沙尘气溶胶对大气冰核浓度的影响及参数化方案的研究

Atmospheric aerosols as ice nucleation particles (INP) can affect the ice phase processes in the cloud, and thus affect the distribution of water content in the cloud, microphysical structure, rainfall capacity and radiation characteristics, so the study of INP characteristics is the foundation of the research of aerosol effect on cold cloud. Many studies have found that dust aerosol is a kind of effective atmospheric INP. In order to further study of dust aerosols on the influence of the concentration of atmospheric ice nucleation particles, measurements of INP and aerosol will be conducted in Xinjiang, northwest of China. The distribution of INP concentration under different weather background and the ice formation activity of the dust particles will be studied. A large number of observation data were used to improve the ice core concentration parameterization scheme. The results of this project will be incorporated into operational weather forecasting model and climate model to assess the impact of ice nuclei, and interactions between ice clouds and climate.

大气气溶胶作为冰核会影响到云体内的冰相过程，进而影响到云体内水成物的分布、微物理结构、降水能力和辐射特性，因此研究冰核浓度特征是我们研究气溶胶影响冷云过程的基础。已有很多研究发现沙尘是一种有效的大气冰核，为了深入研究沙尘气溶胶的成冰活性及其对大气冰核浓度的影响，本课题将通过在西北新疆地区进行大气冰核的采样分析，结合大气气溶胶和气象因子的观测，研究不同天气背景条件下大气冰核浓度的日变化、季节变化及沙尘气溶胶作为冰核时的成冰活性；并利用大量的观测数据来改进冰核浓度参数化方案。本课题研究将为我国区域天气、气候数值模拟和预报提供冰核参数化方案。

混合相云是中国大陆地区降水的主要来源。大气冰核粒子(INP)是云中冰晶形成的重要前提条件之一，对云的宏微观结构、光学特性和降水的形成起着关键作用。因此研究冰核浓度特征是我们研究气溶胶影响冷云过程的基础。已有很多研究发现沙尘是一种有效的大气冰核，为了深入研究沙尘气溶胶的成冰活性及其对大气冰核浓度的影响，本项目选择在我国西北中天山地区进行了大气冰核的采样与活化实验，并与我国其他不同背景地区的大气冰核观测结果进行对比；利用大量的观测数据改进了冰核浓度参数化方案。研究发现：（1）中天山地区的大气冰核浓度比20年前该地的观测结果高出1个量级；随着实验时活化温度的降低，过饱和度的增加，大气冰核浓度都是呈指数增加的趋势；中天山地区的大气冰核浓度与泰山山顶的冰核浓度量级相当，但是中天山地区的冰核表面活化点密度却比泰山的高出一个量级，说明天山地区的气溶胶粒子的成冰活性更高；通过不同季节的观测结果发现中天山地区夏季的冰核浓度明显高于秋冬季。（2）通过研究气溶胶与冰核浓度之间的关系，发现城市背景下的大气冰核浓度与大于0.5μm的气溶胶粒子数浓度之间存在较高的相关性，但是中天山地区及泰山山顶的观测结果显示当气溶胶粒径大于1.0μm时，冰核浓度与气溶胶浓度才呈现出一定的正相关关系。（3）通过比较泰山大气冰核与同时间气溶胶化学组分的相关性，发现山顶大气冰核浓度在白天与老化黑碳和矿物尘气溶胶有着较好的相关性，而在夜间，与有机碳和富钠钾类型的气溶胶有着较高的相关性，揭示了大气气溶胶化学成分的变化对大气冰核有着重要的影响。（4）将我国不同背景地区观测的大气冰核浓度进行对比分析，发现沙尘背景下大气冰核浓度最高，其次是城市背景，高山地区的大气冰核浓度最低；利用实测的大气冰核浓度数据，改进了冰核参数化方案。