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暖云活化和滴谱离散度参数化方案的修正优化

液相云,微物理,活化,云滴谱,参数化

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

在天气和气候模式中，云微物理参数化方案直接影响云降水和云辐射的模拟效果。本此报告主要介绍报告人对暖云的气溶胶活化成云参数化和云滴谱离散度参数化的修正和优化。

气溶胶活化过程决定云滴数目，进而影响云微物理结构、降水过程、生命周期及辐射效应。云凝结核（CCN）探测试验为天气和气候模式确定活化参数化中可调参数，直接影响模式对云滴数目的预报。然而，CCN测量受限于光学粒子计数器探测范围在0.75至10微米，测量结果会存在未活化颗粒影响。相比于先前研究忽略亦或以1微米作为经验阈值来区分活化滴与霾粒，我们使用基于Köhler理论推导出的活化滴临界活化直径和临界过饱和度的反比例关系来准确区分未活化颗粒与活化滴。并使用对地区的CCN测量数据，评估未活化颗粒在CCN测量中占比。并提出适用于修正后CCN数浓度和水汽过饱和度的拟合方程，且给出模式中原本幂律函数活化参数化的修正系数。近一步地，将考虑动力学修正后的活化参数化订正方法应用到WRF-SOLAR-FASTER模式中模拟浅积云个例，发现未修正的活化参数化会显著高估气溶胶的间接辐射效应。

云滴谱相对离散度（ε）表征滴谱的相对宽度，对云辐射和降水过程均具有重要影响，因此天气和气候模型中离散度的准确表示是必要的。然而目前基于离散度和云滴数浓度建立的离散度参数化或直接将离散度设定为常数的方法并不能满足需求。因此，我们基于我国多地区低云和雾的地基观测试验数据改进云滴谱离散度参数化。首先基于2017-2018年南京城市雾的观测，揭示了不同的离散度效应，即随体积平均直径（Dv）增大，离散度先增加后减小，并由此建立了一种非单调的离散度参数化来诊断离散度效应。同时指出驱动不同离散度效应的主要微物理过程是活化、凝结、失活、蒸发和沉降等。进一步地，基于中国城镇、郊区、山地、沿海和雨林五种典型下垫面的地基云雾观测资料，测试证实了ε随Dv“先增后减”的非单调关系的普遍性与稳定性。最后将该关系作为新离散度参数化引入WRF-LES，评估对云雾微物理特征的模拟效果。结果表明，相比传统方案，云滴谱形参数与云滴有效半径模拟平均改善率分别达95.18%和81.62%；新方案捕捉到了观测中ε与液态水含量的复杂非线性关系，显著增强云雨自动转化率（平均+70.50%），同时降低云光学厚度、减弱云辐射冷却。研究建立并验证的基于物理观测、具有普适性的非线性ε参数化方案，能更真实地模拟云雾的微物理、辐射及降水过程，为提升天气与气候模式中气溶胶间接效应的模拟精度、减少相关不确定性提供了重要依据。