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本文以包括京津冀地区的中国华北地区为例,对该地区的气溶胶影响区域降水的现状及可能的机制进行深入探讨。随着人类活动的加剧,气溶胶的增加导致云凝结核(CCN)增加,从而对降水产生影响的结论已经得到一些观测的证实。但是,目前针对气溶胶对降水的影响程度,还没有以某中尺度范围为研究对象的观测证据:对气溶胶影响降水的重要环节--CCN,也由于观测的限制以及缺少系统性的观测实验,缺乏对其详细和全面的了解。
因此,本研究首先用长时间的降水和能见度地面观测资料,通过有严格检验的统计方法,证明在中尺度的空间范围中,气溶胶的增加会使局地降水减少,给出了气溶胶影响区域降水的实际证据。对地面观测资料分析表明,全年四个季节中,夏季气溶胶对降水有明显的抑制作用。原因可能是由于夏季多对流性降水以及该季节降水量占全年降水量较大引起的。然后,通过中尺度天气模式WRF模拟气溶胶对降水的影响情况和程度,用云滴数浓度(Nc)的变化来模拟降水的变化情况,以此来证明气溶胶可能对降水产生的影响。模拟个例选择了一次冷锋影响下包含对流性降水的降雨过程。选择的Thompson方案和WSM6方案模拟结果表明,Nc增加,各方案的模拟结果均使降水减小。由于冷锋降水对华北地区夏季降水有重要贡献,因此认为此次模拟结果间接证明了气溶胶增加,在气候效应上有抑制区域降水的作用。总的来说,模拟结果表明,气溶胶在夏季对降水的抑制作用和程度与上面历史观测数据的分析结果基本一致,证明了气溶胶在夏季对区域降水的抑制作用。
改进微物理模式需要关于气溶胶和CCN详细的参数化过程,利用系统的地面和飞机观测分析可以得到相应结果。本文利用地面及机载气溶胶和CCN观测设备,对华北地区气溶胶和CCN做了系统的观测,并统计了它们的垂直分布特性。结果表明,在一般条件下,气溶胶和CCN的浓度随高度呈e指数递减,气溶胶活化为CCN的活化率不随高度变化,它随云中的过饱和度(SS)的增长呈指数增加。分析了气溶胶的谱特征和日变化特征,建立了PM10质量浓度与PM2.5数浓度之间的参数化关系;得到了CCN不同过饱和度条件下、不同季节的日变化特点、活化谱拟合参数;根据飞机资料的探测方法和数据特点,选择了有垂直探测的不同下垫面作为研究地点,包括大陆性下垫面(石家庄、邯郸、邢台、唐山、衡水湖)、坝上(张家口、张北、康保)和渤海湾,对这些地点的气溶胶和CCN垂直分布函数的拟合参数进行了比较。最后,将地面观测和飞机观测资料相结合,总结了华北地区大陆性气溶胶和CCN的参数化模型:包括粒子的垂直分布方程;气溶胶活化为CCN的活化率随SS指数变化的规律。为模式中微物理过程的改进提供了重要的参数化依据。