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云滴数浓度对云滴降水过程的影响 0 双参数方案传统分档模式 气溶胶对云和降水的影响非常复杂。大气中的气溶胶只有很少一部分参与云滴和冰晶的形成过程(核化),而这些水成物的初始尺度和浓度对降水的形成有重要作用。降水效率的改变会影响云的动力学过程,从而改变云的形状(云砧)和尺度分布(水平和垂直方向)。而且,发生在云内水成物之间的化学反应可以改变云的组分和尺度分布,反过来影响气溶胶的物理化学性质。 过去有关气溶胶在云的形成过程中所起作用的研究工作比较多。但在气溶胶—云—降水这个链条上的最后一个环节,即对降水的影响上,所做的研究相对较少。目前有很多探测手段可以测量到气溶胶入云以及对云的微物理性质的影响,但是没有相应的对地面降水的探测。即便有同时进行的地面降水测量,也很难得出污染物对降水过程有何影响的结论,因为还需要同时确定没有被污染的云。因此,要评估污染物对降水过程的影响,需要借助于数值模拟试验方法。 显式方案中描述水凝物粒子群尺度谱演变特征的方法分为体积水参数化法和分档法。分档法描述水凝物尺度演变过程十分复杂和精细但计算量巨大(许焕斌和段英,1999),参数化方法只考虑自然云和降水粒子的总体(统计)特征,建立各类云和降水粒子总体参量的控制方程(黄美元和徐华英,1999),中尺度模式中的云降水方案大多使用体积水参数化方法。20世纪70年代,伴随着计算机性能的提高,发展了采用滤去声波的动力框架的三维积云模式,70年代后期随着计算方法的发展,Klemp and Wilhelmson(1978)首先建立起了保留声波的完全弹性模式。国内孔凡铀等(1990)、许焕斌和王思薇(1990)、王谦和胡志晋(1990)分别建立起了类似的三维积云模式,洪延超(1998)在孔凡铀模式的基础上,将微物理过程发展成为双参数化,并进行了冰雹催化的数值模拟,郭学良和黄美元(2001)将冰雹进行了分档,研究了冰雹的生长机制。总体看来,双参数方案比单参数方案的物理基础更加清楚,减少了模式中的人为性,在模拟不同大尺度背景下的降水过程时优势明显,不需要调节模式中的粒子谱截断值,具有更好的适应性。 Reisin et al.(1996)用一个详细的分档模式研究了CCN(cloud condensation nuclei,云凝结核)的变化对降水的影响,发现在不同的CCN浓度条件(不同污染条件)下,降水效率的变化和降水对冰核浓度的敏感性是不同的,具有复杂的变化。Khain et al.(2001)模拟研究了深对流云中CCN浓度变化对冰晶粒子浓度的影响,结果表明不同CCN浓度条件下冻结过程发生的位置有明显差异。该模拟结果与观测的污染地区上空温度为-38 ℃处液态含水量较大的事实是一致的(Rosenfeld and Woodley,2000)。Yin et al.(2005)和Fridlind et al.(2004)都强调了将气溶胶和云微物理作为一个相互作用的系统来研究的重要性,与Rosenfeld and Woodley(1989,1993)和Simpson et al.(1967)的结论相一致。 Yin et al.(2000)用一个二维粘性对称模式对暖对流云的研究也得到了类似的结论。他们发现,在CCN数浓度为1 700 cm-3左右、GCCN(巨型云凝结核)数浓度为0.02 cm-3的污染云中,降水过程比在CCN数浓度为100 cm-3、没有GCCN的清洁云中更容易启动。该模拟结果与Hindman et al.(1977)和Eagan et al.(1974a,1974b)关于造纸厂对云微结构影响的观测研究一致,也得到Rudich et al.(2002)关于盐对咸海附近云影响的观测研究的证实。此外,银燕等(2009)对影响云微物理过程的气溶胶分布特征进行了初步研究。 2008年1月10日至2月初,我国发生了历史上罕见的低温雨雪冰冻灾害,其主要特征为灾害范围广、灾害强度大、连续低温时间长、雨雪持续时间长、冰冻日数多和灾害损失严重(陈永林等,2010;胡玉玲等,2010;王桂臣等,2010)。低温雨雪冰冻灾害造成的损失极为严重,对交通运输、能源供应、电力传输、农业及人民群众生活造成了严重影响,受灾人口过亿,直接经济损超过1 000多亿元。湖南、湖北、江西、安徽、贵州等省灾情尤其严重(王凌等,2008)。多位学者从大气环流异常和Q矢量等角度对相关冰雪天气过程进行了研究(彭艳等,2010;苗春生等,2010)。 本文利用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式,对2008年1月25—29日发生在我国南方的冰雪降水天气过程进行数值试验。在模式准确再现此次天气过程形势演变特点的基础上,研究微物理方案中云滴数浓度对累积降水量模拟结果的影响,并在这次大范围降水过程中选取一