利用WRF3.8.1模式,采用Thompson云微物理參數(shù)化方案,對南京2014年6月初的一次暴雨過程進(jìn)行模擬;設(shè)置多組數(shù)值試驗(yàn),從中選取清潔和嚴(yán)重污染兩組試驗(yàn),對比分析低、高云凝結(jié)核濃度對此次降水的影響。結(jié)果表明:1)Thompson方案對此次降水過程具有一定的再現(xiàn)能力,但對24 h累積降水量的模擬整體偏低,且隨云凝結(jié)核濃度的上升,累積降水量增加。較高的云凝結(jié)核濃度有利于強(qiáng)降水中心強(qiáng)度增強(qiáng)、降水范圍擴(kuò)大,而對較弱降水中心則有相反的影響。2)云凝結(jié)核濃度的增加將抑制云滴向雨滴的轉(zhuǎn)化,使更多云滴被輸送到對流層中層,對流層低層的暖云過程被抑制。3)云凝結(jié)核濃度的增加使對流層中層的過冷云水增加,促進(jìn)過冷云水向霰的轉(zhuǎn)化,也促進(jìn)雪的淞附過程,這有利于冷云過程的發(fā)展。4)云凝結(jié)核濃度的增加對暖云過程具有負(fù)反饋?zhàn)饔?對冷云過程具有正反饋?zhàn)饔谩?nbsp;

【文章來源】：大氣科學(xué)學(xué)報(bào). 2020,43(05)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

圖8 兩組試驗(yàn)R區(qū)域最大垂直速度差值(黑線;單位:m·s-1)和微物理過程潛熱釋放差值(紅線;單位:10-2 K)的時(shí)間序列

在31日20時(shí)至1日07時(shí),polluted試驗(yàn)的垂直速度和潛熱釋放均大于clean試驗(yàn)。此時(shí)對流云發(fā)展比較旺盛,冷云降水的比重增加。較高的CCN和過冷云水在對流層中層的維持會(huì)促進(jìn)雪在下落過程中的淞附增長和霰、冰晶的凍結(jié)增長。冰相過程的凝華和凍結(jié)潛熱釋放增加,促進(jìn)空氣的抬升運(yùn)動(dòng),進(jìn)一步加強(qiáng)冷云過程。這是云凝結(jié)核對冷云過程的正反饋。到08時(shí)以后,雖然polluted試驗(yàn)垂直速度比clean試驗(yàn)小,但是凍結(jié)潛熱釋放大于clean試驗(yàn)。這說明polluted試驗(yàn)中霰的混合比下降較慢,零度層附近一直有凍結(jié)潛熱釋放,較高濃度的霰的穩(wěn)定維持是高CCN濃度下后期降水增加的重要原因。從宏觀來看,31日19時(shí)之前兩個(gè)試驗(yàn)的最大垂直水汽通量(圖9)相差較小,但兩者水成物含量有較大差異(圖5),說明修改云凝結(jié)核濃度后,云微物理過程是引起降水前期降水量變化(圖4b)的重要因素。在降水中期,兩個(gè)試驗(yàn)均有較大的垂直水汽通量,特別是在31日23時(shí)—1日07時(shí),polluted試驗(yàn)最大水汽通量遠(yuǎn)高于clean試驗(yàn)。此時(shí)環(huán)境場有較好的抬升和水汽條件,配合CCN濃度升高對冷云降水正反饋?zhàn)饔?使polluted試驗(yàn)在該時(shí)段的降水量高于clean試驗(yàn)。由此可以看出環(huán)境場是影響降水量的主要因素,但是CCN濃度的升高可以通過影響云物理過程來改變云雨轉(zhuǎn)化效率,特別是會(huì)增加垂直運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)時(shí)的冷云過程,從而促進(jìn)了降水。

在觀測研究中,CCN對降水的影響存在爭議(Bell et al.,2008;Levin and Cotton,2009)。20世紀(jì)70年代,Hobbs et al.(1970)提出城市下風(fēng)方向暖云的降水增加與城市排放的CCN的增加有關(guān)。但是,陳思宇等(2012)認(rèn)為空氣污染造成的氣溶膠濃度的增加是導(dǎo)致中國中東部地區(qū)秋季降水減少的一個(gè)重要原因,Gong et al.(2007)及段婧和毛節(jié)泰(2008)也認(rèn)為氣溶膠對區(qū)域降水有顯著的抑制效應(yīng)。這些觀測數(shù)據(jù)大多是來自于較低的暖云或者層狀云,但是在對流發(fā)展旺盛的強(qiáng)降水天氣中云水密度、云滴尺度等觀測數(shù)據(jù)較少。而數(shù)值模式可以較精細(xì)的描述CCN濃度變化對對流風(fēng)暴產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)、微物理學(xué)和表面降水的影響(van den Heever and Cotton,2007;陳倩等,2013;陳衛(wèi)東等,2015a),因此成為探究降水過程對氣溶膠敏感性的重要手段。研究指出,CCN濃度的增加使水成物有效半徑減小,暖云云滴的碰并過程和冰晶的淞附過程受到抑制,地面降水減少(Saleeby and Cotton,2005;Reisin et al.,2010);但是Misra et al.(2016)設(shè)計(jì)了一個(gè)包含水汽密度、云滴濃度、云滴尺寸、雨滴密度和CCN濃度五種變量的非線性數(shù)學(xué)模式,對一次假設(shè)的降水進(jìn)行模擬卻得到相反的結(jié)論。也有研究證明CCN濃度的變化對云降水(徐小紅等,2009)物理過程的影響是非單調(diào)的(Morrison,2012;Kalina et al.,2014),并且高度依賴于環(huán)境條件(石榮光等,2015),同時(shí)也受到降水形式的限制(Nugent et al.,2016)。Terra衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)顯示中國夏季氣溶膠主要集中在長三角地區(qū)、京津冀地區(qū)和珠三角地區(qū)(石睿等,2015),不同地區(qū)的氣溶膠、云和降水之間的相互作用有較大差異(Eun et al.,2016;師宇等,2016)。目前有較多的研究分別用不同的微物理參數(shù)化方案探討了華北(陳衛(wèi)東等,2015b;楊桃進(jìn)等,2017)、華南(楊慧玲等,2011;Gao et al.,2013)地區(qū)的氣溶膠與降水的關(guān)系,微物理參數(shù)化方案較多選取Lin、Morrison和WDM等,而在華東地區(qū)這樣的研究較少。

【參考文獻(xiàn)】：
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