论文摘要
通过在中尺度模式MM5中在线耦合分档多组分的气溶胶模式，引进开发了气溶胶及其前体物的平流和湍流输送方案，形成了在线气溶胶数值模拟系统MM5-CUACE/Aero，评估了CUACE/Aero对气溶胶浓度和光学特征的模拟效果，表明模式模拟结果在观测的2倍因子范围之内，与国际同类模式的模拟水平相当；同时还指出提高此系统数值模拟效果的几个途径，并利用实测气溶胶数谱在模式系统中重新构建了多种气溶胶组分的初始排放粒径，使原先AOD模拟值系统性偏高情况明显改善，并成功模拟新粒子生成事件。本文还利用我国实测的气溶胶与云滴谱的关系，将CUACE/Aero中气溶胶的变化与单参云模式REISNER2结合，在MM5-CUACE/Aero中建立了气溶胶-云-降水的参数化方案。发现当云的凝结核（CCN）从500cm-3增加到2000cm-3，，会导致云水自动转化率降低12个量级，使雪的清除效应降低约80%，雪与云冰的碰并、霰的收集、以及与雨水的碰并等分别降低为30%、20%和11%，显示出高污染气溶胶对云的微物理特性影响与清洁区域的显著差异。个例数值试验显示，气溶胶对2012年7月2225日72小时累计降雨最大改变中心可达20%，对7月2731日72小时累计降水的最大改变中心可达10%，气溶胶在一定程度上改变了降水的分布。在以上研发工作的基础上，还进一步在GRAPES-CUACE/Aero平台上，引进开发了双参云模式WDM6，还开发了分档多组分气溶胶活化方案ABG，并与泰山站实测的CCN活化谱以及气溶胶各化学组成质量浓度和粒度谱对比，发现ABG方案较好反映出我国华北区域气溶胶活化状况。CUACE/Aero利用ABG实现了为双参云模式提供动态的CCN活化谱。由于积云参数化降水占GRAPES模式降水量的90%以上，本文还将气溶胶以及ABG方案引入积云参数化KF方案中，解析积云云滴gamma分布谱函数，将实时活化的CCN与积云云滴谱结合改进积云对流参数化中的降水方案，建立了从排放-气溶胶-层云/对流云-总降水完整的气溶胶-云相互作用关系。在开发过中，还解决了GRAPES模式积分不稳定的情况。初步个例试验结果显示：有气溶胶影响的边界层水汽减少，云水增加，但是对大气的加热率变慢；边界层以上水汽减少速率变慢，云水增加明显，对大气的加热也加强。大气低层大气气溶胶浓度较高，使更多的水汽转化成了云水。加入气溶胶影响使模拟的降水量从观测的64%提高到观测的86%，与观测更加接近，小于10mm的降水偏大现象改进明显。CUACE/Aero的研发还支持了团队形成的亚洲沙尘暴数值预报系统CUACE/Dust以及中国气象局雾-霾数值预报系统CUACE/Haze-fog的建立，为沙尘暴和雾-霾的天气的业务数值预报和防灾减灾做出了贡献。
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摘要Abstract第一章 绪论1.1 引言1.2 中国大气气溶胶及其对云影响的观测研究1.3 在线的气溶胶模式系统1.4 气溶胶的活化1.5 云模式的发展现状1.6 气溶胶对降水的影响研究现状1.7 本论文主要研究内容第二章 在线的气溶胶模拟系统CUACE/Aero2.1 天气模式 MM5 和 GRAPES 与 CUACE 的耦合2.1.1 CUACE 与中尺度天气模式 MM5 的耦合2.1.2 CUAE 与 GRAPES 模式的耦合2.2 耦合系统中的 CUACE/Aero2.2.1 排放源2.2.2 CUACE/Aero 中的气溶胶2.2.2.1 气溶胶的谱描述方式2.2.2.2 气溶胶微物理过程2.2.3 CUACE/Aero 中的二次气溶胶2.3 小结第三章 CUACE/Aero的评估及其应用3.1 CUACE/Aero 的评估3.1.1 试验方案和观测资料3.1.2 气象场的模拟效果分析3.1.3 站点的 PM10 的对比分析3.1.4 气溶胶组分的模拟效果对比分析3.1.5 CUACE/Aero 对重污染雾-霾天气下的气溶胶模拟分析3.1.6 CUACE/Aero 对气溶胶光学特征的模拟分析和改进3.1.6.1 CUACE/Aero 模拟的 AOD 与地基空基遥感监测 AOD3.1.6.2 气溶胶初始排放粒径分布对 AOD 影响3.1.6.3 气溶胶初始排放粒径分布对分组分气溶胶 AOD 影响3.1.7 CUACE/Aero 对新粒子生成事件的模拟研究3.1.7.1 大气的氧化性的影响分析3.1.7.2 气溶胶容纳系数 ACE 和临界气态硫酸的影响3.1.7.3 气溶胶谱分布对模式 NPF 模拟的影响3.1.7.4 CUACE/Aero 对新粒子生成事件的模拟3.2 CUACE/Aero 应用之一：亚洲沙尘暴数值预报系统 CUACE/Dust3.2.1 起沙方案3.2.2 风蚀资料库3.2.3 CUACE/Dust 预报系统以及预报效果评估3.3 CUACE/Aero 应用之二：中国气象局雾霾数值预报系统 CUACE/haze-fog3.3.1 雾-霾预报的基本原理3.3.2 CUACE/Haze-fog 的初步评估3.4 小结第四章 气溶胶对单参云模式中云和降水的影响4.1 单参云模式 REISNER24.2 CCN 对 REISNER2 微物理过程的影响分析4.2.1 CCN 对自动转化率的影响4.2.2 CCN 对云水被雨水收集过程的影响4.2.3 CCN 对云水被雪晶和霰收集的影响4.2.4 CCN 对云水被云冰碰并过程的影响4.3 REISNER2 中气溶胶和云的关系的建立4.3.1 我国观测的气溶胶与云滴数浓度的关系4.3.2 气溶胶与单参云模式关系的建立4.4 单参模式中气溶胶对降水的初步影响及分析4.4.1 试验方案4.4.2 试验结果分析4.5 小结与讨论第五章 气溶胶对层云/对流云和降水的影响5.1 多组分分档气溶胶的活化5.1.1 寇拉曲线与气溶胶的活化5.1.2 多组分分档气溶胶的活化参数化方案5.1.3 活化方案的验证5.1.3.1 试验数据与试验设计5.1.3.2 试验结果分析5.2 气溶胶在双参云模式中的活化5.2.1 双参云模式 WDM65.2.2 WDM6 中的 CCN 参数化方案及改进5.3 气溶胶在积云对流中的活化5.3.1 层云降水与对流云降水对气溶胶-云关系的影响分析5.3.2 KF 积云对流参数化方案5.3.3 KF 方案中的气溶胶活化及积云和降水影响机制的开发5.4 气溶胶对我国降水影响的初步分析及思考5.4.1 试验介绍5.4.2 结果分析5.5 小结第六章 全文总结与讨论6.1 主要结论6.2 存在的问题以及未来工作展望简写索引参考文献致谢个人简介
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