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大涡模拟下多种冰晶繁生机制对深、浅对流云微物理过程影响的对比研究

冰晶繁生,大涡模拟

主题2 大气物理、化学、环境 > 专题2.13 云物理、气溶胶-云相互作用与极端降水事件

次生冰晶繁生 (SIP) 过程是决定混合相云中冰相粒子浓度、降水效率及辐射特性的关键因素。本研究基于高分辨率大涡模拟 (LES)，在 IAP-LACS 三矩微物理方案中耦合了四种不同的Hallet-Mossop繁生参数化方案。重点对比了 Cotton-I、Cotton-II 及基于物理机理的 Harris-Hobbs and Cooper (HHC) 等不同参数化方案在深、浅对流云个例中的表现。研究结果表明，在相同的动力背景下，不同 SIP 参数化方案导致的冰晶数浓度增益存在显著差异。其中，耦合 HHC 方案的模拟实验显示出最为强烈的冰晶繁生信号。在浅对流云中，由于上升气流较弱，水凝物在 HM 区（-3 至 -8°C）停留时间较长，HHC 方案触发了爆发性的冰晶增长，使主导降水类型由暖雨向霰粒子转变。在深对流案例中，尽管强上升气流限制了初始繁生效率，但 HHC 方案生成的“种子”冰晶通过垂直输送调节了云顶结构，其对液/固相降水分配的调制作用较其他方案更为显著。目前分析显示，HHC 方案因其不仅考虑了温度函数，还显式计入了云滴谱分布及粒子间碰撞效率的物理依赖，其繁生效率在各案例中均处于最高水平。然而，SIP 过程与云动力场之间的非线性反馈机制仍具有复杂性，后续工作将进一步探讨不同机制在云生命周期不同阶段的贡献，以期为数值天气预报微物理方案的改进提供更明确的物理依据。