改进WRF-Chem中的冰核活化方案并研究冰核对强降水对流云的影响

The effect of aerosols on deep convective clouds is an important component of the changes in weather and climate. However, the role aerosols play as ice nuclei in deep convective clouds is still poorly understood. The ice nucleation schemes are usually not related to aerosol properties, even though ice nucleation is affected by aerosols. In this project, we will implement the Phillips ice nucleation scheme into the Morrison microphysics scheme in WRF-Chem. The Phillips scheme is based on measurements in the real atmosphere, and is related to aerosol type and surface area. Using the model with Phillips parameterization, we will simulate a deep convection case, and evaluate the model against ground based and satellite observations. Based on the evaluation results, we will further improve the Phillips parameterization using in situ ice nuclei observations in China. Trough sensitivity tests, we will investigate the effect of ice nuclei on cloud microphysics by changing the distribution and evolution of cloud hydrometers, and the importance of different microphysical processes. We will also investigate the effect of ice nuclei on updraft and downdraft by the release of latent heat, as well as the effect on homogeneous freezing. We will look at these effects at different stages of cloud development. Through this project, we will develop an ice nucleation parameterization that’s suitable for the atmospheric environment in China, and advance the understanding of the role ice nuclei play in deep convective clouds.

气溶胶对强降水对流云的影响是天气气候变化的重要组成部分。然而，至今人们对气溶胶作为冰核在其中的影响了解仍十分有限。冰核活化过程与气溶胶性质相关，但在已有的研究中，却往往没有与气溶胶的性质联系起来。本项目将在WRF-Chem模式中的Morrison微物理方案中耦合Phillips冰核活化方案。该方案基于实际大气中的冰核观测，且考虑了气溶胶组份和表面积的影响。使用耦合后的模式模拟强降水对流云个例，并参照地面观测和卫星反演数据等对模拟结果进行评估。根据评估结果，参照中国地区的冰核观测对Phillips冰核活化方案进行改进。通过敏感实验，分析在对流发展的不同阶段，冰核对微物理过程的影响；分析不同微物理过程的对降水形成的重要性；分析冰核通过潜热释放对垂直速度分布，及对高层同质核化的影响。本项目拟得到一个适用于中国大气环境的考虑气溶胶影响的冰核活化方案，并加深对冰核影响强降水对流云的物理机制的理解。

气溶胶对降水的影响是天气气候变化的重要组成部分。气溶胶可以通过影响辐射，或作为云滴和冰晶的凝结核来影响成云降雨过程。其中，人们对气溶胶作为冰核的影响了解尤为有限。在已有的研究中，模式中的冰核往往没有与气溶胶的性质联系起来。本项目在WRF-Chem模式中耦合了一个新的与气溶胶性质有关的冰核活化方案，使其能够响应气溶胶的时空变化。发展后的模式能够更全面的反应气溶胶对辐射，云凝结核，和冰核的影响。使用耦合后的模式对华南地区的一个暖季降水个例进行了精细模拟，并与观测数据对比验证了模式模拟结果的合理性。通过敏感实验分析了气溶胶在此次降水中的整体作用和作为冰核的作用。此外，进行了中国东部一个暖季的长时间模拟及敏感实验，在更大的时空尺度上分析了气溶胶对降水强度和日变化的影响及区域差别。在本项目的资助下共发表相关学术论文6篇，均为SCI收录论文，并5次参加国内外学术交流活动。本项目的主要研究成果概述如下：.(1)本项目发展了WRF-Chem模式，改进了其中的冰核活化参数化方案使其与气溶胶性质相关，发展后的模式能够更全面的反应气溶胶对辐射，云凝结核，和冰核的影响，且对降水的模拟结果优于原模式。.(2)使用改进后的模式对发生在广州的一个暖季降水个例进行了精细模拟，并与观测数据对比验证了模式对降水和气溶胶模拟的合理性。通过污染与清洁情况的敏感实验，分析了气溶胶在此次降水中的整体作用。揭示了在对流发展的初始阶段气溶胶对降水的抑制作用，以及在中后期气溶胶通过潜热释放加强云中垂直速度，导致降水增加的作用。揭示了雪和霰的融化是使后期降水增强的重要微物理过程。.(3)当使用与气溶胶不相关的冰核活化方案时，污染情况与清洁情况的冰相降水的差别减小，导致污染情况下降水增加减少，说明考虑气溶胶对冰核的影响有利于模拟出实际降水强度演变过程。.(4)暖季长期实验的结果表明，考虑气溶胶的影响有助于暖季平均降水强度的模拟，以及在部分区域的降水日变化的模拟。但也揭示了气溶胶的影响在不同区域的复杂性。未来有必要对不同的区域分别通过个例模拟进行研究。.此项目的研究结果加深了对于气溶胶在暖季降水系统中的作用的理解，证明了考虑气溶胶的影响，尤其是作为冰核的影响有助于模拟真实的降水发展过程。

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