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目 录

1 引言 4

2 个例及模式介绍 5

2.1 个例介绍 5

2.2 模式介绍 9

2.2.1 DeMott等（2010）冰相异质核化方案 9

2.2.2 Jiang等（2014）冰相核化方案 9

2.2.3 初始条件设置 9

2.2.4 试验设置 10

3 结果分析 10

3.1 地面降水分析 10

3.2 微物理量分析 12

3.2.1 云滴 12

3.2.2 雨滴 14

3.2.3 冰晶 15

3.2.4 雪 16

3.2.5 霰 18

3.3 水成物粒子源汇项及其微物理过程转化率 19

3.3.1 雨滴的源汇项及其微物理过程转化率 19

3.3.2 雪晶的源汇项及其微物理过程转化率 20

3.3.3 霰的源汇项及其微物理过程转化率 21

4 结论 22

参考文献 23

致谢 25

气溶胶作为冰核对云和降水的影响

李文博

,China

Abstract: Will DeMott, (2010) proposed of different quality ice phase nuclear of parameter of programme and Jiang, (2014) get of parameter of programme introduced WRF mode in the of Morrison micro-physical programme, in dust conditions Xia, simulation has Xinjiang Aksu prefecture a times more monomer type strong convection storm, respectively will improved different quality ice phase nuclear of programme Hou of simulation results and actual observation results compared, analysis simulation regional average water into real particles of quality concentration and several concentration at any time between of changes, Aerosol as ice under different parameterization schemes check cloud and precipitation effects. Results show that precipitation, DeMott (2010) program's total rainfall greater than Jiang (2014) programme. Water particle mass concentrations, and concentrations of each size to change two parameters. Sinks, rain primarily for melting sleet, snow crystals are mainly snow touch frozen raindrops touch and transform into snow, graupel mainly sleet touch and supercooled raindrops.

Key word: aerosol; ice nucleus; WRF model

1 引言

大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固态和液态微粒共同组成的多相体系。气溶胶可通过吸收和散射太阳辐射直接影响地-气系统的辐射平衡，也可以作为云凝结核(Cloud Condensation Nuclei, 简称CCN)、巨凝结核(Giant Cloud Condensation Nuclei, 简称GCCN)或冰核(Ice Nuclei, 简称IN)影响云的光学特性和微物理特性，以及云的寿命和降水的形成，并因此能够间接地影响天气和气候。

大气中的云凝结核（CCN）影响暖云降水过程并间接影响冷云降水过程，冰核（IN）直接影响冷云降水过程，同时两者之间存在相互影响。对于巨凝结核（GCCN）而言，巨凝结核对于云的发展和降水的形成具有重要的影响。早期研究表明巨凝结核在降水的形成中可以充当理想的碰并胚胎，使得云在发展初期产生大液滴，影响云中的碰并过程 ^[1]。由Kohler方程可知当凝结核完全溶解形成巨凝结核时，会使产生的大液滴可以在未达到临界大小的情况下就产生碰并作用^[2]。在污染气溶胶中有巨凝结核存在时，容易形成大滴，从而可在较低的高度和较高的温度上形成冰晶^[3]。

冰核是指使大气中的过冷水滴(水汽)冻结(凝华)成为冰晶的悬浮微粒。大气中初始冰晶形成有两种途径，同质核化和异质核化。当温度在-35°以上时，冰晶主要通过异质冰相核化形成。如果污染大气中有大量冰核存在，那么冰晶可在较高的温度中形成。气溶胶作为冰核进行异质冰相核化的机制包括4种：凝华核化、接触冻结核化、凝结冻结核化和浸润冻结核化。

大气冰核的主要来源是大气气溶胶粒子，但其中只有小部分的气溶胶粒子能成为冰核，冰核与气溶胶的比率为10^-3～10^-6，成核效率随冰的过饱和状态和温度而有所变化^[4]。人类活动和自然活动都能产生冰核。大气冰核的来源包括沙尘粒子^[5]、矿物尘埃^[6，7]、工业烟尘^[8，9]、火山爆发产生的火山灰^[10]以及流星尘埃^[11，12]等。20世纪60年代，在吉林白城地区进行的春季大气冰核观测表明，白城冰核的主要来源是黄土高原的风沙^[13]。黏土矿物(clay minerals)也是最重要的冰核来源之一^[11]。Kumai^[14]研究表明，在美国、日本、波兰南部和格陵兰雪晶中心约70%的核是黏土矿物。大气中冰核最重要的特性为冰核的浓度大小及其变化规律。虽然火山灰被认为是冰核来源，但大气冰核浓度在火山较多的太平洋沿岸并不是很高^[15]。实验室研究表明^[12]，流星尘埃虽然也可以作为冰核源，但其成冰性能很差。

对于不同地区，大气冰核的组分是不同的。如在美国西部利用PALMS(NOAA’s Particle Analysis by Laser Mass Spectrometry)判定，冰核主由金属粒子和矿物灰尘/飞灰组成^[16]，二者在冰核中分别占比为25%和33%^[17]。而对美国佛罗里达州陆地上空云砧卷云中冰残留核的化学组分研究表明，无论是大残留核或是小残留核，盐的成分均为30%。在大残留核中，地壳尘埃(crustal dust)占比为15%，金属物占比为29%；而在小残留核中，有机物占比为14%，金属物占比为16% ^[9]。北阿拉斯加的 MPACE(mixed-phase Arctic cloud experiment)试验表明^[18]，冰核粒子主要颗粒物的类型可识别为25%由碳化合物或盐(硫酸盐)与金属氧化物(粉尘)组成的混合物，35%含碳颗粒物和39%金属氧化物(粉尘)，这表明冰核粒子的元素组分具有明显的可变性。

冰核在冷云的发生、发展和演变过程中起着重要的作用，很大程度上影响着云的微物理属性。由于液面饱和水汽压大于冰面饱和水汽压，因此冰核活化形成的冰晶通过凝华增长使云滴不断蒸发消亡( 即“贝吉龙”过程^[19]) ，从而使云滴数浓度明显减小^[20]。除了影响云滴数浓度外，冰核还能影响云滴和雨滴的平均尺度。在温度相对较高的过冷区，冰核活化形成的冰晶争抢云中的水汽，抑制或减缓了云滴的增长^[21]。然而在理想条件下，冰核也能够导致一部分云滴平均尺度增大。Rosinski^[22]在理论和观测研究中表明，气流上升过程中首先形成云滴粒子，随着气团的不断上升，温度逐渐降低至-12℃左右时，冰核开始活化形成冰晶，初始形成的冰晶通过凝华增长使一部分云滴蒸发消亡； 当冰晶增长到一定尺度后沉降脱离云体，剩下的云滴通过凝结和碰并增长形成尺度较大的云滴粒子。但需要指出，这种粒子的演变过程通常发生在云中水汽充足且冰核浓度较低的理想环境。对于水物质有限的云，水物质无法满足冰晶增长到一定的尺度成为降水粒子脱离云体，大量尺度较小的冰晶粒子滞留在云中，极大的延长了云的生命史^[23]。此外，冰核可以使云底高度升高，导致云中冰水混合层增厚，从而改变了云冰和云水比例的垂直分布^{[20，24，25]}。冰核浓度的变化对云的宏观属性如垂直结构、云量和云顶高有着重要的影响。数值模拟研究^[20]表明，冰核浓度的增大，冰核活化形成大量冰晶，提前释放潜热，从而促进云的发展，使云顶升高，扩大云顶卷云毡面积。当大量冰核存在时，云滴同质核化黑和冰核异质核化相互竞争水汽，使得同质核化层高度显著升高^[24]，从而抑制或削弱了云滴的同质核化过程，同质核化效率明显降低^[26]。然而Gong 等^[25]却指出，中高层过冷区存在大量冰核活化，大量的水汽由于冰晶增长而消耗，水汽的向上输送受到截断或削弱，高层云的形成受到抑制，从而使云顶高度降低。总而言之，冰核浓度变化基本能够引起云顶高度的升高，形成较厚的冰水混合相云层，改变了云的微物理属性和辐射等特征，从而引起云对天气气候效应的改变。此外，云顶高度的增加，有利于对流层大气中的水汽进入到平流层，促进了对流层和平流层物质和能量的交换^[27]。

大量研究表明，冰核浓度的增加降水量变化的影响是不确定的，即增加降水、减少降水或者变化不明显的情况都可能存在。一方面，从冰核对降水的影响机制来看，随着冰核浓度的增加，冰晶数量增多，“贝吉龙”过程增强，大量的冰晶在短时间内快速增长形成降水粒子，从而增强降水。另一方面，随着冰核浓度的增加，同质核化和异质核化相互竞争水汽和云水，两者的增长都受到了抑制，难以增长成为较大的降水粒子，从而减弱了降水，甚至是受到抑制。若因大气宏观运动而忽略冰核浓度变化及相关微物理过程带来的影响，那么冰核浓度的变化对降水的影响可以忽略^[28]。

现有的有关气溶胶影响对流云的研究多数是针对CCN对深对流云的影响，而对IN的研究相对较少。IN对云和降水具有重要的影响，因而研究IN的作用具有重要的意义。本文将DeMott等（2010）^[29] 提出的异质冰相核化参数化方案和Jiang等（2014）^[30]得到的参数化方案引入WRF模式中的Morrison微物理方案，在沙尘条件下，分别将改进异质冰相核化方案后的模拟结果与实际观测结果对比，分析模拟区域平均水成物粒子（云滴、雨滴、冰晶、雪和霰）的质量浓度和数浓度随时间的变化，研究不同参数化方案下气溶胶作为冰核对云和降水的影响。

2 个例及模式介绍

2.1 个例介绍

本文选取2012年7月13日15时30分至17时50分新疆阿克苏河流域的偏南地带遭受的一次多单体型强对流风暴进行模拟。采用WRF V3.4.1模式和1°×1°NCEP全球分析资料，以(41.09°N，80.19°E)为中心，对此次强对流过程进行模拟。模拟区域如图1所示。模式积分起止时间为7月13日08:00时至7月13日22:00时(北京时，下同)。

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