不同云滴数浓度参数化方案对硝酸盐气溶胶 第一间接效应影响的比较研究

在区域气候化学模式系统（RegCCMS）中,分别采用Hegg、Hansen、Ghan、Jones等4种云滴数浓度参数化方案,模拟研究了2003年10月硝酸盐气溶胶的浓度分布和第一间接气候效应,并对不同方案进行比较。结果表明,不同方案模拟的硝酸盐气溶胶分布大体上一致,主要集中在河南、山东、河北、四川等地,地面浓度最大值达18 μg/m3。Hegg、Hansen、Ghan、Jones等 4种云滴数浓度参数化方案计算得到的由硝酸盐气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-148、-205、-161和-140 W/m2。4种方案模拟的硝酸盐气溶胶间接效应都表现为近地面气温下降,降水减少,其中Hansen方案的间接效应最强,Ghan、Hegg方案次之,Jones方案最弱。     

数值模式中长波辐射参数化方案的对比试验

应用一个简化的长波辐射参数方案，与郭晓岚－钱永甫模式原有长波辐射参数化方案进行了对比，分析了它们对１００ｈＰａ，３００ｈＰａ，５００ｈＰａ，７００ｈＰａ及地面的高度场、温度场、流场及气压场模拟结果的影响，发现不仅两者结果相当一致，而且与实测结果也符合很好。     

冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

本文在已有的二维对流云模式中采用了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化经验公式, 并选取个例, 分别就两种方案进行了模拟对比试验。模拟结果表明:(1)新方案所得冰晶比含水量主要分布在-0.1~-7.6℃温区之间, 高于原方案所得的-50.1~-24.2℃温区;在整个雷暴云的发展过程中新方案冰晶的分布高度、温度区间以及最大浓度值均大于原方案。(2)在新方案中, 温度相对较高的过冷区产生大量冰晶, 其争食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增长。此外, 与原方案相比, 霰增长受雨滴大幅减小的影响进一步得到限制, 导致生成的霰小于原方案, 且空间分布具有较大区别。(3)两方案在雷暴云初期形成的电荷结构不同;在发展旺盛与消散阶段新方案中电荷空间分布区域和电荷量均大于原方案, 此外, 在不同时刻主正电荷区和主负电荷区的中心高度存在差异。本文对云微物理过程及起电的分析为后继探讨气溶胶与雷暴云起放电过程、电荷结构之间的相互关系提供了有利条件。     

冰晶核化对雷暴云闪电行为影响的数值模拟研究

为了探讨冰晶核化对雷暴云闪电行为的影响,通过已有的三维对流云起、放电模式探讨对比了3种冰晶核化方案,分别为原模式中的经验公式YS方案及与气溶胶相关的DE方案和LP方案。研究表明冰晶核化方案对雷暴云内冰晶微物理发展特征、起电及放电过程均有一定影响。模拟结果显示:(1)考虑了气溶胶的两种新参数化方案中冰晶粒子在高温区(高于-13.8℃)出现,在雷暴云发展过程中DE方案和LP方案冰晶的垂直分布均大于YS方案。(2)DE方案和LP方案中高温区出现的冰晶所带电荷极性有明显的反转现象,导致雷暴云电荷结构产生差异;雷暴云发展旺盛时刻DE方案和LP方案出现三级性电荷结构,而YS方案在整个雷暴云过程都是偶极性,并且DE方案和LP方案中电荷空间分布区域更加广泛。(3)不同核化方案下雷暴云放电特征存在差异,YS方案在偶极性电荷结构背景下没有负地闪产生,而DE方案和LP方案中次正电荷区的存在促进了负地闪的发生,并且负先导出现在较低的高度范围内;DE方案和LP方案中电荷量级较大,因此云闪发生频次以及正、负先导传播次数增加明显。     

云模式中气溶胶物理过程参数化方案研究概述

介绍了大气气溶胶的浓度、气溶胶的谱形等物理性质对云的微物理过程造成的影响以及目前云模式中常用到的一些气溶胶物理过程的体积水、分档等参数化方案,并评述了这些参数化方案各自的特点。提出了在设计气溶胶物理过程参数化方案时需要注意和有待解决的几个问题,建议在设计气溶胶-云相互作用的模式时,要根据不同的研究目的选择合适的参数化方案。     

WRF模式中微物理和积云参数化方案的对比试验

为了研究微物理参数化方案对珠江三角洲(简称珠三角)降水模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,在3 km模式分辨率下,在微物理方案为WSM6方案条件下,选用KF、BMJ、GD以及G3等四种积云参数化方案对2010年5月14日广东珠三角地区的一次暴雨过程进行了模拟试验。结果显示,KF方案对于降水带和降水量的模拟与实况较为一致。在积云参数化方案为KF条件下,分别选用Kessler、Lin et al、WSM 3、WSM5、Ferrier(New eta)和WSM6等6种微物理方案再次对这次暴雨过程进行模拟试验,模拟结果的对比分析表明:选用Lin et al微物理方案时,模式较好地模拟出了强降水雨带的位置和降水强度;而其他5种参数方案的模拟效果均不好,降水量明显偏小,雨带位置偏差较大;同时对低空急流、K指数和上升速度等物理量分析可知,Lin et al方案能较好地模拟出降水实况。     

CALMET模式不同参数化方案对江西省山地风场模拟的对比分析

通过降尺度模式CALMET不同参数化方案对江西山地风场测风塔风速风向模拟结果的对比分析,选取出适合山地风场模拟的最优参数化方案,并进行连续一年的模拟效果检验。结果表明:CALMET模式以不采用地形动力效应参数调整和Froude数调整,采用下坡气流效应调整和O’Brien垂直风速调整时,对江西省境内山地风场50 m以上高度层风场模拟效果最佳。最优参数化方案不仅能较好地模拟出山地风场测风塔逐时风速,并且对全年风速段分布模拟有较好的结果。CALMET模式能模拟出实际测风塔全年主导风向,但模拟与实测结果主导风向分布约有一个方位的偏差,主导风向频率有7%~8%的偏差。     

区域气候模式中云量参数化方案的研究

首先统计并分析了模式区域内夏季平均的云量分布状况，然后在一有限区域模式中，引进了云－辐射计算模式。比较了３种不同的云量参数化方案，最后提出了一种考虑了大气相对湿度、垂直运动速度的本模式的云量参数化方案，并简要介绍了模式引入不同方案后的模拟结果。模拟结果表明，本模式的方案模拟的云量分布及气候要素场都与实况最接近，说明这一机制反映了云在气候系统中的反馈作用。不同的区域模式宜用不同的云量参数化方案。云量     

数值模式中辐射参数化方案的对比试验

一个科化的长波辐射和甜美波辐射参数化方案，与郭岚一钱永甫原有辐参数化方案进行了对比，分析了它们对１００ｈＰａ，３００ｈＰａ、５００ｈＰａ、７００ｈＰａ及海平面气压场、高度场、温度场及辐射加热率计算结果的影响，发现，两者结果相当一致，高度场、温度场的相关系数都能达到０．９以上，短波辐射加热率的相关系也都在０．８－０．９之间，简化方案具有计算快捷，节约机时的优点，积分模式时间７２０小时，所需机时约比原     

不同对流参数化方案对1991年江淮暴雨的模拟对比

采用最新发布的区域气候模式RegCM3．1,分别引入Grell-AS、Grell-FC、Kuo和MIT-Emanuel 4种积云对流参数化方案,对1991年5～7月江淮地区暴雨进行模拟试验。从各月降水量的模拟来看,Grell—AS方案较好地模拟出了江淮暴雨的强度,尤其是对7月降水的强度和位置的模拟与观测非常接近;Grell—FC方案能较好地反映7月江淮暴雨的强度和位置,但对华南地区降水模拟一直显著偏强;Kuo方案能模拟大尺度降水的情况,但对强对流性降水模拟偏弱;MIT-Emanuel方案较好地反映了5月降水的空间形势,但各月降水的模拟都比观测强。从各区月平均降水的对比发现,Grell-AS和Kuo方案的模拟要优于Grell-FC和MIT-Emanuel方案。从降水的南北变动来看,Grell-AS方案较好地刻画了江淮地区雨带的强度和南北变动。高低空环流形势和整层水汽通量的分析表明,造成MIT-Emanuel方案降水模拟偏强的主要原因与水汽输送偏强有关。对4种积云对流参数化方案进行集合,其结果表明,物理过程集合方法能有效地减小物理过程参数化的不确定性对模拟结果的影响。     

Multi-year Simulations and Experimental Seasonal Predictions for Rainy Seasons in China by Using a Nested Regional Climate Model （RegCM_NCC）. Part Ⅰ： Sensitivity Study

A modified version of the NCAR/RegCM2 has been developed at the National Climate Center （NCC）, China Meteorological Administration, through a series of sensitivity experiments and multi-year simulations and hindcasts, with a special emphasis on the adequate choice of physical parameterization schemes suitable for the East Asian monsoon climate. This regional climate model is nested with the NCC/IAP （Institute of Atmospheric Physics） T63 coupled GCM to make an experimental seasonal prediction for China and East Asia. The four-year （2001 to 2004） prediction results are encouraging. This paper is the first part of a two-part paper, and it mainly describes the sensitivity study of the physical process paraxneterization represented in the model. The systematic errors produced by the different physical parameterization schemes such as the land surface processes, convective precipitation, cloud-radiation transfer process, boundary layer process and large-scale terrain features have been identified based on multi-year and extreme flooding event simulations. A number of comparative experiments has shown that the mass flux scheme （MFS） and Betts-Miller scheme （BM） for convective precipitation, the LPMI （land surface process model I） and LPMII （land surface process model Ⅱ） for the land surface process, the CCM3 radiation transfer scheme for cloud-radiation transfer processes, the TKE （turbulent kinetic energy） scheme for the boundary layer processes and the topography treatment schemes for the Tibetan Plateau are suitable for simulations and prediction of the East Asia monsoon climate in rainy seasons. Based on the above sensitivity study, a modified version of the RegCM2 （RegCM_NCC） has been set up for climate simulations and seasonal predictions.     

Indirect radiative forcing and climatic effect of the anthropogenic nitrate aerosol on regional climate of China

The regional climate model (RegCM3) and a tropospheric atmosphere chemistry model (TACM) were coupled, thus a regional climate chemistry modeling system (RegCCMS) was constructed, which was applied to investigate the spatial distribution of anthropogenic nitrate aerosols, indirect radiative forcing, as well as its climatic effect over China. TACM includes the thermodynamic equilibrium model ISORROPIA and a condensed gas-phase chemistry model. Investigations show that the concentration of nitrate aerosols is relatively high over North and East China with a maximum of 29 μg m^-3 in January and 8 μg m^-3 in July. Due to the influence of air temperature on thermodynamic equilibrium, wet scavenging of precipitation and the monsoon climate, there are obvious seasonal differences in nitrate concentrations. The average indirect radiative forcing at the tropopause due to nitrate aerosols is -1.63 W m^-2 in January and -2.65 W m^-2 in July, respectively. In some areas, indirect radiative forcing reaches $-$10 W m^-2. Sensitivity tests show that nitrate aerosols make the surface air temperature drop and the precipitation reduce on the national level. The mean changes in surface air temperature and precipitation are -0.13 K and -0.01 mm d^-1 in January and -0.09 K and -0.11 mm d^-1 in July, respectively, showing significant differences in different regions.     

Impact of primary ice nucleation parameterizations on the formation and maintenance of cirrus

Different ice nucleation algorithms are implemented in a cloud microphysical scheme and numerical simulations of clouds are performed using a three-dimensional mesoscale model. The predicted ice crystal fields are found to be sensitive to the different modes of calculation of the number of deposition/ condensation freezing nuclei and contact freezing nuclei. Also a time and supercooling dependence of this sensitivity is established.The general features of the cirrus clouds observed by the research aircraft Falcon during the 1989 (International Cirrus Experiment) mission ICE212 are compared to those of the cirrus clouds generated by the model. The cloud top height, the cloud ice content and the ice number concentrations seem to be reproduced well.     

亚洲地区气溶胶及其对中国区域气候影响的数值模拟

使用一个耦合入化学过程的区域气候模式 (RegCM3), 在NCAR/NCEP再分析资料驱动下, 通过多年时间尺度的连续积分, 进行了亚洲区域气溶胶硫酸盐、 黑碳和有机碳的时空分布及其直接气候效应的数值模拟。首先对模式的模拟能力进行了检验, 结果表明, 模式能够较好地模拟中国地区气温和降水的分布, 对该区域气溶胶的时空分布有一定的模拟能力。模式模拟得到的气溶胶浓度分布在冬季南北差异较大而夏季较小。气溶胶浓度与其形成的大气层顶和地面负短波辐射强迫有较好的对应关系。四川盆地是气溶胶浓度及其产生的辐射强迫的高值区。气溶胶对地面气温和降水都产生影响。其中所引起的冬季气温降低, 与气溶胶的分布和浓度有一定的对应关系, 但夏季引起的降温中心位于河套及黄河下游地区。气溶胶使得冬季和夏季中国东部大部分地区的降水减少。同时, 对气温和降水上述变化的原因进行了讨论。     

RegCM3对中国区域气候模拟的敏感性试验

为使区域气候模式RegCM3在中国区域气候的模拟中取得更好的模拟效果,针对RegCM3进行了初始场、模式水平分辨率、侧边界方案及积云对流方案的敏感性试验.结果表明:①从冬季开始的积分,模拟结果对初始场的依赖性较小;②模式水平分辨率的提高不一定会带来模拟效果的显著改善,高分辨率的嵌套模拟会对模拟效果有一定程度的改善;③选...     

中国地区黑碳气溶胶的第一间接辐射强迫与气候效应

将区域气候模式（RegCM3）与对流层大气化学模式（TACM）耦合, 建立区域气候化学模拟系统（RegCCMS）, 用以模拟研究中国地区黑碳气溶胶的空间分布、 第一间接辐射强迫及其气候效应。利用RegCCMS模式对2003年1月和7月进行模拟, 结果表明, 我国黑碳气溶胶主要集中在四川、 河北、 山东等地, 1月份浓度最高值中心在四川, 达到4 μg·m-3; 而在7月则出现在华中地区, 高值中心值为3.5 μg·m-3。地面浓度的季节差异不是很明显。1月和7月由黑碳气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-0.389 W·m-2和-1.18 W·m-2, 局部地区达到-4～-4.5 W·m-2。敏感性试验结果表明, 考虑黑碳气溶胶的第一间接气候效应后, 使得近地面气温下降, 降水减少, 1月变化的平均值分别为-0.025K和-0.0027 mm·d-1, 7月变化的平均值分别为-0.16K和-0.095 mm·d-1, 在不同季节和地区, 气温和降水的变化存在明显差异。     

陆面过程参数化对宁波地区雷暴过程模拟的影响

利用耦合复杂程度不同的陆面过程参数化方案(Noah、RUC)的新一代中尺度数值模式WRF,对2006年6月24日发生在宁波地区的一次典型的雷暴过程进行了数值模拟试验。结果表明:对于雷暴发生前期近地面热力、动力场的特征,Noah方案的模拟较为逼真,RUC方案没有反映出下垫面覆盖的多样性以及城市下垫面的影响,城乡之间差异不明显;Noah方案模拟的雷暴启动、发展过程与观测较为一致,RUC方案较好地描述出了演变过程中的关键阶段(3次合并过程);由于参数化所考虑的要素和物理过程存在一定差异,Noah方案在对降水的强度、降水中心位置的模拟方面具有一定优势;雷暴的持续时间对陆面过程参数化方案的选择比较敏感,两个方案所模拟的雷暴过程持续时间不同程度地长于实际雷暴持续时间;无论是哪种下垫面覆盖类型,白天Noah方案模拟的感热通量均大于RUC方案,而Noah方案模拟的潜热通量均小于RUC方案。     

我国不同背景地区大气冰核浓度特征及参数化

为深入了解我国不同背景地区大气冰核浓度特征,本文通过在我国不同地区进行大气冰核及气溶胶的采样观测。研究发现：观测期间,黄山光明顶的冰核浓度数值均值为2.208 L^-1;南京地区的冰核浓度数值均值为7.16 L^-1;泰山山顶的冰核浓度数值均值为3.455 L^-1;泰山山底的冰核浓度数值均值为4.818 L^-1;新疆地区无沙尘天气冰核浓度数值均值为11.27 L^-1;新疆有沙尘天气冰核浓度数值均值为51.812 5 L^-1。研究给出了不同背景地区的大气冰核浓度的温度谱和湿度谱的分布。同时,研究发现,冰核数浓度与粒径大于0.5μm的气溶胶粒子数浓度的相关性较高,也就是气溶胶粒子中大颗粒所占比例越高,冰核数浓度越高。此外,还建立了基于活化温度、过饱和度以及大于0.5μm气溶胶粒子数浓度的冰核参数化方案,它们可以分别适用于沙漠地表,相对清洁的背景区域和人为污染较多的城市背景。     

Aerosol Indirect Effects on Warm Clouds in the Grid-Point Atmospheric Model of IAP LASG (GAMIL)

Aerosol indirect effects on warm clouds are estimated in the Grid-point Atmospheric Model of the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics(IAP LASG)(GAMIL) with a new two-moment cloud microphysics scheme using two different physically-based aerosol activation parameterizations:Abdul-Razzak and Ghan,and Nenes and Seinfeld.The annual global mean changes in shortwave cloud forcing from preindustrial times to present day(a measure of the aerosol indirect effects) estimated from these two parameterizations are remarkably similar:0.76 W m?2 with the Abdul-Razzak and Ghan parameterization,and 0.78 W m?2 with the Nenes and Seinfeld parameterization.Physically-based parameterizations can provide robust representations of aerosol effects on droplet nucleation,meaning that aerosol activation is no longer the most uncertain factor in modeling aerosol indirect effects.     

陆面过程参数化对太湖地区雷暴过程模拟的影响

以2010年8月发生在太湖地区的一次雷暴过程为例,利用WRF模式进行48 h的短期天气模拟,分析两个陆面参数化方案(Noah方案和RUC方案)对雷暴过程模拟的影响。对比模式结果与实况降水以及太湖地区两个站点的近地面要素表明:雷暴过程对陆面参数化方案的选取较为敏感,不同陆面参数化方案可影响雷暴发生的时间、地点及强度,两种方案的降水中心值差达40 mm以上,其中Noah方案所模拟的降水与实况更为接近。通过对两个方案模拟的物理量场的对比分析发现,RUC方案中对流发展滞后于Noah方案2 h;这表明陆面过程对雷暴等中尺度对流过程有显著的反馈作用,不同陆面参数化方案的使用影响雷暴发生的动力和热力作用,并改变雷暴的时空分布特征。陆面过程通过改变地面热通量输送影响边界层结构,使得水平和垂直方向上的风和温度等发生变化并产生辐合辐散,进而影响对流的启动时间和对流发展强度。由于对不同植被的参数化处理的差异,Noah方案对下垫面特征的描述能力优于RUC方案,尤其是对城市下垫面的处理,这也使得之后该方案模拟的雷暴发生时间更加接近于实况且雷暴过程更加强烈。