多种设备联合探测资料研究青藏高原对流云的微物理参数化方案

Convective cloud systems over the Tibetan Plateau (TP) are generally connected with the regional weather and even global climate subsystems. So it is quite important in the field of research on the Plateau. However, the studies about microphysical evolution mechanisms for TP convective clouds are still very scarce. There is still not a suitable microphysics parameterization scheme under the unique thermal dynamic and water vapor conditions so far, and the performance of rainfall simulation over the plateau region is also poor. Accordingly, this project will employ a variety of devices observation data along with the Chinese Academy of Meteorological Sciences (CAMS) two-moment microphysics scheme simulations, calculate the cloud-rain conversion efficiency of TP convective clouds in their whole evolution processes, evaluate and establish a more suitable microphysical parameterization scheme to TP. In addition, we attempt to clarify the direct effects of cloud water to rain, supercooled water riming, ice nucleation, and latent heat on the development of convective clouds, and investigate the feedback mechanisms of these microphysical processes to the evolution of clouds. The results will provide us a new idea on understanding about the microphysical evolution mechanisms of convective clouds, and are expected to promote the ability to simulate convective precipitation over TP.

青藏高原对流云系是联系区域天气乃至全球气候各子系统的纽带，在高原科学问题的研究中占有特殊重要的位置。然而，目前针对高原对流云内部微物理机制的研究还十分缺乏，更还没有一个适用于高原特有环境条件下的对流云微物理参数化方案，对高原地区的降水模拟也较差。因此，本项目提出利用之前从未在青藏高原使用过的多种新型设备联合探测资料及中国气象科学研究院（CAMS）双参数云微物理方案，分析高原对流云在发展演变全过程的云雨水转换效率；评估、改进方案中的雨滴谱参数及与雪/霰有关的微物理过程，建立一个较适用于高原对流云的微物理参数化方案；并在此基础上，阐明云雨水转化、过冷水淞附、冰晶核化、相变潜热等微物理过程在对流云发展演变中的直接作用，探讨其通过影响云中水汽、云水/过冷云水而导致其他微物理过程改变的间接反馈作用。该成果有望成为揭示对流云演变机理的一种新解释，并期待能对高原对流云降水模式的进一步发展起到推动作用。

青藏高原特殊的地形及热动力条件致使高原对流云活动频发。由于云微物理过程本身的复杂性，加之高原环境的特殊性，针对高原对流云微物理特征及演变机制的研究还十分缺乏，更没有一个适用于高原环境下的对流云微物理参数化方案，对高原地区的降水模拟也较差。本项目利用第三次青藏高原大气科学试验期间的云降水综合观测资料，分析了高原对流云发展演变全过程的云微物理特征。通过中国气象科学研究院（CAMS）云微物理方案与WRF耦合模式（WRF-CAMS），比较了模拟的雷达反射率与云雷达、偏振雷达探测，评估了WRF-CAMS模式模拟的有效性。通过敏感性试验，改进并获得了一个较适用于高原特有环境的对流云微物理参数化方案。利用改进方案分析了不同云微物理过程在对流云形成发展中的作用，探究了高原对流云降水发展演变的内部微物理机制。.结果发现：高原弱对流云降水虽然以冰云过程为主，但暖雨过程亦十分重要，尤其在降水中心，其贡献甚至超过冷雨过程。增大云滴凝结率，将导致降水率显著增加，暗示云滴凝结在弱对流降水中的关键作用。改进的WRF-CAMS云微物理方案的高分辨率（600米）模拟指出：高原对流云中的过冷水含量丰富，冰晶的支配过程为冰晶凝华及冰雪自动转化，凇附过冷云水是雪/霰粒子最重要的增长方式，霰粒子的重力沉降及融化过程决定了地面的降雨，而雪融化的贡献非常小。在高原对流发生前期，云中水汽主要来自地面的蒸发，并会出现水汽的自循环过程，而在对流发展时期，总水汽通量辐合支配着云中的凝结、凝华过程。该研究成果一定程度上促进了高原对流云微物理模式的发展，提升了人们对高原对流云微物理演变机理的认识。