北京山区降雪云微物理特征及人工冰核对其影响的大涡模拟研究

Winter orographic clouds is a very important research topic in cloud and precipitation physics because it often comes with long time lasting supercooled water. At present, the research on orographic clouds in China is mainly aimed at the northwest area. The Alpine skiing games of 2022 Olympic Winter Games will be hold in Haituo Mountain in Beijing. The need of weather forecasting and snow enhancement urges us to analyze the microphysical characteristics of winter orographic clouds..The AgI seeding scheme will be coupled in the WRF Thompson aerosol-aware explicit cloud microphysical schemes. The vertical profile of CCN will also be changed. This project aims to find out the microphysical characteristics of winter orographic clouds based on a comprehensive field observation that combines aircraft measurement and ground measurement as well as the WRF-LES module. In this study, the ice nucleation process and ice crystal growth process after AgI seeding will also be discussed. The variation of microphysical characteristics and the amount of precipitation will be analysed.

冬季地形云是云降水物理关注的重要对象，目前国内针对地形云降雪的研究偏少。北京海坨山是2022年冬奥会雪上比赛场地，海拔最高2199米，对其进行研究不仅满足冬奥会气象保障的需要，更能进一步了解北京山区地形云降雪微物理特征。本项目拟借助空地一体的观测系统和耦合高分辨率地形的中尺度大涡数值模式（WRF-LES）对北京山区冬季降雪云微物理特征进行研究，模式采用能更好考虑雪晶特征和气溶胶影响过程的Thompson aerosol-aware云微物理方案,并根据飞机观测修改初始CCN廓线，以模拟更接近华北区域特征的降雪过程。综合探测和模拟结果，分析典型山区降雪天气的云微物理特征，包括冰雪晶的主要源区、山区地形对冰雪晶分布的影响，云中各种水成物之间的相互转换途径和量级等。在此基础上，通过在云微物理方案中耦合人工冰核核化过程，研究人工冰核对冰雪晶生成和增长的影响，分析云微物理特征和地面降雪的变化及机制等。

降雪是北京冬季的重要降水天气过程，目前对实例降雪形成的微物理机制的观测—模拟研究较少 。项目利用中尺度WRF模式结合外场观测资料，对北京2015年两次不同天气条件下的山区降雪云系的 微物理结构特征及降雪形成的微物理转化机制进行了分析研究，定量比较了云中水凝物含量的比例和 降雪形成机制的差异。研究结果表明：（1）由于两次降雪过程的天气形势和水汽输送有较大差异，导致降雪形成的微物理转化机制也出现较大差异。11月5日降雪第一阶段水汽输送较强，云中过冷水含量较高，云中不仅有冰晶、雪晶，还有云水和雨水的存在，降雪形成以凝华增长和凇附增长为主，地面表现为雨夹雪天气，而1月24日和11月5～6日第二阶段水汽输送弱，云中水凝物以冰晶和雪晶为主，降雪形成以凝华增长和聚并增长为主，地面表现为纯降雪天气。.在研究中发现，WRF模式自带的地形在中国区域精度较低（900m左右），项目利用嵌套的高分辨率WRF模拟山区降雪，辅以分辨率可以达到30m的高精度地形，模拟小海坨山地区降雪过程。.在此基础上，利用耦合了催化模块的WRF模式对2015年1月24日降雪过程进行催化大涡模拟。选择海坨山区域降雪开始阶段进行催化，播撒的AgI在催化后3小时影响海坨山，且分布在冰面饱和区，与雪晶的分布范围重合，影响持续6小时，对云系的降雪过程产生影响。到催化后9小时，催化剂扩散到海坨山以北区域。AgI通过可溶性部分核化成的云滴质量浓度在催化后4、5个小时对海坨山影响最大，海坨山地区捕获了AgI的云滴质量浓度也是在催化后4、5个小时最大。凝华核化、凝结核化和接触冻结核化3种成核机制形成的冰晶数浓度量级基本相当，就整个区域的冰晶数浓度柱含量而言，凝华核化的冰晶数浓度高值维持时间较长，凝结核化形成的冰晶数浓度最大值大于凝华核化和接触冻结核化，接触冻结核化形成的冰晶数浓度最大值减小较快。