华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究

为考察云数值模式中的云物理方案和对实例云物理和降水过程的模拟能力, 本文将中尺度数值模式(WRF)模拟的华北地区一次积层混合云的微物理结构特征、降水过程与国家科技支撑计划重点项目环北京地区三架飞机联合云探测实验数据以及雷达、地面降水观测数据进行了深入的比较和验证研究。结果表明:WRF 模式能够较好地模拟出此次积层混合云的云系演变、雷达回波和降水分布特征。对比结果是:(1)模式模拟的云中液态水浓度(LWC)与飞机观测值具有较好的一致性, 在3℃ 层, 飞机观测的LWC 最大值为0.8 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为0.78 g m-3, 两者接近;在－8℃ 层, 飞机观测LWC 最大值为1.5 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为1.1 g m-3, 模拟值偏小;在－5℃ 层以下, 模式能够准确模拟云中水凝物的垂直分布, 包括融化层的分布, 模拟的水凝物质量浓度与实测吻合。而对固态水, 在－6～－10℃, 由于模式中雪粒子凇附增长过程较大, 聚合过程发生的高度偏高, 导致模式模拟的固态水凝物质量浓度高于实测值, 说明模式在雪粒子增长过程的处理方面有待进一步改进。(2)在云粒子谱参数方面, 在－8℃ 层, 由于模拟的雪粒子质量浓度偏高, 所以模式计算的粒子谱的截距和斜率都小于飞机观测值, 模拟偏小;在－5℃ 层, 两者比较接近;在3℃ 层, 由于云中小粒子浓度逐渐减少, 所以模式计算的斜率接近观测值, 但是截距大于观测值, 说明模式降水粒子谱参数的描述方案有待改进, 模式中谱形参数μ 不应一直设置为0, 而是应该随着高度变化而变化。     

混合相层状云系模式和中尺度低涡云系的实例模拟

在Ａｎｔｈｅｓｅｔａｌ．的中尺度模式基础上引入胡志晋的双参数层状云模式并重新编制了程序，构成一个包含三种水相态和比较详细云物理过程的三维层状云系模式。为保持在较长时步中计算的稳定和精度，对微物理过程的计算采用混合格式，少数过程采用时间分裂格式，在相变过程的处理上设计了同时计算不同相态相变的参数化方案，按Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方法设计了粒子下落格式。用干模式、积云参数化模式、两相显式模式和本文模式对两个中尺度低涡个例作了模拟，对比分析不同模式的模拟能力。结果表明本文模式对涡环流结构、云场和降水分布的摸拟比其他模式更合理，更接近实况。     

1960年以来东亚季风区云-降水微物理的直接观测研究

云-降水的直接观测结果是云微物理参数化的重要依据。自1960年以来,处于东亚季风影响下的中国实施了大量对云-降水微物理参数的观测和研究,旨在加深对云-降水微物理过程的认识,从而改进数值模式中云微物理参数化方案和指导人工影响天气作业。云-降水微物理参数包括气溶胶、冰核、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、冰雹等粒子浓度和谱分布,以及云滴、雨滴含水量等。中国已有云-降水微物理参数的成果可归纳为:(1)通常云-降水微物理粒子浓度变化较大,但总体变化有一定的范围;(2)采用Γ函数拟合云滴谱更接近实际谱,但不同拟合谱参数差异较大;(3)可用指数函数和Γ函数来拟合层状云降水雨滴谱,Γ函数拟合积云和层积混合云降水雨滴谱精度更高;(4)中国冰核浓度较高,冰核浓度随温度的降低近似成指数变化;(5)冰晶谱、雪晶谱、冰雹谱通常采用指数函数来描述;(6)通常使用荣格(Junge)和Γ函数来分段描述气溶胶粒子谱拟合误差更小。由于云-降水过程及其反馈作用描述不准确是数值模式预报结果不确定性的最大因素,中国正在不断地推进云降水的微物理观测研究,以期进一步加深对东亚季风区云-降水微物理特征的认识,从而为模式中微物理参数化方案的改进提供观测依据和科学指导。基于数值预报模式中云微物理过程参数化发展的需要,总结了中国1960年以来云-降水微物理直接观测的研究成果,可为东亚地区云-降水微物理研究及其模式参数化方案的改进提供观测依据。此外,针对云微物理参化发展的需求,结合过去已有的大量观测提出了几点建议,为今后云-降水物理综合性观测方案的设计提供参考。     

粒子下落末速度和粒子谱形参数对降水模拟影响的数值研究

数值模式能否准确地对降水过程进行预报,很大程度上取决于云微物理参数化方案能否准确地对云内的物理过程进行描述。目前显式云微物理参数化方案中对粒子的下落速度、不同直径粒子的浓度分布两方面的微物理特征,分别使用质量加权下落末速度和粒子谱进行描述。因此,参数化方案中不同的描述方式直接影响数值模式对降水过程的模拟结果。本文使用耦合了一种新的体积水法双参数云微物理参数化方案的WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）3.5.1版本对发生在2013年5月8日的一次华南强降水过程进行模拟,分别对Ferrier和Locatelli两种质量加权下落末速度计算方法,以及常数参数和根据东亚地区实际观测结果改进的谱形参数两种粒子谱形参数设置的模拟结果进行分析,并对他们的四组参数组合预报结果进行评估。结果表明:（1）质量加权末速度的改变对降水强度有一定影响;（2）粒子谱形参数对模拟降水的强度和发展都有明显的影响,且谱形参数对本次降水模拟的影响强于下落末速度的影响;（3）Ferrier质量加权末速度和改进的谱形参数的组合试验组对降水的预报效果,相对其他三组试验有较明显的优势。     

微物理过程参数化方案对辽宁一次暴雪的数值模拟差异分析

利用WRFv3.9.1中尺度数值模式,采用Lin、WSM6、Thompson、WDM6四种微物理过程参数化方案对2007年3月4日辽宁特大暴雪过程进行了数值模拟研究。使用61个国家级气象站降水观测资料,评估了模式对此次降水过程的模拟能力,对比分析了不同微物理过程参数化方案模拟降雪过程中相态变化和水成物空间分布的差异。结果表明:4种微物理过程参数化方案均能模拟出与CloudSat卫星反演反射率分布相接近的结果,其中Thompson方案模拟的回波顶更高,向北伸展的范围也更大,其他3种方案回波顶高均在8 km附近。4种方案对降水落区的模拟略有差异,整体来看WSM6方案对本次降水的极值中心位置,以及不同降水量级的TS评分整体都优于其他3种参数化方案。降水相态模拟与观测的对比分析发现,WSM6、Lin和WDM6三种方案均能够模拟出雨雪分界线不断南压的过程且雨雪分界线位置准确,而Thompson方案对辽宁南部地区雨转雪时间模拟偏晚。从云微物理特征上看,4种方案均能模拟出大气低层存在的雨水粒子,其中WDM6方案模拟的雨水含量明显较其他3种方案更多,Thompson方案模拟出更多的雪粒子和最少的霰粒子,Lin方案霰粒子南北范围广、伸展高度高,WSM6和WDM6两种方案模拟出较少的霰粒子,这两种方案模拟的云冰高度也更低,正是各种水成物空间分布的差异决定了不同微物理过程参数化方案对降水量和降水相态模拟的差异。      

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

大气混合层的数值研究

本文从干混合层模式数值试验所得各种平均要素,厚度以及其它物理量的变化分析讨论了混合层的一些基本物理特性。并利用Wangara资料进行一些比较和试验。本文目的试图建立一个合理的混合层预报模式,并探索一种适合于数值天气预报模式的边界层参数化方案。     

大气污染物SOx输送方程的尺度分析

文中用量纲分析方法分析了控制大气污染物输送方程的动力学特性。提出了 6种反映大气污染物输送过程中各种动力、物理和化学过程相对重要性的动力学参数。并以硫氧化物为例进行了各参数量级大小分析 ,尤其对 3种起汇作用 (去除机理 )的机理 (化学转化、干沉降和湿清除 )在不同尺度大气污染过程中的作用进行了详细分析。结果表明 :在一般情况下 ,SO2 的气相化学作用小于干沉降和湿清除的作用 ;干沉降作用很依赖于模式最底层厚度的选取 ;在有降雨时湿清除作用一般较大。文中还对大气污染物SOx 输送方程各项特征量的量级作了分析对比 ,得出了控制不同尺度大气污染物输送过程的零级近似方程和一级近似方程 ,并指出了这些方程的基本特征     

多层模式中臭氧加热率的计算及其对大气温度场的影响

本文介绍一个简单、经济的适用于各种多层大气环流模式中计算臭氧加热率的参数化方案,利用这一方案,可根据臭氧总量气候观测值及其垂直分布资料计算臭氧加热率,也可以在模式中加入臭氧方程,用预报的臭氧含量计算臭氧加热率.用此方案对单站气候资料试算,结果指出,随着高度的增加,臭氧吸收太阳辐射对大气太阳加热率的贡献逐渐接近、达到并在平流层50hPa附近明显超过其它物质如水汽的贡献.此方案用于九层大气环流模式时,对其辐射加热率的计算有较理想的改进,并使模拟的大气温度垂直分布更符合观测事实.     

河北省降水性层状云宏微观物理特征

利用2009年河北省春秋季17架次飞机宏观观测资料和相应的机载PMS云微物理探测数据,经过回放处理、筛选和计算,统计分析近年河北省降水性层状云物理特征。结果表明：河北省降水性层状云是以Ns、Sc、As为主的多层云系,且多伴随有干层结构。云底平均高度、过冷层厚度、0℃层高度分别为2002、1106 m和3811 m。微物理方面,云滴数浓度平均为54.6 cm^-3,平均直径为8.64 μm。云粒子浓度和尺度均比20世纪90年代各特征值有所减少。统计计算的降水性层状云中液态水含量为0.13 g·m^-3,远大于20世纪90年代的值。     

Evaluate dry deposition velocity of the nitrogen oxides using Noah-MP physics ensemble simulations for the Dinghushan Forest,Southern China

There has been a rapid growth of reactive nitrogen (Nr) deposition over the world in the past decades. The Pearl River Delta region is one of the areas with high loading of nitrogen deposition. But there are still large uncertainties in the study of dry deposition because of its complex processes of physical chemistry and vegetation physiology. At present, the forest canopy parameterization scheme used in WRF-Chem model is a single-layer “big leaf” model, and the simulation of radiation transmission and energy balance in forest canopy is not detailed and accurate. Noah-MP land surface model (Noah-MP) is based on the Noah land surface model (Noah LSM) and has multiple parametric options to simulate the energy, momentum, and material interactions of the vegetation-soil-atmosphere system. Therefore, to investigate the improvement of the simulation results of WRF-Chem on the nitrogen deposition in forest area after coupled with Noah-MP model and to reduce the influence of meteorological simulation biases on the dry deposition velocity simulation, a dry deposition single-point model coupled by Noah- MP and the WRF-Chem dry deposition module (WDDM) was used to simulate the deposition velocity (V_d). The model was driven by the micro-meteorological observation of the Dinghushan Forest Ecosystem Location Station. And a series of numerical experiments were carried out to identify the key processes influencing the calculation of dry deposition velocity, and the effects of various surface physical and plant physiological processes on dry deposition were discussed. The model captured the observed V_d well, but still underestimated the V_d. The self-defect of Wesely scheme applied by WDDM, and the inaccuracy of built-in parameters in WDDM and input data for Noah-MP (e.g. LAI) were the key factors that cause the underestimation of V_d. Therefore, future work is needed to improve model mechanisms and parameterization.     

欧拉型区域硫沉降模式研究

建立了一个三维硫沉降欧拉模式，模式中比较全面地考虑了硫沉降过程中的物理、化学机制。包括平流、扩散、干湿沉降和积云的垂直输送作用等物理过程，气相化学、液相化学和气溶胶表面的非均相化学等化学过程。其中非均相化学和积云的垂直输送参数化在国内外同类模式中尚不多见。模式结果与实测及其他模式结果的对比表明，该模式能够较好地模拟出SO2的水平和垂直分布及SO2-4在降水中的浓度。     

一种大气污染物干沉积速率的计算方法及其应用

介绍了一种计算大气污染物干沉积速率的方法。这种方法详细地考虑了植物生理特征和冠层内湍流结构对干沉积的影响，考虑了3层覆盖物对表面阻抗的影响，通过计算7个不同的阻抗因子获得干沉积速率。利用该方法计算了农田下垫面上7种不同大气污染物沉积的表面阻抗和江西(鹰洋)红壤典型地区农田下垫面上的二氧化硫(SO2)和硫酸盐(SO4^2—)的干沉积速率，估算了大气硫输入农田生态系统的干沉积通量，并与其他方法作了定量比较。结果表明：农田下垫面上SO2与SO4^2—的干沉积速率平均值分别为0．31cm／s，0．20cm／s；干沉积速率具有明显的日变化特征，一般白天大于夜间，中午时分出现最大值；月际变化也较明显，在冬季有大值；大气硫输入农田生态系统的全年干沉积通量为7．35g/m^2。     

颗粒物干沉降对AERMOD模型预测大气污染的影响

AERMOD模型是《环境影响评价技术导则—大气环境》中的推荐模式。为了更好地验证颗粒物干沉降作用对该模型预测结果的影响,选取福州市的煤堆场作为面源污染源,对预测范围内所有网格点PM10、TSP最大地面浓度进行预测。结果表明：所有网格点TSP地面浓度考虑干沉降时,约为不考虑干沉降时的0.13;PM10地面浓度考虑干沉降时,约为不考虑干沉降时的0.70,干沉降对TSP的影响大于PM10。同一粒径分布下,密度对颗粒物干沉降的影响较大,密度增加对可吸入颗粒物干沉降的影响大于总悬浮颗粒物,当密度大于3 g.cm-3时,所有网格点PM10与TSP地面浓度比值的平均值接近于0.98,认为粒径大于10μm的颗粒物基本完全沉降。此后,随着密度增加网格点处地面浓度的减小主要由PM10的沉降引起。AERMOD考虑干沉降时,距离污染源中心500 m外的网格点处地面浓度,PM10/TSP〉0.98,大于10μm的粗颗粒几乎完全沉降。     

Simulation of Global Hydrogen Levels Using a Lagrangian Three-Dimensional Model

Many previous assessments of the global hydrogen budget have used assumed global averages of temperatures and levels of key reactants to calculate the magnitudes of the various sinks. Dry deposition is by far the largest hydrogen sink but has not been considered in detail in previous estimates of the hydrogen budget. Simulations of hydrogen using a global three-dimensional Lagrangian chemistry-transport model and two different dry deposition schemes were compared with surface measurements. An improved dry deposition scheme which included the effects of soil moisture gave better agreement between the modelled hydrogen levels and surface measurements. The seasonal variation in the hydrogen levels was also simulated much more accurately with the new dry deposition scheme. The model results at high southern latitudes were insensitive to the relative partitioning of the sources between fossil fuel combustion and biomass burning. The results indicate a global mean hydrogen dry deposition velocity of 5.3×10^–4 m s^–1 which is lower than the previously used 7×10^–4 m s^–1.     

AN AIR POLLUTION PREDICTION TECHNIQUE FOR URBAN DISTRICTS BASED ON MESO-SCALE NUMERICAL MODEL

1 INTRODUCTION Since the 1930’s, urban air pollution has caused increasing concerns across the world[1]. Various pollution prediction techniques have been put into use in the 1970’s and significant results have been achieved[2]. Air quality prediction has been operational over recent years in many parts of China owing to cooperation between meteorological and environmental protection departments[3 – 9]. The prediction is conducted via either numerical model, potential or stochastic app…     

关于我国和东亚酸性物质的输送研究 I. 三维欧拉污染物输送实用模式

本文发展了一种三维欧拉型污染物长距离输送实用模式，比较详细地考虑了源、输送、干、湿沉降、气、液相化学过程。用分裂解法对气相化学过程进行查表式处理，颇具特色，使用实测气象输入场，节约了大量的计算机资源。通过模式的灵敏度试验，模式具有较高的分辨率和灵敏度。根据与实测资料对比，模式有较好的可信度，能方便的计算长时间（月、季、年）的污染物沉降及远距离输送态势。     

Effects of a Remotely Sensed Land Cover Dataset with High Spatial Resolution on the Simulation of Secondary Air Pollutants over China Using the Nested-grid GEOS-Chem Chemical Transport Model简

A number of remotely sensed land cover datasets with spatial resolutions ~〈 1 km have recently become available or are in the process of being mapped. The application of these higher resolution and more up-to-date land cover datasets in chemical transport models （CTMs） is expected to improve the simulation of dry deposition and biogenic emissions of non-methane volatile organic compounds （NMVOCs）, which affect ozone and other secondary air pollutants. In the present study, we updated the land cover dataset in the nested-grid GEOS-Chem CTM with the 1 km resolution GLC2000 land cover map and examined the resulting changes in the simulation of surface ozone and sulfate over China in July 2007. Through affecting the dry deposition velocities of ozone and its precursors, using GLC2000 in the dry deposition module can decrease the simulated surface ozone by 3% （up to 6 ppb） over China. Simulated surface sulfate shows an increase of 3% in northwestern China and a decrease of 1% in northern China. Applying GLC2000 in the biogenic emissions of the NMVOC module can lead to a 0.5--4.5 ppb increase in simulated surface ozone over East China, mainly driven by the larger cove~：age of broadleaf trees in East China in the GLC2000 dataset. Our study quantifies the large sensitivity to land cover dataset~ with different spatial resolutions and time periods of simulated secondary air pollutants over China, supporting ongoing research efforts to produce high resolution and dynamically updated land cover datasets over China, as well as for the globe.     

On Modeling Dry Deposition of Long-Lived and Chemically Reactive Species over Heterogeneous Terrain

An explicit multi-layer subgrid-scheme was developed for ameso-/-scale model to consider subgrid-scale surface heterogeneity, dry deposition, biogenic and anthropogenic emission of trace gases. Since dry deposition measurements of highly reactive trace species are scarce we try to evaluate this scheme by heuristic principles. The results of simulations conducted for a 5×5 km² resolution with and without thisscheme are evaluated by using results of a model run with 1×1 km²resolution, which is taken as a `grand thruth' and which has the same resolution as the subgrid. The explict multi-layer subgrid scheme provides a similar distribution of dry deposition fluxes as the much more computationally expensive simulation with the 1×1 km² resolution.Dry deposition fluxes determined from observations give evidence that the explicit multi-layer subgrid scheme which does not require a constant flux approximation for a layer of several decameters leads to an improvement in determining the exchange between the atmosphere and the ground.Results of simulations with a microscale model show that the inhomogeneity at forest edges leads to an increase of the turbulent transports of up to a factor 4 compared to horizontally homogeneous terrain, which is assumed to be the conditions of the subgrid cells (and which is usually the assumption for the entire grid cell in mesoscale models). Inhomogeneity inside an extended stand of trees causes an overall increase of 5–10% withhigh local extremes, i.e. such an inhomogeneity results to an underestimation of dry deposition in meso-/-scale models. The effects are most pronounced for a wind direction perpendicular to the forest edge.