少。 对比低气溶胶排放情景，高浓度气溶胶排放情景下的气溶胶活化凝结形成数量和质量浓度更大、但有效半径更小的云滴，大量水汽被消耗，云滴和雨滴的碰并效率和雨滴凝结速率降低，造成区域平均降水和对流受到抑制，在水平分布上降水极值受到抑制且空间分布更加集中。气溶胶的间接效应比气溶胶的直接效应更为显著。然而，对降雨过程有明显不同的作用。直接效应主要对雨水的形成起积极作用，而间接效应可抑制降水强度的增加，有助于维持降水。在相同的云微物理方案下，使用 MOSAIC（八个分档）气溶胶方案模拟的两个试验拥有更高的气溶胶浓度、云凝结核数量和云水混合比，发生强降水区域的面积比使用MADE/SORGAM 方案的两个试验分别高 40%和 50%。 通过本基金项目的研究，进一步提高了华南地区典型灾害性天气的关键物理化学过程及其相互作用的认识。