大气环流模式层云和对流过程中混合云冰晶异质核化改进及其对东亚地区降水模拟的影响

In global climate models (GCMs), it is a great challenge to parameterize the heterogeneous ice nucleation in mixed-phase stratiform and convective clouds. Among these GCMs, FDAM of Center for Earth System Science (CESS) of Tsinghua University and the Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG (GAMIL) parameterized the heterogeneous ice nucleation in mixed-phase stratiform clouds following Meyers et al. (1992). This scheme predicts the nucleated ice number concentrations based an empirical relationship, only linking to temperature without considering the role of aerosols. For deep convection, these two models both utilize the version of Zhang-McFarlane scheme without considering microphysics. Therefore, the heterogeneous ice nucleation in convection is totally neglected. The main objective of this proposal is to develop a heterogeneous ice nucleation scheme used in both stratiform and convective clouds in FDAM and GAMIL. This new heterogeneous ice nucleation scheme is based on a classical-nucleation-theory (CNT) parameterization developed by Wang et al. (2014a, b), but with an improvement of taking ice nuclei scavenging into account in this proposal. Since the nucleated ice number concentrations predicted by the heterogeneous ice nucleation will affect precipitation from the mixed-phase clouds, its impacts on East Asia (large amounts of mixed-phase clouds exist) precipitation will be mainly studied.

目前大气环流模式对层云和对流过程中混合云冰晶异质核化过程的模拟存在很大的不足。其中，清华大学地学中心的FDAM和中国科学院大气物理研究所的GMAIL大气环流模式在层云过程中采用的混合云冰晶异质核化方案是Meyers et al.(1992)，该方案仅是基于观测资料经验拟合得到核化冰晶数浓度和温度的关系，并没有考虑气溶胶的影响。同时，这两个大气环流模式在积云对流中采用的参数化方案是没有微物理版本的Zhang-McFarlane方案，因此混合云的冰晶异质核化过程是完全未在积云对流中考虑的。本项目申请以Wang et al.(2014a,b)发展的基于经典冰晶异质核化理论的沙尘和黑碳冰晶异质核化参数化方案为基础，进一步考虑冰晶核化过程及其对气溶胶的清除效应。该参数化方案改进后，将接入中国这两个大气环流模式中，改进模式层云和对流中混合云冰晶异质核化过程。之后，项目将评估新方案对东亚降水影响。

原Wang et al.(2014)发展的基于经典冰晶异质核化理论的沙尘和黑碳冰晶异质核化参数化方案并没有考虑冰晶核化对气溶胶的清除效应。本项目改进了此方案考虑该效应，同时将其加入到层云和对流云微物理参数化方案中，在NCAR CAM5等三个模式中评估了其影响。其大幅提升了原模式低估的混合云中过冷却云滴所占比例，相比于大尺度环流场和浅对流卷出，冰晶核化对再现混合云过冷却云滴比例的四季变化至关重要。考虑了冰晶核化对气溶胶清除效应后进一步提升了模式模拟的混合云过冷却云滴所占比例，尤其是在高温区域，与观测更加接近。同时，在与多个最新的冰晶核化方案比较中，采用不同方案的模拟东亚地区降水并无明显区别，说明在东亚地区混合云冰晶核化并不是影响降水的重要过程。此外，项目还额外参数化了冰晶核化过程中的不确定性和评估了沙尘垂直廓线校正通过直接效应和间接效应（冰晶核化等）对辐射、地表气温以及云相态模拟的影响。分别发现：考虑参数不确定性后，冰晶能更有效地在高温区域形成，跟观测更加地接近；在撒哈拉区域通过沙尘垂直廓线的调整，在底层沙尘浓度增加，中高层浓度减少，通过短波和长波加热率变化，该区域地表气温降低和观测更加接近。通过该项目，形成了一套新冰晶异质核化参数化方案程序源代码、发表了SCI文章、同时，NCAR的CAM6已经将原Wang et al.（2014）方案作为默认方案，参与到CMIP6中。因此，项目的完成对提升中国全球气候模式性能有积极意义。