深对流卷云砧的云水来源和微物理特征的数值模拟及在气候模式中参数化的改进

利用三维的云分辨模式对热带地区的深对流系统进行细致模拟分析，改进气候模式中的深对流及其对高层云量的影响的参数化。着重试验和分析由强对流生成的卷云砧的演变和生命期、对云量的影响以及这些与对流系统本身特性和大尺度环境变量之间的可能关系，用前向和后向轨迹计算法对卷云砧的云水的来源和微物理特征进行分析，同时还对上升气流的质量通量、夹卷率、卷出率等进行计算分析，寻找它们与环境变量之间的关系。将新发现引入到气候模式的对流参数化和云量参数化方案中，并进行初步测试。本研究通过寻找卷云砧的形成和演变过程与深对流系统本身、大尺度环境变量的关系来改进和提高气候模式中的深对流参数化，从而提高气候模式预测未来气候变化的准确度。

云在地球的气候系统中扮演了重要的角色，可以影响地球大气的水循环和辐射能量的平衡。如何准确地代表深对流及有关的云对大气的影响，可以说是地球科学中有待解决的最复杂的科学问题之一。本项目揭示了热带深对流系统降水的雨水微物理收支特征，提出了一个基于液水路径和冰水路径阈值划分对流-层状降水的新方案。采用华南前汛期暴雨个例分析了对流系统中水云辐射和垂直风切变的作用，对云冰沉降增长估计及其参数化方案进行了比较研究。使用高分辨率的WRFV3.4.1模式对TWP-ICE试验期间的一次对流过程进行了数值模拟，指出了深对流系统的拉格朗日输送轨迹特征及对卷云砧的影响，在条件不稳定层顶上下便有水凝物被输送出对流系统。这一结果更加贴近实际情况，但与以质量通量参数为基础的对流参数化方案假设并不相同，说明现有的对流参数化方案高估了对流系统对对流层高层的水汽贡献。水凝物输送轨迹主要沿环境引导气流方向，其最远距离可到达200~300 km，并对50~150 km附近的云砧区影响最大。对流系统中的水凝物对该区域云砧形成影响的时间尺度约为4~6小时，其中大约10~20%的水凝物对云砧的形成及发展做出了贡献。而对于那些初始位置较低的水凝物，因受到低层风场扰动的影响，少部分水凝物也出现了向对流系统上游（引导气流反方向）输送的情形。最后研究了CAM模式对流参数化方案在气候模式模拟高层云的作用。对高分辨率WRF模拟结果得到具有不同上升气流顶高度的上升气流质量通量进行诊断分析。WRF-CRM得到的上升气流质量通量的极大值位于条件不稳定层顶以下。在条件不稳定层顶以上，上升气流质量通量随高度减小。说明有水凝物物质在条件不稳定层顶上下便被卷夹或输送到环境空气中。上升气流质量通量随高度一直增加至上升气流顶，这就导致在相同的质量通量极值的情况下，会有更多的水凝物物质被输送到对流层高层。项目执行3年以来，共发表了论文37篇（其中SCI论文13篇）。参与了一本英文专著其中一章的写作。获得了5项奖励和荣誉称号。项目组成员先后赴日本名古屋大学和美国西雅图参加了国际学术会议，作了口头报告。培养毕业研究生11人，其中博士生2人，硕士人9人。其研究结果对于寻找卷云砧的微物理特性、演变过程和与深对流系统本身、环境变量的关系，从而提高气候模式预测未来全球和中国区域气候变化的准确度具有重要的科学意义和应用前景。