基于分档云物理过程的中尺度模式对气溶胶影响冰雹生长机理研究

Aerosols can participate into cloud formation and development via acting as cloud condensation nuclei (CCN) and ice nuclei (IN), which could influence the growth of hailstone through affecting liquid and ice phase microphysics. But the progress in understand the effects of IN on the characteristics of hailstorms has remained limited due to the recent development of parameterization of heterogeneous ice nucleation. In this project, the effects of aerosols as CCN and IN on the formation and growth of hailstones will be investigated using the the Weather Research and Forecasting model coupled with a Spectral Bin Microphysics (WRF-SBM). A heterogeneous ice nucleation parameterization that links aerosols with ice formation will be incorporated into WRF-SBM, which will be used to explore the effects of aerosols acting as both CCN and IN on convections, liquid and supercooled water content, the dry and wet growth of hailstone, i.e., riming and accretion, as well as size and spatial distribution of hailstone at surface. The different roles of CCN and IN on the hailstone formation and growth will be compared, as well as their responses to different atmospheric environments from clean to polluted conditions. Based on the above analysis, the distinct environmental moisture conditions over northern and southern parts of China with high hail frequencies will be considered to investigate the responses of aerosol effects on hail growth and hailstorm strength to changes of water vapor mixing ratio. The results will be helpful to improve our understanding on the possible impacts of anthropogenic aerosol on the occurrences of severe local weather events such as hailstorms.

气溶胶可作为云凝结核（CCN）或冰核（IN）参与冰雹云的形成和发展过程，通过改变液相和冰相微物理过程影响冰雹生长过程，但由于考虑IN影响的冰相异质核化方案近几年才受到较多关注，因而对IN影响冰雹云发展的研究较少。本项目将使用带有详细谱分档微物理方案的WRF模式（WRF-SBM），研究气溶胶作为CCN和IN影响冰雹形成和生长的机理；将考虑IN特性的冰相异质核化方案引入WRF-SBM模式，研究CCN和IN共同作用对冰雹云对流强度、云中液水含量和过冷水累积区、冰雹的淞附碰并等干湿增长过程以及降雹强度和空间分布的影响；研究CCN和IN在冰雹形成和生长过程中各自起到的作用及其对大气污染状况的响应；基于以上研究，考虑我国南北方冰雹高发区不同大气湿度条件，获得CCN和IN影响冰雹生长和雹暴强度对水汽条件变化的响应。所得结果有助于认识人类活动引起的污染物排放增加对冰雹这种局地极端天气事件发生的可能影响。

气溶胶对冰雹云等深对流系统的宏微观过程、辐射收支以及降水分布具有重要的影响，深入研究气溶胶间接效应对降低气候预测的不确定性具有重要意义。但由于观测资料的缺乏，我们对深对流云中冰相微物理过程的理解还非常有限，特别是冰晶的异质核化过程。本项目结合最近几年观测的冰晶成核数据和参数化公式，将考虑气溶胶作为冰核的冰相异质核化方案加入带有详细谱分档微物理方案的中尺度WRF模式，改进模式并验证了模式的可靠性。使用改进后的模式研究了气溶胶作为云凝结核（CCN）和冰核（IN）对冰雹云微物理过程和宏观特征的影响。结果发现：（1）CCN浓度增加导致云滴数浓度和云水含量显著增加，水汽凝结和液滴淞附过程增强，潜热释放增加，同时大量小云滴的存在导致蒸发作用增强，对流层中下部最大垂直气流速度增加；IN浓度增加基本不影响暖云过程，冰晶数浓度显著增加，水汽凝华过程增强，对流层上层最大垂直速度增加。CCN浓度增加引起过冷水含量增加，促进冰雹的增长过程，冰雹数浓度和质量浓度升高；而IN浓度增加减小霰粒平均尺度，抑制冰雹的生成和增长过程。（2）水汽条件和风切变对对流系统本身以及气溶胶效应产生重要影响。不同高度存在的强风切变导致中尺度对流系统发展强度和降水分布的变化。不同大气湿度条件下，CCN和IN对对流核心区平均垂直速度的影响不同。对于CCN，在干燥大气条件下，由于蒸发作用较强，CCN引起平均垂直速度减小，而在湿润条件下，CCN导致垂直速度增大。对于IN，不同湿度条件下都引起垂直速度的增加，即CCN效应对湿度条件更加敏感。不同水汽条件下，CCN和IN对冰雹生长过程的影响较为一致，即CCN促进冰雹生长，而IN抑制其生长过程。（3）暖云过程在气溶胶作为CCN影响深对流云系统中起到重要作用。湿润大气条件下，CCN浓度增加引起垂直速度增强，同时云滴尺度减小因而云滴的可移动性增加，二者的综合作用导致污染条件下液水更加有效的向上输送，冻结层高度以上过冷水含量增加，进而显著影响冰相粒子的增长过程。

内容获取失败，请点击重试