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云中冰晶的微物理过程对云的辐射属性和降水的形成有重要的影响。与冰晶有关的微物理过程主要包括冰晶的核化、水汽的凝华，云滴与冰晶的碰并、冰晶的聚合与沉降、冰晶的繁生、升华以及冰晶的融化等等(Pruppacher和Klett，1997; Morrison和Gettelman，2008)。到目前为此，在这些微物理过程中，冰晶的核化，尤其是冰晶的异质核化具有很大的不确定性。因此为了在大气环流模式中更加准确地参数化冰晶的异质核化过程，我们基于美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research; NCAR）的大气环流模式(CommunityAtmospheric Model version5;CAM5)，发展了一套基于经典冰晶异质核化理论的冰晶异质核化新参数化方案，该方案具有丰富的物理意义（首先是基于热力学分子热运动理论，其次是参与核化的气溶胶粒子表面性质在参数化方案中得到了更加符合实际情况的描述），同时将冰晶的核化与沙尘和黑碳气溶胶相联系来代替原CAM5中基于经验同时没有和气溶胶相联系的Meyers等(1992)的参数化方案。新的参数化方案包括三种接触角(contact angle(α))模型(1)单接触角模型(single-α model);(2)基于PDF分布的接触角模型(α-PDF model);(3)基于“足球”分布的接触角模型(soccer ball model)。其中后两种模型是第一次在大气环流模式中采用，来改善单接触角模型中预测的核化冰晶数浓度随时间增长过快以及在高温(T)区域（T＞-20℃）低估核化的冰晶数浓度（相比观测）的问题。在新的参数化方案基础上，我们进一步分析了冰晶异质核化的时间和温度依赖性及其影响，同时将其与近年来最新发展的几个基于经验但是也和气溶胶相关联的冰晶异质参数化方案（DeMott等，2014; Phllips等，2013）相比较。最后，我们结合卫星观测资料、ARM（Atmospheric Radiation Measurement）在北极Barrow站点观测资料和NCAR的大气环流模式CAM5，分析新参数化方案对混合云相态转变以及北极地区云和辐射模拟的改进。 本论文主要工作及结论如下: 1)基于经典冰晶异质核化理论，设计和发展了一套混合云中冰晶异质核化参数化方案。该参数化方案考虑了沙尘和黑碳的嵌入冻结/凝结冻结核化(immersion/condensation freezing)、凝华冻结核化（deposition freezing)以及接触冻结核化(contact freezing)。新的参数化方案包括三种接触角模型，分别是单接触角模型、基于PDF分布的接触角模型以及基于“足球”分布的接触角模型。三种接触角模型中的不确定参数分别由最新的自然沙尘（撒哈拉沙尘）和黑碳的观测资料确定。 2)三种接触角模型在CAM5中得以实现，并且进行了全面详细的比较。我们发现基于PDF分布的接触角模型以及基于“足球”分布的接触角模型预测的核化冰晶数浓度随时间增加并没有像单接触角模型那样显著地增加，并且在高温区域(T＞-20℃)能更好地匹配观测资料，解决了单接触角模型在这个温度区域低估核化冰晶数浓度的问题。三种接触角模型中，沙尘的嵌入冻结/接触冻结核化机制在沙尘和黑碳的各种核化机制中都是起主要作用的核化机制。 3)基于“足球”分布的接触角模型其实是一种统一的接触角模型，它包括了单接触角模型和基于“PDF”分布的接触角模型。我们在CAM5中全面分析了基于“足球”分布的接触角模型中的三个不确定参数（接触角概率密度分布函数中的期望和方差以及气溶胶粒子表面粗糙度）对云以及气候的影响，同时分析了冰晶异质核化的温度依赖性转变在CAM5中的影响。 4)混合云中的过冷却云滴所占比重直接影响着混合云的生命周期（混合云转变成冰云的时间）以及云辐射强迫和降水。我们结合卫星资料全面评估了CAM5对混合云中过冷却云滴所占比重的模拟能力。我们发现新的参数化方案相比于原Meyers等(1992)的参数化方案有效地提升了混合云中的过冷却云滴所占比重，和观测更加得吻合。