[00128368]大气污染物对华北地区降水及云微物理过程影响的数值研究

1.课题来源和背景 本项目是国家自然科学基金青年项目,执行时间为2017年1月-2019年12月,该项目名称为“大气污染物对华北地区降水及云微物理过程影响数值研究”。 2.技术原理及性能指标 近年来,随着工业的发展和人类生活水平的不断提高,大气污染问题日益严重。大气污染物不但会对人的身体健康造成威胁,同时还会对全球气候产生重大影响。各种大气污染物可以充当大气气溶胶,云凝结核,参与到云和降水的形成过程中。现如今,气溶胶与云和降水相互作用成为大气科学的热点和前沿问题。尽管有关于气溶胶和降水关系的研究已经很多,但是由于两者关系的复杂性,目前仍未得到确切的关系。本文主要利用中尺度数值模拟和敏感性数值试验的方法,研究大气污染物种类和浓度对华北地区云微物理过程和降水的影响。其中包括当排放源种类和浓度发生变化时,对华北地区冬、夏两季典型降水过程降水云的发展演变过程的影响、对降水微物理过程的影响、对降水形成机制的影响,同时对比冬、夏两季的异同。此项研究对于深入认识气溶胶和降水形成过程是非常重要的,为大气污染学、云降水物理学和污染背景下人工影响天气的研究提供了重要的科学依据。 3.技术的创造性与先进性 目前由于人类活动和环境大气污染使得气溶胶粒子浓度大幅度上升,气溶胶增加对云和降水的影响问题普遍受到关注。但总的来说,主要是研究气溶胶增加或减少对降水量的影响,而对排放源改变导致气溶胶种类和浓度发生变化对云和降水形成的物理过程少有研究,尤其是这种变化可能导致的云微物理过程改变,进而导致地面降水结构和分布变化。本项目研究尝试通过改变WRF-chem模式的排放源,进行敏感性试验的方法,研究不同气溶胶种类和浓度对典型云和降水过程的影响。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性 本项目使用的大气化学模式WRF-Chem是一种非常成熟的数值模式,适用于气象要素和污染物浓度的模拟,模拟效果较好,安全性强。 5.应用情况及存在问题 本项目获得的个例观测数据集,除了本项目使用以外,还可以用于今后其他方面的研究;Morrison方案的改进可以用于微物理过程的研究,作为降水的中间转化量,可以与飞机观测进行对比,检验模式物理过程的准确性;本研究中得到的大气污染物对华北地区冬、夏典型个例降水和云微物理过程的影响结果可以与其他个例进行对比,分析异同,以便更好地了解气溶胶对降水的影响。此项研究对于深入认识气溶胶和降水形成过程是非常重要的,为大气污染学、云降水物理学和污染 背景下人工影响天气的研究提供了重要的科学依据。 气溶胶对降水的影响是非常复杂的,在不同的气象条件和气溶胶环境下是非线性的,不同的降水类型个例结果有所不同,敏感程度也有所不同。这里我们只对几次降水过程进行短时间的敏感性试验,因此只能针对个例得出结论。今后还需要针对不同类型的降水个例进行长时间的敏感性试验,来分析不同微物理方案中气溶胶对降水的影响。 6.历年获奖情况 通过3年的研究项目获得了几个典型降水个例气象、污染观测的数据集,为本研究及今后的研究奠定了基础;改进了Morrison微物理参数化方案,为研究微物理过程提供了有利的工具;揭示了华北地区冬夏典型降水个例大气污染物对降水及云微物理过程的影响并且对比分析了异同。 在项目的支持下,在国内外学术期刊上共发表6篇学术文章,清单如下： 1.郭淳薇,孙兆彬,李梓铭等,2017. 北京地区近30年大气污染扩散条件变化,环境科学,38（6）: 2202-2210 2.翟亮,郭淳薇,马新成,等,2018．北京2016年“11.20”初雪预报偏差分析．气象,44（1）：151-158 3.郭淳薇,杨慧玲,成丹,2018. 不同微物理方案中云凝结核数浓度对北京一次暴雨过程影响的对比研究. 干旱气象,36（6）：979- 989 4.C.W. Guo, H. Xiao, H.L. Yang, W. Wen.2019. Effects of Anthropogenic Aerosols on a Heavy Rainstorm in Beijing. Atmosphere, 10, 162 5. Z.B. Sun, H. Wang*, C.W. Guo*,et al. 2019. Barrier effect of terrain on cold air and return flow of dust air masses. Atmos. Res. 220: 81-91 6.C.W. Guo, H. Xiao, H.L. Yang, et al.2019. Effects of Cloud Microphysical Latent Heat on a Heavy Rainstorm in Beijing. Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences,55（3）: 477-492