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气溶胶对北京地区云和降水影响的模拟研究

本站小编 Free考研考试/2021-12-29
师宇1,2,3,, 楼小凤1,2,, 王广河1,2
1. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081
2. 中国气象科学研究院中国气象局云雾物理实验室,北京 100081
3. 中国科学院大学,北京 100049

Numerical simulation of the effect of aerosol on cloud and precipitation in Beijing

SHIYu1,2,3,, LOUXiaofeng1,2,, WANGGuanghe1,2
1. State Key Laboratory of Disaster Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
2. Key Laboratory for Cloud Physics of China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
通讯作者:通讯作者：楼小凤（1969- ）,女,浙江东阳人,副研究员,主要从事云物理和人工影响天气研究。E-mail: louxf@cams.cma.gov.cn
收稿日期:2016-04-10
修回日期:2016-06-24
网络出版日期:2016-10-26
版权声明:2016《地理研究》编辑部《地理研究》编辑部
基金资助:国家自然科学基金项目（41275148）
作者简介:
-->作者简介：师宇（1993- ）,女,山西大同人,博士研究生,主要从事云物理和人工影响天气研究。E-mail: shiyucams@163.com



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摘要
利用中尺度气象模式WRF中一个含有云凝结核CCN活化过程的双参数云微物理方案（NSSL 2-mom+ccn）,研究不同气溶胶导致的初始CCN浓度对云物理和降水过程的影响。完整地模拟了北京市2015年7月16-17日一次典型的从小雨到暴雨连续降水过程,包括降水主要集中的时间段,雨带的西北—东南走向,降水初期普降小雨、后期转变为中到大雨甚至局部地区出现暴雨,24小时最大累积降水量可以达到65 mm,模拟结果与实测符合较好。模拟得到的区域平均累积降水量随着气溶胶的增加而减少,与其他研究根据地面降水与能见度资料统计分析的结论相一致。比较详细地给出了气溶胶对云的微物理结构、水成物时空分布以及微物理过程的转化率的影响。

关键词：气溶胶;云;降水;数值模拟;北京
Abstract
In this paper, the influence of initial CCN concentration on the physical and precipitation processes of cloud was numerically studied by using mesoscale model WRF. A two parameter cloud micro physics scheme (2-mom+ccn NSSL) containing CCN activation process of cloud condensation nuclei is utilized to investigate the impacts of different aerosol backgrounds on the cloud microphysical processes and precipitation. A typical precipitation event near Beijing (July 16-17, 2015), which was formatted as a drizzle case and then developed into heavy precipitation, was simulated in order to examine the sensitivity of aerosol pollution. Controlled experiment captured the characters of this rainfall case very well. Rainfall rate peak in the time series and its varying tendency and moving direction of precipitation strength center were modeled with reliable accuracy. The modeled average precipitation rate decreased with rising aerosol background concentration, which is consistent with studies of some other authors. Structure of cloud system, temple and spatial variation of hydrometeor categories and strength of their sink and source terms are compared and analyzed. Our numerical simulation can completely simulate the whole process of the precipitation, including main precipitation-concentrated period of time, the rain belt in the northwest-southeast direction, precipitation at the beginning of the heavy rain, the late shift to rain or even local rainstorm. Simulation results show that the maximum cumulative precipitation of 24 hours can reach 65 mm, which is in good agreement with the measured data, and the effect of aerosol on precipitation efficiency is different in different precipitation stages. We found that when the initial CCN concentration is higher, the maximum precipitation efficiency occurs in the light rain stage, and the precipitation efficiency is reduced in the rainstorm period. There was no significant change in the precipitation range of the three initial CCN concentrations, but the location of the strong precipitation center shifted from the southwest to the northeast of Beijing. Our simulations also show that the regional mean accumulated precipitation decreases with increasing aerosol, which is consistent with the conclusions of other authors based on the statistical analysis of the ground precipitation and visibility data. Effect of aerosol on cloud micro physical structure, hydrometeor spatial and temporal distribution and conversion of microphysical processes were also given in detail. The results show that in both of early or late precipitation, the background aerosol cloud water content in the air were increased. Our research work is preliminary, but it can be used to carry out a more detailed study of the coupling chemistry model WRF-Chem. Due to the fact that the influence of aerosol on cloud and precipitation is very complex, the relevant observational data is still lacking. Therefore, the research on this aspect is still continuing to carry out extensive and in-depth study in the future.

Keywords：numerical simulation;aerosol;cloud;precipitation;Beijing

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师宇, 楼小凤, 王广河. 气溶胶对北京地区云和降水影响的模拟研究[J]. , 2016, 35(10): 1912-1924 https://doi.org/10.11821/dlyj201610010
SHI Yu, LOU Xiaofeng, WANG Guanghe. Numerical simulation of the effect of aerosol on cloud and precipitation in Beijing[J]. 地理研究, 2016, 35(10): 1912-1924 https://doi.org/10.11821/dlyj201610010

1 引言

大气降水对于局地和全球的天气、气候演变以及水循环具有关键性作用,特别是降水区域和降水量的变化对于减少自然灾害、合理利用气候资源等是十分重要的[1-3]。中国的淡水资源不足,人均水资源占有量不到世界平均水平的四分之一。华北、西北大部分地区降水量偏少,而且分布很不均匀。目前国际上普遍认为,人类活动导致的大气污染可能使中纬度地区气候平均降水减少、干旱频率增加,旱情加剧。气溶胶是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,可以通过吸收和散射太阳辐射直接影响地—气系统的辐射平衡,同时又可以作为云的凝结核（CCN）影响云的光学特性、云量以及云的寿命,改变云的物理结构和微物理特征,从而影响降水[4,5]。大气中污染物质越多,可以作为云凝结核的气溶胶粒子也就较多,导致大量非降水性小云粒子的形成,会使得降水减少,例如减少雹云和暖云降水。但气溶胶能够增加发展旺盛的对流云的降水,这说明气溶胶对降水的影响是比较复杂的,还存在一定的不确定性。
随着经济社会的高速发展,人类活动排放的人为气溶胶不断增多,国内外关于气溶胶对云和降水的研究日益受到高度重视。北京作为全国首都,随着京津冀一体化进程的加快,北京地区大气污染与降水关系受到国内外学术界的关注,目前是一个研究热点。但是由于京津冀地区地形和城市群下垫面复杂,各种气溶胶排放源很复杂,使得研究工作都变得比较困难,相关的理论和观测实验较少,数值模拟成为了主要的研究手段[5-9]。
已有的数值模拟研究,一般都是把气溶胶的作用表达为对初始CCN浓度的影响,也就是只考虑气溶胶的单向强迫作用,暂不考虑云物理过程等对气溶胶的反馈作用[9-11]。关于气溶胶对各种不同类型降水过程,特别是暴雨过程的研究,已经有一些研究成果,但较少考虑到天气系统的连续移动特性和变化特性[12],例如从小雨转到大到暴雨（或反之）的过程,而这种情况对于北京来说是常有发生的。
通过改变不同大气污染程度（即改变初始CCN浓度）来模拟气溶胶对降水过程不同发展阶段的影响,目的在于加深了解气溶胶对云和降水的作用机制、以及大气污染对北京地区降水过程的影响机制,为北京地区的天气预报和大气环境研究提供参考。

2 研究方法

2.1 模式以及方案介绍

WRF模式（Weather Research and Forecasting,v3.6.1）是目前国际上最广泛使用的新一代中尺度气象数值模式,由美国国家大气研究中心等研发,是一个完全可压缩非静力模式[6,7]。该模式主要包括四个部分：资料的前处理、资料同化系统、模式的主体结构以及对运行结果的后处理,并且利用并行化运算来提高模式的计算效率。该模式以模块化的方式引进各种不同的物理过程和动力框架方案,可模拟的天气尺度涵盖几百米至数千公里的范围,既可用于天气预报,也可用作模拟研究。WRF模式中主要考虑的物理过程及参数化方案包括：微物理过程方案、长波辐射方案、短波辐射方案、近地面层方案、陆面过程方案、边界层方案、以及积云参数化方案等。
利用WRF模式的三层嵌套网格对北京地区的降水开展模拟研究。外层（东亚地区）模拟区域中心的经纬度分别为39.072°N,116.059°E,网格距27 km,格点数143 ×150,第二层（华北地区）网格距9 km,格点数175 ×175,第三层（北京地区）网格距3 km,格点数160 ×160,垂直方向分为35层。模拟个例选取2015年7月16-17日的一次降水过程,这是一次从小雨转暴雨的完整过程。模拟时段起止时间为2015年7月16日02 ∶00到2015年7月17日14 ∶00（北京时,下同）,一共36小时。模式的初始场采用的是1°×1°的美国NCEP再分析资料,每6小时一次数据。三层嵌套区域各层的参数化方案选择是一样的（但是最内层区域不作对流参数化处理）,即用RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Monin-Obukhov近地面层方案、RUC Noah Pleim-Xiu陆面过程方案、YSU边界层物理方案以及Kain-Fritsch积云参数化方案,而云的微物理过程则采用目前公认先进的NSSL 2-mom+ccn方案。
由于要研究气溶胶对云物理过程的影响,因此在这里对NSSL2-mom+ccn方案给出稍微详细的介绍。微物理方案NSSL 2-mom+ccn中可以预报的水成物有为：云水、雨水、冰晶、雪、霰和雹的六种水成物的数浓度和混合比,暖云微物理过程考虑了CCN的活化、雨滴的碰并和破碎以及云滴和雨滴的凝结和蒸发。冰相过程考虑了液滴的冻结、冰晶核化、冰粒子的凝华/升华和融化、冰粒子之间以及其与液滴之间的碰撞合并（碰并、聚合、撞冻）,还有各种粒子的沉降过程,其中雹的增长考虑了干增长和湿增长。该方案的特点是对于霰粒子平均体积密度的预测,这使得霰粒子的跨度范围从高密度冷冻状态粒子（或者小冰雹）降低到到低密度的霰粒子。该方案还具有允许一些大小排序,有效防止虚假的大颗粒沉淀[13-15]。
对于水成物的粒子谱分布形式,该方案采用如下形式[14]：
N(D)=3ADα/D?α+1exp[-B(D/D?)3μ]（1）
式中： α=3ν+2; D?是平均体积直径;ν和μ是形状参数; A的计算方法如下：
A=μNtΓ(ν+1μ)B(ν+1)/μ，B=[Γ(ν+1μ)Γ(ν+2μ)]-μ（2）
对于不同水成物,其基本参数如表1。该方案还增加了CCN数浓度预报量,CCN数浓度可以通过气溶胶的活化过程预报出来,云滴的粒子数浓度表示为[14]：
CN=CKSwk-1V×?SW（3）
式中：C为假定的CCN浓度; CN为云滴粒子活化率; k为常数; V为风速; Sw为过饱和度。所以通过改变C的值可以改变云滴粒子活化率,进而代表气溶胶浓度的变化。气溶胶通过活化成为云凝结核CCN,CCN浓度直接影响云滴的形成过程,云滴与冰晶共存时可通过云滴向冰晶的水分转化产生降水。在云最初形成时,CCN的核化发生在云的入流边界,也可以在云内部过饱和的地方发生。
Tab. 1
表1
表1不同水成物的基本参数
Tab. 1The basic parameters of hydrometeors particles
水成物种类νμα密度（kg/m-3）
云滴013ν+21000
雨滴-0.813ν+21000
冰晶013ν+2900
雪-0.813ν+2100
霰-2/31/30300~900
雹-2/31/31500~900


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2.2 模拟个例

选取2015年7月16日北京地区的一次典型的降水过程进行数值模拟。当天北京市气象局发布全市暴雨黄色预警,而房山区气象局更是发布了局部暴雨红色预警。从北京市气象局给出的500 hPa高空图来看（图1a）,7月16日北京地区受到低涡边缘气流影响,风场以槽前西南风场为主。08 ∶00-20 ∶00,不断有小波动过境,易造成天气不稳定;配合当天08 ∶00和20 ∶00地面图（图略）可以看到,东北部冷高压中心向西南方向移动,有向北京地区逼近的趋势,地面有弱冷空气渗透影响,与500 hPa高空形势配合,容易激发产生强对流天气。这次降水过程中,前期小雨较早开始于08 ∶00,中间有6小时左右减弱,之后发展为局地暴雨。由于北京地区有比较稠密的地面自动观测站,所以有利于将数值模拟结果与观测进行对比。
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图1实测（a）和模拟（b）的500 hPa位势高度场、温度场分布(注：2015年7月16日20∶00)
-->Fig. 1(a) Measured 500 hPa geopotential height field, and (b) simulated 500 hPa geopotential height (b), temperature and wind field
-->

目前国内外模拟气溶胶对云物理过程的影响,大都是通过改变初始云凝结核（CCN）的浓度的实现[10,12]。为了研究不同气溶胶对这次降水过程的影响,设计了三个敏感性实验,其中一个CCN浓度值等于1500 个/cm3,代表大陆地区正常的大气背景,另外两个为CCN浓度值等于5000 个/cm3和8000 个/cm3,分别代表了北京地区中度污染型和严重污染型的大气背景。

3 结果分析

3.1 天气形势模拟

总体来看,模式对这次天气形势的模拟较好,从图1b可以看到,低压中心和槽线都模拟出来了,特别是日本南部有一个很强的低压中心（台风“浪卡”）也被准确地模拟出来。其他如不同高度的气压场以及地面风、温场等,也都模拟得较好,由于重点是讨论降水模拟,为节省篇幅这里没有给出天气形势模拟结果的具体图示。

3.2 地面降水模拟

图2给出的是24小时累积降水分布与实测资料（图2a）对比,可以看到CCN浓度值为1500 个/cm3时（图2b）,模式很好地模拟了这次降水雨带的西北—东南走向,降水的量级以及强降水中心的位置也与实测较为吻合。但是随着初始CCN浓度的增加（图2c、图2d）,不仅降水的分布格局改变了,而且降水的大小也有改变。从图2b~图2d的比较可以看出,整体上三种初始CCN浓度对总的降水范围没有明显改变,但是强降水中心的位置从北京的西南往东北方向发生较明显偏移,这是因为这次强降水属于不稳定的系统,比起降水范围来,降水中心更容易受到扰动而改变位置。当初始浓度值从1500 个/cm3增加到5000 个/cm3时,总体而言,北京地区降水普遍减少,特别是西南部局地甚至减少了20 mm左右;但是,在北京的中部和东北局部地区,也出现有降水增加的现象,增加的降水量也可以达到20 mm左右。初始CCN浓度继续增加到8000 个/cm3时,强降水中心的降水量可以增加将近30~40 mm,其余地区降水量则普遍减少。
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图2不同初始云凝结核浓度CCN对24小时累计降水的影响实测与模拟比较(注：2015年7月16日8∶00-17日8∶00)
-->Fig. 2Comparison between the measured and simulated effects of different initial cloud condensation nuclei concentration CCN on the 24-hour cumulative precipitation
-->

根据模拟结果计算得到24小时的区域平均累积降水量随着气溶胶的增加而减少,当初始CCN浓度值由1500 个/cm3增加到5000 个/cm3时,区域平均降水量减少了0.9 mm,相对减少量为6.4%,当CCN由1500 个/cm3增加到8000 个/cm3时,区域平均降水量减少了1.8 mm,相对减少量为12.6%。模拟得到的区域平均累积降水量随着气溶胶的增加而减少,与根据华北地区长期地面降水与能见度资料统计分析的研究结论一致[16]。
为了更好地与实况降水比较,计算出模拟区域内所有站点每6小时的累积降水与模拟的每6小时降水。图3a给出了6小时累积降水的平均值和每小时降水的平均值。图3显示,在降水形成的不同阶段,气溶胶对总降水影响的表现不同：16日08 ∶00-14 ∶00,北京市普遍降小雨,仅有极个别时次个别站点出现中雨量级,模拟显示随着气溶胶的增加区域平均降水量增加,但是增加的幅度不大,仅为0.24 mm,且模拟值均大于实测值,模拟比实况高估约2 mm;16日14 ∶00-20 ∶00,北京市小雨逐渐变弱,仅在西部出现小雨,19 ∶00-20 ∶00在北京东北方向出现中雨量级降水,这时随着气溶胶的增加,区域平均降水量先增加后减少,气溶胶对降水的影响不大,且实测和模拟的降水量较为一致;16日20 ∶00-24 ∶00小雨逐渐转为中雨,甚至个别站点出现暴雨的时间段;17日00 ∶00-08 ∶00,北京市西南部普遍中雨到暴雨,这时气溶胶对区域平均降水量影响的变化趋势是一致的,都是随着气溶胶的增加,平均降水量减少;尤其在最后的大到暴雨阶段,随着气溶胶的增加,区域平均降水明显减少,最大相差1.2 mm,且实测降水量大于模拟,实况比模拟高出近1 mm。
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图3区域平均每6小时累计降水（a）和区域平均每小时降水（b）
-->Fig. 3(a) regional average cumulative rainfall per six hours; (b) regional average hourly rainfall
-->

从图3b给出的三种气溶胶背景下模拟区域的每小时平均降水量来看,模拟区域的降水变化趋势较为一致,都是开始阶段普降小雨,中期逐渐减弱,后期出现另外一个降水高值期。气溶胶对降水效率的影响在不同降水阶段变现有所不同。例如初始CCN浓度值越高时,在小雨阶段是使最大降水效率提前出现,而在暴雨阶段是使降水效率总体都降低。在16日12 ∶00之前,气溶胶背景浓度越大,降水效率越高,最大降水效率差值达到0.04 mm/h;12 ∶00之后的降水阶段,气溶胶背景浓度越大,降水效率越低,尤其在降水后期（17日03 ∶00-05 ∶00）,最大降水效率差值达到0.32 mm/h。

3.3 水成物时空分布模拟

分析云中水成物和微观转化过程有助于更加 ∶全面详细地了解背景气溶胶浓度对降水的影响,选取降水效率差别较大的时刻16日12 ∶00和17日04 ∶00,并且选取降水变化较大的正负中心画出剖面（图4和图5）。
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图4不同CCN浓度下沿40.45°N的水成物的剖面图(注：2015年7月16日12∶00)
-->Fig. 4(a) and (c) are the profiles of cloud water, ice and rain along the 40.45 degrees latitude (b) and (d) are the profiles of snow and graupel and rain along the 40.45degrees latitude
-->

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图5不同CCN浓度下的沿40.1°N的水成物的剖面图(注：2015年7月17日04∶00)
-->Fig. 5(a) and (c) are the profiles of cloud water, ice and rain along the 40.1 degrees latitude (b) and (d) are the profiles of snow and graupel and rain along the 40.1degrees latitude
-->

纬度剖面图4a和图4c是16日12 ∶00沿着40.45° N的云水、雨水和冰晶的剖面图,图4b和图4d是16日12 ∶00沿着40.45°N的雨水、雪和霰粒子的剖面图。从图中可以看出,降水初期水成物的分布符合顾震潮提出的三层概念模型[17],即可把层状云垂直结构分为三层：第一层为冰晶层,第二层为过冷水层,第三层为暖水层。模拟出来的云底在800 hPa左右,云底温度10~15 ℃,零度层位于625 hPa左右,零度层上下的云水含量都很丰富,且云水中心大约位于零度层附近。随着背景气溶胶浓度的增加,云水含量逐渐增加,增加的最大数值约为0.5 g/kg,冰晶主要位于-5~-10 ℃,且冰晶的含量比较低,最大混合比为0.12 g/kg。气溶胶越多,冰晶的含量越少。由图5b可知,雪和霰粒子主要在-5~-10℃。背景气溶胶浓度越大,雪和霰粒子的含量越多,最大混合比可达1.1 g/kg随着气溶胶的增加,雨水有增加趋势,且雨带与雪和霰粒子的分布有很好的对应关系,雨水普遍存在于零度层以下,可能这时候降水主要来自于雪和霰粒子的融化。这一时期的降水,冰相粒子的含量与云水、雨水含量相当,甚至更高。
图5a和图5c是17日04 ∶00沿着40.1°N的云水、冰晶和雨水的剖面图,图5b和图5d是17日04 ∶00沿着40.1°N的雪、霰粒子和雨水的剖面图。这一时期的云体发展非常旺盛,云水含量丰富,中心位于零度层以下,且主要的云体都在零度层以下,云底温度15℃左右。随着背景气溶胶浓度的增加,云水的含量仍然逐渐增多,混合比最大差值可达2.4 g/kg。这时的冰晶含量非常少,而雪和霰粒子的含量有所增加,且垂直方向上发展旺盛。当CCN浓度值为1500 个/cm3时,这时雪和霰粒子的含量不算多,但降水偏多,雨水最大混合比达1.2 g/kg,且随着气溶胶的增加,雨水含量开始较少;当CCN浓度值为5000 个/cm3时,雨水混合比最大1.1 g/kg,但雨带明显减少;CCN浓度值为8000 个/cm3时,雨水混合比最大0.7 g/kg,且等值线分布范围不大。有的雨带没有和雪和霰粒子对应,例如CCN浓度值为1500 个/cm3时,经度116.8°E附近的降水混合比量级达1.1 g/kg,但是这里几乎没有雪和霰粒子,云水含量较丰富,最大混合比可以达到0.7 g/kg左右,说明这里的降水更多的来自云水的转化,来自暖云降水过程。
虽然剖面图有助于直观看到水成物垂直分布,但是不同的位置可能出现不一样的结果。为了更清楚地了解此次降水过程中的水成物分布规律和粒子之间的转化过程,选取经度115.8°E~116.7°E,纬度39.7°N~40.5°N作为研究区域,对该区域画出区域平均剖面（图6）。这一区域包括了大部分24小时累计降水变化较大的正负中心,对这一区域做水平面的平均,研究各种水成物在空中的垂直分布,有助于得到更加准确的结论。
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图6初始CCN对云水、雨水的影响
-->Fig. 6Effect of initial CCN on cloud and rain
-->

图6表明,从云水含量的垂直分布来看,无论降水前期还是降水后期,背景气溶胶的增加都使得空中的云水含量增加。在16日12 ∶00,云水平均含量大约在625 hPa达到最大,且背景气溶胶浓度的增加使云水含量平均值增加约0.04 g/kg。在17日04 ∶00,云体向地面发展,空中的云水含量出现分层结构,混合比含量最大值出现在800 hPa左右,且CCN浓度为5000 个/cm3时,云水含量混合比最大,最大相差0.12 g/kg。在625 hPa出现另外一个峰值,CCN浓度为8000 个/cm3时云水含量最大,最大可达0.18 g/kg。
从雨水含量的垂直分布来看,降水前期高层的雨水含量混合比相差不大,直到750 hPa以下时,温度较暖的地方雨水含量随着背景气溶胶的增多而增加,接近地面的雨水混合比相差约为0.01 g/kg。降水后期空中雨水含量混合比随着背景气溶胶的增加而明显减少,最大相差0.04 g/kg。
从冰晶的含量的垂直分布来看,无论降水前期还是后期,冰晶的含量都略低,并且降水前期冰晶含量高于降水后期。降水前期冰晶含量最大值大约在550 hPa,并且气溶胶越多,冰晶含量越少;降水后期冰晶含量在550 hPa和300 hPa出现两个峰值,可能这时的云体垂直发展旺盛,把冰晶带到更高的高度层中。
从雪含量的垂直分布来看,降水前期三种背景气溶胶浓度下雪晶的含量相差不大,最大值都出现在525 hPa左右,含量大约为0.14 g/kg;然而在降水后期,三种背景气溶胶浓度下雪晶的含量都明显较少,特别是CCN浓度为8000 个/cm3时,雪晶的含量较前期减少了约0.13 g/kg,其余两种背景气溶胶浓度下雪晶的含量相差不大。
从霰粒子含量的垂直分布来看,降水前期的霰粒子含量高于降水后期。降水前期气溶胶越多时,霰粒子的含量越高,含量最大值大约在600 hPa左右。降水后期,CCN浓度为8000 个/cm3时的霰粒子含量明显减少,减少的幅度约为0.05 g/kg;其余两种背景气溶胶浓度下的霰粒子较降水前期也出现较少趋势,且此时CCN浓度为5000 个/cm3时的霰粒子含量大于CCN浓度为1500 个/cm3时的霰粒子含量。

3.4 微物理过程转化率的模拟

3.4.1 雨滴的源项及微物理过程转化率 由表2可知,16日12 ∶00雨滴主要来自于雪和霰粒子的融化,且霰的融化对雨滴的贡献最大可达0.24×10-3 g ?kg-1?s-1。当背景气溶胶增多时,雪和霰粒子的融化对雨滴增长的贡献越大。结合雪和霰粒子含量的垂直分布来看,这时三种大气背景下雪的含量相差不大,但是重污染大气背景下霰粒子的含量明显增多,所以前期降水量随着背景气溶胶浓度增加而增加的原因是因为这时污染大气背景下的霰粒子融化对于降水其主导作用。这一时段云雨的自动转化和雨滴碰并云滴的增长都比较小,正常大气背景下雨滴碰并云滴的转化率最大可能是因为这时空中的雨滴有效半径较大,碰撞云滴时的并合效率较高所致[18]。在17日05 ∶00,雪和霰粒子的融化较之前都大幅度减少,尤其是重污染大气背景下雪和霰粒子融化对于雨滴的贡献都减少了一个量级,而这时正常大气背景下,无论是雨滴和云滴的碰并增长还是云雨自动转化项都比降水前期提升了约一个量级,雨滴碰并云滴的效率可以达到0.163×10-3 g ?kg-1?s-1。且正常大气背景下的,雨滴碰并云滴、雨滴收集冰晶粒子和云雨的自动转化均高于污染大气背景。结合降水量分析,这一时段的降水主要来自云滴对雨滴的贡献,且随着背景气溶胶浓度的增加,降水量逐渐减少。
Tab. 2
表2
表2雨滴的主要源汇项及微物理过程转化率（10-3g?kg-1?s-1）
Tab. 2The main source and the microphysical process conversion rate (10-3g?kg-1?s-1)
雨滴的主要源项物理意义16日12时微物理过程转化率最大值17日05时微物理过程转化率最大值
正常中度污染重度污染正常中度污染重度污染
（1500）（5000）（8000）（1500）（5000）（8000）
qracw雨滴碰并云滴0.0650.0640.0540.1630.1150.036
qraci雨滴收集冰晶粒子8.23×10-47.06×10-42.97×10-41.48×10-33.3×10-44.15×10-5
qrcnw云雨的自动转化2.83×10-31.398×10-32.86×10-32.75×10-21.61×10-29.23×10-3
qhmlr霰的融化0.1860.240.240.1140.1520.067
qsmlr雪的融化0.1130.1090.100.0610.0550.034


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前期降水过程中雨滴收集冰晶粒子正常背景条件下的转化率最高,由水成物含量的垂直分布可知这时空中的雨水含量几乎相差不大,但是冰晶的含量随着背景气溶胶浓度的增加而减少,导致这时雨滴收集冰晶粒子速率也随着背景气溶胶浓度的增多而降低,在降水后期,虽然污染型大气背景的冰晶含量最高,但是由于这时正常大气背景的雨水含量最高,且雨水含量大约为冰晶含量的十倍,所以这时正常大气背景下雨滴收集冰晶的效率仍然是最高的,且比污染型大气背景大1~2个量级。
3.4.2 雪和霰的源项及微物理过程转化率 在16日12 ∶00,由于正常大气背景气溶胶浓度下冰晶的含量最大,所以这时冰晶向雪的转化,以及雪和冰晶的碰并作用都是最强的,由于重污染大气背景下的云滴数浓度最大,因此雪收集云滴的转化率也相对较高。而在17日05 ∶00由于污染大气背景下雪、冰晶和云水的含量都相对较高,所以这时污染大气背景下雪的源项都最大。由表3可知,16日12 ∶00霰的源项普遍高于17日05 ∶00,其中冰晶向霰的转化在降水前期为1.526×10-6 g ?kg-1?s-1,到后期只有4.695×10-8 g ?kg-1?s-1,降低两个量级,这是因为前期的降水主要依靠霰粒子的融化过程,消耗了大量的霰粒子,后期降水过程霰粒子、雪和冰晶的含量都有所减少,因此各种转化过程都减弱。霰碰并过冷雨滴的过程在后期有所加强,因为前期降水对云滴的消耗,后期霰碰并过冷云滴的过程有所减弱。总体来看无论降水前期还是降水后期,霰碰并过冷云滴和过冷雨滴都是主要的增长来源。
Tab. 3
表3
表3霰的源项及微物理过程转化率（10-3g?kg-1?s-1）
Tab. 3The source of graupel and micro physical process of conversion (10-3g?kg-1?s-1)
霰的主要源项物理意义16日12时微物理过程转化率最大值17日05时微物理过程转化率最大值
正常中度污染重度污染正常中度污染重度污染
（1500）（5000）（8000）（1500）（5000）（8000）
qhaci霰收集冰晶2.106×10-31.509×10-31.19×10-32.89×10-47.643×10-42.652×10-4
qhcni冰晶向霰的转化1.526×10-39.386×10-46.799×10-44.695×10-51.296×10-47.452×10-5
qhcns雪向霰的转化3.376×10-24.986×10-25.4×10-21.282×10-21.428×10-21.038×10-2
qhacs霰碰并雪6.102×10-26.401×10-26.246×10-22.681×10-23.524×10-21.297×10-2
qhacw霰碰并过冷云滴0.1070.1460.1440.0620.1290.06
qhacr霰碰并过冷雨滴0.0230.0150.0170.0570.0310.065
qhdpv霰的凝华增长5.669×10-36.762×10-37.119×10-33.082×10-34.644×10-31.925×10-3
qrfrz雨滴的冻结1.014×10-75.339×10-83.879×10-82.626×10-41.206×10-52.921×10-10


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4 结论

本文利用中尺度可分辨云模式WRF中一个含有云凝结核CCN活化过程的双参数云微物理方案（NSSL 2-mom+ccn）,研究不同气溶胶导致的初始CCN浓度对云物理和降水过程的影响。选取了2015年7月16-17日北京市一次典型的从小雨到暴雨降水过程,进行了数值模拟研究,完整地模拟出了这次降水全过程。包括降水主要集中的时间段,雨带的西北—东南走向,降水初期普降小雨、后期转变为中到大雨甚至局部地区出现暴雨,24小时最大累积降水量可以达到65 mm,模拟结果与实测数据符合较好。模拟结果表明：
气溶胶对降水效率的影响在不同降水阶段变现有所不同,发现当初始CCN浓度值越高时,在小雨阶段是使最大降水效率提前出现,而在暴雨阶段是使降水效率总体都降低;还发现三种初始CCN浓度对总的降水范围没有明显改变,但是强降水中心的位置从北京的西南往东北方向发生了较明显的偏移。模拟得到的区域平均累积降水量随着气溶胶的增加而减少,与根据地面降水与能见度资料统计分析的研究结论相一致[16]。同时比较详细地给出了气溶胶对云的微物理结构、水成物时空分布以及微物理过程的转化率,表明无论降水前期还是降水后期,背景气溶胶的增加都使得空中的云水含量增加,而且无论降水前期还是降水后期,霰碰并过冷云滴和过冷雨滴都是主要的增长来源。
本文的模拟工作只是初步的,将来可以利用耦合化学模式WRF-Chem开展更加细致的研究。由于气溶胶对云和降水的影响因素非常复杂[19],相关的观测资料还很缺乏,因此,关于这方面的研究国内外还在继续开展广泛深入的研究。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1]Ramanathan V, Crutzen P J, Kiehl J T, et al.Aerosols, climate, and the hydrological cycle.
Science, 2001, 294(5549):2119-2124.https://doi.org/10.1126/science.1064034URLPMID:174893265202520318 [本文引用: 1]摘要
Human activities are releasing tiny particles (aerosols) into the atmosphere. These human-made aerosols enhance scattering and absorption of solar radiation. They also produce brighter clouds that are less efficient at releasing precipitation. These in turn lead to large reductions in the amount of solar irradiance reaching Earth's surface, a corresponding increase in solar heating of the atmosphere, changes in the atmospheric temperature structure, suppression of rainfall, and less efficient removal of pollutants. These aerosol effects can lead to a weaker hydrological cycle, which connects directly to availability and quality of fresh water, a major environmental issue of the 21st century.
[2]范泽孟, 岳天祥, 陈传法, 等. 中国降水未来情景的降尺度模拟
. 地理研究, 2012, 31(12): 2283-2291.Magsci摘要
基于长时间序列(1964～2007年)的全国降水观测数据, 结合经纬度数据以及DEM、 坡向、坡度等系列地形特征数据, 利用空间统计方法, 在构建年平均降水降尺度模型的基础 上, 运用高精度曲面建模(HASM)方法对经过降尺度分析的HadCM3的A1Fi、A2a和B2a 三种情景T1～T4时段的全国未来平均降水进行高精度曲面模拟。模拟结果显示, 在T1～T4 时段内, A1Fi、A2a和B2a三种情景的全国平均降水均呈持续增加趋势。其中, 平均降水在 A1Fi情景中增加速度最快, B2a情景中增加速度最慢;A1Fi和A2a两种情景的平均降水均呈 加速增加趋势, 而B2a情景的平均降水则呈减速增加趋势。模拟结果表明, 本文构建的降尺 度模拟方法可以有效地实现IPCC GCM 的低分辨率的降水情景数据降尺度转换成高分辨率的 降水数据。
[Fan Zemeng, Yue Tianxiang, Chen Chuanfa, et al.Downscaling simulation for the scenarios of precipitation in China.
Geographical Research, 2012, 31(12): 2283-2291.]Magsci摘要
基于长时间序列(1964～2007年)的全国降水观测数据, 结合经纬度数据以及DEM、 坡向、坡度等系列地形特征数据, 利用空间统计方法, 在构建年平均降水降尺度模型的基础 上, 运用高精度曲面建模(HASM)方法对经过降尺度分析的HadCM3的A1Fi、A2a和B2a 三种情景T1～T4时段的全国未来平均降水进行高精度曲面模拟。模拟结果显示, 在T1～T4 时段内, A1Fi、A2a和B2a三种情景的全国平均降水均呈持续增加趋势。其中, 平均降水在 A1Fi情景中增加速度最快, B2a情景中增加速度最慢;A1Fi和A2a两种情景的平均降水均呈 加速增加趋势, 而B2a情景的平均降水则呈减速增加趋势。模拟结果表明, 本文构建的降尺 度模拟方法可以有效地实现IPCC GCM 的低分辨率的降水情景数据降尺度转换成高分辨率的 降水数据。
[3]孔钦钦, 葛全胜, 席建超, 等. 中国重点旅游城市气候舒适度及其变化趋势
. 地理研究, 2015, 34(12): 2238-2246.https://doi.org/10.11821/dlyj201512003URL [本文引用: 1]摘要
基于地面气象观测资料和通用热气候指数,研究中国12个重点旅游城市的气候舒适度及其1960-2013年间的变化趋势。结果显示:1依据气候舒适度年内分布特征,所有城市可分为5种类型,即春、秋适型,春、秋、冬适型,春、夏、秋适型,冬适型和全年不适型。2 1960-2013年,年均通用热气候指数基本均显著增加;哈尔滨、大连增幅最大,分别达1.73oC/10a、1.44oC/10a。月均通用热气候指数也一致增加,且增幅冬季大、夏季小。3从年尺度看,各城市"冷不舒适"频率降低,"热不舒适"频率增加。哈尔滨、乌鲁木齐、北京、拉萨、西安、上海、三亚年"舒适"频率增加,尤其拉萨增幅高达8.9 d/10a;呼和浩特、大连、昆明、重庆、广州年"舒适"频率降低。4从月尺度看,6-9月的"舒适"频率整体降低;11-2月的"舒适"频率整体增加;3-5月及10月表现为纬度或海拔较高城市的"舒适"频率增加,其余城市降低。
[Kong Qinqin, Ge Quansheng, Xi Jianchao, et al.Thermal comfort and its trend in key tourism cities of China.
Geographical Research, 2015, 34(12): 2238-2246.]https://doi.org/10.11821/dlyj201512003URL [本文引用: 1]摘要
基于地面气象观测资料和通用热气候指数,研究中国12个重点旅游城市的气候舒适度及其1960-2013年间的变化趋势。结果显示:1依据气候舒适度年内分布特征,所有城市可分为5种类型,即春、秋适型,春、秋、冬适型,春、夏、秋适型,冬适型和全年不适型。2 1960-2013年,年均通用热气候指数基本均显著增加;哈尔滨、大连增幅最大,分别达1.73oC/10a、1.44oC/10a。月均通用热气候指数也一致增加,且增幅冬季大、夏季小。3从年尺度看,各城市"冷不舒适"频率降低,"热不舒适"频率增加。哈尔滨、乌鲁木齐、北京、拉萨、西安、上海、三亚年"舒适"频率增加,尤其拉萨增幅高达8.9 d/10a;呼和浩特、大连、昆明、重庆、广州年"舒适"频率降低。4从月尺度看,6-9月的"舒适"频率整体降低;11-2月的"舒适"频率整体增加;3-5月及10月表现为纬度或海拔较高城市的"舒适"频率增加,其余城市降低。
[4]洪延超, 雷恒池. 云降水物理和人工影响天气研究进展和思考
. 气候与环境研究, 2012, 17(6): 951-967.https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9585.2012.06.32URL [本文引用: 1]摘要
回顾和总结了中国科学院大气物理研究所近5年 (2003～2007年)的云降水物理和人工影响天气研究,内容涉及云和降水物理研究、云和降水数值模拟研究、人工影响天气研究和云化学研究等诸多领域. 随着国家和社会对人工影响天气需求的日益增加,云降水物理仍是重要的研究方向,会随着观测和理论研究的发展而取得突破性进展.
[Hong Yanchao, Lei Hengchi.Research advance and thinking of the cloud precipitation physics and weather modification.
Climatic and Environmental Research, 2012, 17(6): 951-967.]https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9585.2012.06.32URL [本文引用: 1]摘要
回顾和总结了中国科学院大气物理研究所近5年 (2003～2007年)的云降水物理和人工影响天气研究,内容涉及云和降水物理研究、云和降水数值模拟研究、人工影响天气研究和云化学研究等诸多领域. 随着国家和社会对人工影响天气需求的日益增加,云降水物理仍是重要的研究方向,会随着观测和理论研究的发展而取得突破性进展.
[5]杨慧玲, 肖辉, 洪延超. 气溶胶对云宏微观特性和降水影响的研究
. 气候与环境研究, 2011, 16(4): 525-542.https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9585.2011.04.13URL [本文引用: 2]摘要
气溶胶—云—降水相互作用是当今大气科学研究的热点和前沿问题。概述性地回顾了气溶胶对云宏微观特性和降水影响的研究进展,分别讨论了气溶胶对层状云、对流云等典型云系的动力和微物理过程的影响,总结了国内外研究关于气溶胶对云宏微观特性影响的可能的物理解释。回顾外场观测及数值研究表明,气溶胶对云液态水含量、地面降水及光学厚度的影响存在着许多不确定性。另外指出,在研究气溶胶对云宏观特性和降水影响时,应该加强气溶胶对云微物理特性影响的观测（卫星、雷达、飞机、地面观测等）和数值模拟的综合分析研究。
[Yang Huiling, Xiao Hui, Hong Yanchao.Progress in impacts of aerosol on cloud properties and precipitation.
Climatic and Environmental Research, 2011, 16(4): 525-542.]https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9585.2011.04.13URL [本文引用: 2]摘要
气溶胶—云—降水相互作用是当今大气科学研究的热点和前沿问题。概述性地回顾了气溶胶对云宏微观特性和降水影响的研究进展,分别讨论了气溶胶对层状云、对流云等典型云系的动力和微物理过程的影响,总结了国内外研究关于气溶胶对云宏微观特性影响的可能的物理解释。回顾外场观测及数值研究表明,气溶胶对云液态水含量、地面降水及光学厚度的影响存在着许多不确定性。另外指出,在研究气溶胶对云宏观特性和降水影响时,应该加强气溶胶对云微物理特性影响的观测（卫星、雷达、飞机、地面观测等）和数值模拟的综合分析研究。
[6]Kai Sun, Hongnian Liu, Aijun Ding, et al.WRF-Chem simulation of a severe haze episode in the Yangtze River Delta. China.Aerosol and Air Quality Research. doi: 10.4209/aaqr.2015.04.0248, 2016. [本文引用: 1]
[7]朱格利, 林万涛, 曹艳华. 用 WRF模式中不同云微物理参数化方案对华南一次暴雨过程的数值模拟和性能分析
. 大气科学, 2014, 38(3): 513-523.https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13202Magsci [本文引用: 1]摘要
本文使用中尺度数值模式WRFV3.4中的8种不同云微物理过程参数化方案，模拟2010年5月6～7日华南一次暴雨事件，探讨不同云微物理方案对华南暴雨模拟的影响。结果表明：不同云微物理方案对不同量级降水模拟效果总体较好。WSM3方案对小到大雨和大暴雨的模拟效果最好，对暴雨的模拟最差；WDM5方案对暴雨模拟效果最好。结合TS评分和误差分析结果，整体效果最好的是WSM5方案，最差的是Lin方案。对于同一云微物理参数化方案，不同分辨率的降水模拟结果差异不大，但同一分辨率的不同云微物理参数化方案的降水结果差异较大，这说明云微物理过程比模式分辨率对暴雨模拟的影响更大。
[Zhu Geli, Lin Wantao, Cao Yanhua.Numerical simulation of a rainstorm event over South China by using various cloud microphysics parameterization schemes in WRF model and its performance analysis.
Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2014, 38(3): 513-523.]https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13202Magsci [本文引用: 1]摘要
本文使用中尺度数值模式WRFV3.4中的8种不同云微物理过程参数化方案，模拟2010年5月6～7日华南一次暴雨事件，探讨不同云微物理方案对华南暴雨模拟的影响。结果表明：不同云微物理方案对不同量级降水模拟效果总体较好。WSM3方案对小到大雨和大暴雨的模拟效果最好，对暴雨的模拟最差；WDM5方案对暴雨模拟效果最好。结合TS评分和误差分析结果，整体效果最好的是WSM5方案，最差的是Lin方案。对于同一云微物理参数化方案，不同分辨率的降水模拟结果差异不大，但同一分辨率的不同云微物理参数化方案的降水结果差异较大，这说明云微物理过程比模式分辨率对暴雨模拟的影响更大。
[8]张兰, 张宇飞, 林文实, 等. 空气污染对珠江三角洲一次大暴雨影响的数值模拟
. 热带气象学报, 2015, 31(2): 264-272.https://doi.org/10.16032/j.issn.1004-4965.2015.02.013URL摘要
利用完全在线耦合气溶胶-云- 化学WRF-Chem数值模式,采用Lin双参数云微物理方案,对珠江三角洲地区2010年5月14日的一次大暴雨过程进行了模拟。在无污染物排放源(控 制试验)和有污染物排放源(敏感试验)背景下对云微物理结构和转换过程进行对比分析。结果表明:在降水中心位置和范围上,敏感试验和控制试验均与实况降水 相近。但加入污染物排放源后,总累积降水量减少,而平均降水率峰值有所提高,并且降水初始时刻会比无污染物排放源时滞后一些。云水蒸发和雨水蒸发在降水初 始阶段的减少,延缓了降水的发生;云水自动转化成雨水的增加致使雨水混合比在降水加强时段增加,造成平均降水率峰值提高;以雨水被霰收集为主的冷云过程的 减少导致总累积降水量减少。
[Zhang Lan, Zhang Yufei, Lin Wenshi, et al.Numerical simulation of air pollution impact on heavy rainfall over the Pearl River Delta.
Journal of Tropical Meteorology, 2015, 31(2): 274-272.]https://doi.org/10.16032/j.issn.1004-4965.2015.02.013URL摘要
利用完全在线耦合气溶胶-云- 化学WRF-Chem数值模式,采用Lin双参数云微物理方案,对珠江三角洲地区2010年5月14日的一次大暴雨过程进行了模拟。在无污染物排放源(控 制试验)和有污染物排放源(敏感试验)背景下对云微物理结构和转换过程进行对比分析。结果表明:在降水中心位置和范围上,敏感试验和控制试验均与实况降水 相近。但加入污染物排放源后,总累积降水量减少,而平均降水率峰值有所提高,并且降水初始时刻会比无污染物排放源时滞后一些。云水蒸发和雨水蒸发在降水初 始阶段的减少,延缓了降水的发生;云水自动转化成雨水的增加致使雨水混合比在降水加强时段增加,造成平均降水率峰值提高;以雨水被霰收集为主的冷云过程的 减少导致总累积降水量减少。
[9]王坤, 张飞民, 孙超, 等. WRF-WSM3微物理方案在青藏高原地区暴雪模拟中的改进及试验
. 大气科学, 2014, 38(1):101-109.https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12170Magsci [本文引用: 2]摘要
通过青藏高原一次暴雪过程的模拟试验，对WRF模式中的WSM3微物理方案中的降水模拟偏差原因进行了分析，并根据观测试验结果，提出了改进WSM3微物理方案中冰核浓度的2种计算方案。通过调整温度和冰核浓度之间的关系，检验了冰核浓度Pigen过程对降水的影响。结果显示，WSM3方案对青藏高原地区的冰核浓度估计过高；当考虑了冰面过饱和度随温度区间的变化后，计算的冰核浓度可以改进降水的模拟效果；但通过温度的变化和冰面过饱和度二者的调整，降水模拟的效果并不明显。冰核浓度对温度变化的敏感存在着一个范围，冰面过饱和度和温度区间的大小存在一定关系。通过另外2个个例和敏感性试验的研究结果表明，对于温度较高的固态降水，冰核浓度的变化对降水模拟的改进不显著。
[Wang Kun, Zhang Feimin, Sun Chao, et al.Development and validation of WRF-WSM3 scheme in simulation of snowstorm in the Tibetan Plateau.
Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2014, 38(1): 101-109.]https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12170Magsci [本文引用: 2]摘要
通过青藏高原一次暴雪过程的模拟试验，对WRF模式中的WSM3微物理方案中的降水模拟偏差原因进行了分析，并根据观测试验结果，提出了改进WSM3微物理方案中冰核浓度的2种计算方案。通过调整温度和冰核浓度之间的关系，检验了冰核浓度Pigen过程对降水的影响。结果显示，WSM3方案对青藏高原地区的冰核浓度估计过高；当考虑了冰面过饱和度随温度区间的变化后，计算的冰核浓度可以改进降水的模拟效果；但通过温度的变化和冰面过饱和度二者的调整，降水模拟的效果并不明显。冰核浓度对温度变化的敏感存在着一个范围，冰面过饱和度和温度区间的大小存在一定关系。通过另外2个个例和敏感性试验的研究结果表明，对于温度较高的固态降水，冰核浓度的变化对降水模拟的改进不显著。
[10]何宏让, 魏绍远, 黄云贵. 初始云滴浓度(CCN)对对流性降水作用的数值试验
. 气象科学, 1998, 18(1): 10-19.URL [本文引用: 1]摘要
本文利用一个二维滞弹性非静力平衡云模式[1]，选择三个典型个例，就初始云滴浓度（CCN）对对流性暖雨和冷雨过程的效应进行了数值试验。模拟结果表明：初始CCN对对流性降水影响较大。对暖雨过程而言，随着初始CCN的增大，地面累积降水量减弱；对冷雨过程而言，增大初始CCN，可削弱对流强度，减少地面累积降雹量，延缓液态水到达地面的时间，但最终增强了地面累积液态降水量。并且分析了初始CCN导致暖雨和冷雨过程这种差别的原因。
[He Hongrang, Wei Shaoyuan, HuangYungui. The numerical test of initial cloud droplet concentration (CCN) effect on convectional precipitation.
Scientia Meteorologica Sinica, 1998, 18(1): 10-19.]URL [本文引用: 1]摘要
本文利用一个二维滞弹性非静力平衡云模式[1]，选择三个典型个例，就初始云滴浓度（CCN）对对流性暖雨和冷雨过程的效应进行了数值试验。模拟结果表明：初始CCN对对流性降水影响较大。对暖雨过程而言，随着初始CCN的增大，地面累积降水量减弱；对冷雨过程而言，增大初始CCN，可削弱对流强度，减少地面累积降雹量，延缓液态水到达地面的时间，但最终增强了地面累积液态降水量。并且分析了初始CCN导致暖雨和冷雨过程这种差别的原因。
[11]Pruppacher H R, Klett J D, Wang P K.Microphysics of clouds and precipitation.
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[12]岳治国, 刘晓东, 梁谷. 气溶胶对北京地区不同类型云降水影响的数值模拟
. 高原气象, 2011, 30(5): 1356-1367.Magsci [本文引用: 2]摘要
<FONT face=Verdana>利用耦合Milbrandt双参数显式云方案的WRF模式， 在大陆型和海洋型气溶胶浓度背景下， 对北京地区暴雨、 中雨和微量降水等3次云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明， 气溶胶的增加对北京地区云降水有多方面的影响： （1）影响地面降水量。随着气溶胶浓度的增加， 北京地区的暴雨、 中雨和微量降水平均累计降水量分别减少了23.8%， 16.6%和14%; （2）影响地面降水分布。在暴雨过程中, 随着气溶胶浓度的增加， 北京大部分地区的降水量减少了20 mm以上。在中雨降水过程中， 随着气溶胶浓度增加， 降水量增加的面积较大而总降水量减少。在微量降水过程中, 随着气溶胶浓度的增加， 北京西部的降水量有所增加, 东部则减少。气溶胶浓度的增加延迟了暴雨系统中对流云团降水的发生; （3）影响地面雨强。随着气溶胶浓度的增加， 暴雨雨强峰值宽度变窄， 雨强峰值高度降低， 高气溶胶浓度延长了暴雨降水时间。气溶胶浓度的增加导致了中雨降水过程提早结束; （4）影响空中水凝物。气溶胶浓度的增加导致了暴雨和中雨降水过程中云水含量的增加和雨水含量的减少。<BR></FONT>
[Yue Zhiguo, Liu Xiaodong, Liang Gu.Numerical simulation of influence of aerosols on different cloud precipitation types in Beijing area.
Plateau Meteorology, 2011, 30(5): 1356-1367.]Magsci [本文引用: 2]摘要
<FONT face=Verdana>利用耦合Milbrandt双参数显式云方案的WRF模式， 在大陆型和海洋型气溶胶浓度背景下， 对北京地区暴雨、 中雨和微量降水等3次云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明， 气溶胶的增加对北京地区云降水有多方面的影响： （1）影响地面降水量。随着气溶胶浓度的增加， 北京地区的暴雨、 中雨和微量降水平均累计降水量分别减少了23.8%， 16.6%和14%; （2）影响地面降水分布。在暴雨过程中, 随着气溶胶浓度的增加， 北京大部分地区的降水量减少了20 mm以上。在中雨降水过程中， 随着气溶胶浓度增加， 降水量增加的面积较大而总降水量减少。在微量降水过程中, 随着气溶胶浓度的增加， 北京西部的降水量有所增加, 东部则减少。气溶胶浓度的增加延迟了暴雨系统中对流云团降水的发生; （3）影响地面雨强。随着气溶胶浓度的增加， 暴雨雨强峰值宽度变窄， 雨强峰值高度降低， 高气溶胶浓度延长了暴雨降水时间。气溶胶浓度的增加导致了中雨降水过程提早结束; （4）影响空中水凝物。气溶胶浓度的增加导致了暴雨和中雨降水过程中云水含量的增加和雨水含量的减少。<BR></FONT>
[13]Meyers M P, DeMott P J, Cottion W R. New primary ice-nucleation parameterizations in an explicit cloud model.
Journal of Applied Meteorology, 1992, 31(7): 708-721.https://doi.org/10.1175/1520-0450(1992)0312.0.CO;2URL [本文引用: 1]摘要
Abstract Two new primary ice-nucleation parameterizations are examined in the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) cloud model via sensitivity tests on a wintertime precipitation event in the Sierra Nevada region. A model combining the effects of deposition and condensation-freezing nucleation is formulated based on data obtained from continuous-flow diffusion chambers. The data indicate an exponential variation of ice-nuclei concentrations with ice supersaturation reasonably independent of temperatures between 617° and 6120°C. Predicted ice concentrations from these measurements exceed values predicted by the widely used temperatures dependent Fletcher approximation by as much as one order of magnitude at temperatures warmer than 6120°C. A contact-freezing nucleation model is also formulated based on laboratory data gathered by various authors using techniques that isolated this nucleation mode. Predicted contact nuclei concentrations based on the newer measurements are as much as three orders of mag...
[14]Ziegler C L.Retrival of thermal and microphysical variables in observed convective storms. Part I: Model development and preliminary testing.
Journal of the Atmospheric Sciences, 1985, 42(11): 1487-1509.https://doi.org/10.1175/1520-0469(1985)0422.0.CO;2URL [本文引用: 2]摘要
Abstract The air flow in convective storms, the force that regulate the flow, and the processes that produce hydrometeors of various kinds are all being studied intensively by meteorologists using Doppler radar observations. The research reported here proceeds from the observed motion through accompanying thermodynamic and micro-physical processes to the analysis of hydrometer content and thermal fields in thunderstorms. A three-dimensional numerical kinematic cloud model employing Doppler wind fields is developed and used to diagnose temperature and mixing ratios within a thunderstorm. The microphysical parameterization includes stochastic coalescence effects in warm clouds as well as well- and variable-density dry hail growth. Known fields from a dynamically simulated cloud are used to establish the accuracy of the retrieval scheme. Real data tests indicate good agreement between retrieved and observed radar reflectivities, qualitative dynamic consistency between observed winds and retrieved buoyancies,...
[15]Edward R M, Ziegler C L.Simulated electrification of a small thunderstorm with two-moment bulk microphysics.
American Meteorological Society, 2010, 67(1): 171.https://doi.org/10.1175/2009JAS2965.1URL [本文引用: 1]摘要
Abstract Electrification and lightning are simulated for a small continental multicell storm. The results are consistent with observations and thus provide additional understanding of the charging processes and evolution of this storm. The first six observed lightning flashes were all negative cloud-to-ground (CG) flashes, after which intracloud (IC) flashes also occurred between middle and upper levels of the storm. The model simulation reproduces the basic evolution of lightning from low and middle levels to upper levels. The observed lightning indicated an initial charge structure of at least an inverted dipole (negative charge above positive). The simulations show that noninductive charge separation higher in the storm can enhance the main negative charge sufficiently to produce negative CG flashes before upper-level IC flashes commence. The result is a “bottom-heavy” tripole charge structure with midlevel negative charge and a lower positive charge region that is more significant than the upper posit...
[16]段婧, 毛节泰. 华北地区气溶胶对区域降水的影响
. 科学通报, 2008, 53(23): 2947-2955.Magsci [本文引用: 2]摘要
<p>利用长期的地面降水和能见度资料, 分析了华北地区人为气溶胶对区域降水的可能影响. 首先, 根据1960~1979年的旬降水量资料, 用包含显著性检验的聚类方法对研究区域内的自然降水量(这段时间被认为是没有受人为气溶胶污染的影响, 其降水被称为是自然降水量)进行分区, 同一个分区内, 降水的气候特征是相似的, 从而建立起分区中各个测站之间降水量的回归关系. 其次, 利用1990~2005年的能见度资料分析这些测站的能见度变化率, 选择能见度变化率的绝对值小于0.1 km/a的站作为参考站, 认为这些站没有受人为气溶胶污染的影响. 在上述每个分区内, 用参考站的降水量估算其他站的自然降水量, 实际降水量与该估计值之差即认为是由于人为气溶胶污染造成降水的减少量. 用1990~2005年的旬降水资料做了这种分析, 得到这段期间中每个测站由于人为气溶胶污染造成的降水减少总量, 并用统计检验方法证明这种减少是显著的, 从而得到人为气溶胶污染确实是使局地降水量减少的结论. 这一现象对夏季的降水较为明显, 可以认为局地的人为气溶胶通过对流活动影响到对流云的降水效率.</p>
[Duan Jin, Mao Jietai.The influence of aerosol of regional precipitation in North China.
Chinese Science Bulletin, 2008, 53(23): 2947-2955.]Magsci [本文引用: 2]摘要
<p>利用长期的地面降水和能见度资料, 分析了华北地区人为气溶胶对区域降水的可能影响. 首先, 根据1960~1979年的旬降水量资料, 用包含显著性检验的聚类方法对研究区域内的自然降水量(这段时间被认为是没有受人为气溶胶污染的影响, 其降水被称为是自然降水量)进行分区, 同一个分区内, 降水的气候特征是相似的, 从而建立起分区中各个测站之间降水量的回归关系. 其次, 利用1990~2005年的能见度资料分析这些测站的能见度变化率, 选择能见度变化率的绝对值小于0.1 km/a的站作为参考站, 认为这些站没有受人为气溶胶污染的影响. 在上述每个分区内, 用参考站的降水量估算其他站的自然降水量, 实际降水量与该估计值之差即认为是由于人为气溶胶污染造成降水的减少量. 用1990~2005年的旬降水资料做了这种分析, 得到这段期间中每个测站由于人为气溶胶污染造成的降水减少总量, 并用统计检验方法证明这种减少是显著的, 从而得到人为气溶胶污染确实是使局地降水量减少的结论. 这一现象对夏季的降水较为明显, 可以认为局地的人为气溶胶通过对流活动影响到对流云的降水效率.</p>
[17]顾震潮. 云雾降水物理基础. 北京: 科学出版社, 1980.URL [本文引用: 1]

[Gu Zhenchao.Cloud and Precipitation Physics. Beijing: Science Press, 1980.]URL [本文引用: 1]
[18]肖辉, 银燕. 污染气溶胶对山西一次降水过程影响的数值模拟
. 大气科学, 2011, 35(2): 235-246.https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9895.2011.02.04Magsci [本文引用: 1]摘要
利用耦合Morrision双参数物理方案的WRF (Weather Research and Forecasting) 中尺度数值模式, 对发生在2007年6月13日山西地区的一次强降水过程进行了模拟, 并对清洁和污染背景下气溶胶对云微物理结构和降水变化的影响进行了敏感性试验和对比分析。结果显示： 污染背景下, 降水区域没有明显变化, 中心强度变强, 网格平均降水量比清洁背景少0.8%; 雪和霰是雨水的主要来源, 高浓度气溶胶背景下, 前期暖云降水减弱, 后期大量雪粒子与云中云滴和雨滴碰并增长, 造成降水增强。
[Xiao Hui, Yin Yan.A numerical study of polluted aerosol effects on precipitation in Shanxi province.
Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2011, 35(2): 235-246.]https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9895.2011.02.04Magsci [本文引用: 1]摘要
利用耦合Morrision双参数物理方案的WRF (Weather Research and Forecasting) 中尺度数值模式, 对发生在2007年6月13日山西地区的一次强降水过程进行了模拟, 并对清洁和污染背景下气溶胶对云微物理结构和降水变化的影响进行了敏感性试验和对比分析。结果显示： 污染背景下, 降水区域没有明显变化, 中心强度变强, 网格平均降水量比清洁背景少0.8%; 雪和霰是雨水的主要来源, 高浓度气溶胶背景下, 前期暖云降水减弱, 后期大量雪粒子与云中云滴和雨滴碰并增长, 造成降水增强。
[19]Lim K S, Hong S, Yum S S, et al.Aerosol effects on the development of a supercell storm in a double-moment bulk-cloud microphysics scheme.
Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2011, 116(D2): 3-25.https://doi.org/10.1029/2010JD014128URL [本文引用: 1]摘要
[1] This study investigates the aerosol effects on the development of an idealized three-dimensional supercell storm, focusing on storm morphology and precipitation during a quasi steady state of a storm. The impact of the aerosol concentration on the simulated storm is evaluated by varying the initial cloud condensation nuclei (CCN) number concentration in the Weather Research and Forecasting Double-Moment Six-Class microphysics scheme. A right-moving, quasi-steady supercell with two diverging echo masses was reproduced, compared with the previous modeling study. In the experiment with a high CCN number concentration, storm intensity was weakened, and surface precipitation was reduced. On the other hand, the simulation that excluded the graupel substance produced a weaker low-level downdraft, thus less near-surface vorticity, compared with the simulation that included graupel. The CCN number concentrations did not affect the storm structures in the absence of graupel. In addition, the aerosol effects on the surface precipitation with respect to the initial CCN value were diametrically opposed. The major reason for the different responses to aerosol can be attributed to the exaggerated snow mass loading across the convective core when the graupel species is excluded. The results indicate that graupel species and related microphysics are crucial to the realistic representation of the aerosol-precipitation interactions within a supercell storm.
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