北美一次飑线过程的数值模拟：不同微物理方案模拟结果的对比研究

发布时间：2020-11-01 10:40

　　 合理准确地模拟中尺度对流系统(MCS)是大气科学研究中极具挑战的问题之一。尽管现阶段的模拟分辨率已经达到了云分辨尺度,但是模式对于MCS的模拟仍然相比于观测存在不小的偏差。本文利用WRF模式,选取了八种微物理方案模拟了发生在北美地区的一次飑线型MCS过程,采用多源观测资料从动力、热力以及微物理过程的角度分析了模拟中存在的偏差及其原因,并且探究了造成不同微物理方案模拟结果之间差异的主要因素。全文的主要结论如下:相比于多普勒雷达反演的垂直风场,模拟在融化层以上都较大地高估了对流核中的上升速度,并在高层一致低估了对流覆盖面积,产生了面积小但强度集中的对流核结构。该现象与微物理方案的选取无关,而可能与模式中处理空气混合和扩散的部分有关。对流上升速度的模拟结果对于微物理方案的选择是敏感的。模拟之间对流上升速度的差异可以通过低层垂直扰动气压梯度力以及中高层浮力的差异得到较好的解释。低层垂直扰动气压梯度力的大小主要与冷池强度有关,而冷池强度则取决于蒸发率的大小。中高层浮力的大小主要与微物理过程释放的潜热加热有关,其中凝结和凇附过程在造成模拟之间潜热加热总量的差异中起到了主要作用。关闭冰相微物理过程后,对流上升速度在高层显著减小,并且模拟之间对流上升速度的差异也减小了一半以上,说明冰相过程能够显著加强对流强度并且是造成模拟之间差异的主要因素。冰相过程主要通过两个方面影响模拟之间对流上升速度的差异。第一,增加蒸发率的差异从而增加冷池强度的差异。第二,增加中高层潜热加热的差异从而增加浮力的差异。大多数模拟高估了层云区7 km高度以上的冰水含量(IWC)但是却低估了融化层正上方的IWC,而后一个偏差造成了模拟在3 km高度以下对于雨水含量(RWC)的低估。在冰粒子下落到接近融化层的过程中,观测数据中IWC呈现增加的趋势,模拟则与之相反。模拟对流强度过大导致凝结物卷出的高度过高可能是造成模拟高估层云区高层IWC的原因,而造成模拟与观测之间IWC廓线形状差异的原因可能是模拟中的冰粒子聚合过程太弱以及冰粒子沉降速度太快。在层云区3 km高度以下,模拟低估了下沉运动的强度并且未能较好地再现观测中RWC与下沉气流之间的联系,这主要是观测和模拟之间尾向入流结构的差异造成的。观测中的尾向入流在经过层云区时缓慢下降并加强了中尺度下沉气流,从而造成显著的雨水蒸发。相反,模拟中的尾向入流快速下降并集中保持在较低的高度上,使得无法形成稳定的中尺度下沉气流从而限制了雨水蒸发。低估层云区降水面积是大多数模拟低估地面层云降水总量的主要原因。模拟中的层云区降水面积与对流卷出凝结物通量之间呈现正相关关系,但是冰粒子的特性会在一定程度上调节层云区降水面积的大小。层云区降水面积还对大尺度环境场的更新频率表现出一定的敏感性,通过提高侧边界条件的更新频率,模拟中的层云区降水面积增加了 17%至25%。模拟之间层云降水的差异最终都与融化层正上方冰粒子质量通量的差异有关。由于从对流区中卷出的凝结物是层云区上空冰粒子的主要来源,所以对流区的动力和微物理特征对于层云区冰粒子质量通量的影响很大。这些结果说明模式对于对流区模拟的准确程度是改进层云区降水模拟的关键,因此今后的外场观测应该进一步将重点放在对流区的动力以及微物理特征上,从而我们能够利用更全面的观测资料评估和改进模拟。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P458
【部分图文】：

征云中发生的过程，比如各种水成物的生成、转化、碰并收集和沉降等。按照表征云??中水成物粒径分布方式的差异，云微物理过程参数化方案可以分为两大类，即总体参??数化（Ｂｕｌｋ）方案和谱分档（Ｂｉｎ）方案（图１．２）。??现在大部分三维数值模拟中使用的是Ｂｕｌｋ方案。Ｂｕｌｋ方案一般用预设的分布函??数表征云中粒子的粒径分布。因此粒径分布谱是连续的，方案中微物理过程的计算则??依赖于预设函数的特性。Ｋｅｓｓｌｅｒ?（１９６９）设计出了最初可以用于数值模式中的暖云??Ｂｕｌｋ?方案。在此基础上，Ｌｉｎ?ｅｔ?ａｌ．?（１９８３）和?Ｒｕｔｌｅｄｇｅ?ａｎｄ?Ｈｏｂｂｓ?（１９８４）加入了冰相过??程。之后的Ｂｕｌｋ方案一般都同时包含液相和冰相的微物理过程。相比仅包含水汽、??云水和雨水的暖云微物理过程，有冰相粒子参与的微物理过程则变得相当复杂，这主??要因为冰相粒子的类型和特性复杂，生成方式、转化过程以及与液相粒子之间的相互??作用也相应增加很多。值得注意的是，近年来一些新的Ｂｕｌｋ方案中己经消除了对于??不同类型冰粒子的分别表征，转而预报冰粒子的凇附比例，或者使用随冰粒子大小或??温度变化的质量与直径关系（ｅ．ｇ．，?Ｌｉｎ?ａｎｄ?Ｃｏｌｌｅ，?２０１１；?Ｍｉｌｂｒａｎｄｔ?ａｎｄ?Ｍｏｒｒｉｓｏｎ，?２０１３；??Ｍｏｒｒｉｓｏｎ?ａｎｄ?Ｍｉｌｂｒａｎｄｔ

持续给美国大平原地区的南部带来了充足水汽等（Ｊｅｎｓｅｎ?ｅｔ?ａｌ．，２０１６）。飑线由两条对??流带发展而来，在世界时０１００至０６００时刻期间，北支对流带位于堪萨斯州，南支??对流带位于俄克拉荷马州西部和得克萨斯州北部（图２．１ａ）。两条对流带在世界时０６３０??时刻开始合并，并且南支对流带占据了主要部分。随后系统逐步发展成熟，形成了一??个基本呈现东北－西南走向的准线状ＭＣＳ，在空间水平分布上表现出典型的飑线结??构（图２．１ｂ）。在飑线系统的最强时期，对流带延伸范围最大可达约１０００ｋｍ，整体云??系沿纬向的延伸范围达到了约２００?ｋｍ。??３２°Ｎ?－?３２°Ｎ?－?Ｉ?２〇??鄭）＿０?ＵＴＣ?Ｕ＃?｜?＝??３〇°Ｎ?－ｓ?１?—ｉ?１??３０°Ｎ?＿，?，?，??ｍ?５??１０２°Ｗ?１Ｑ０°Ｗ?９８?°Ｗ?９６°Ｗ?９４?°Ｗ?１〇２°Ｗ?１００°Ｗ?９８°Ｗ?９６°Ｗ?９４°Ｗ?＇——＊??图２．１世界时（ａ）?０５００时刻以及（ｂ）?１０００时刻组合雷达反射率的水平分布。图中黑点表示的是??位于北美大平原地区南部（Ｓｏｕｔｈｅｒｎ

模拟中地面气象要素的情况，尤其是飑线系统的冷池演变特征。??２．２．４地面雨滴谱资料??如图２．３所示，飑线尾部层云降水区的地面降水率和雨滴谱数据主要来自ＳＧＰ??综合观测点附近的１６台Ｐａｒｓｉｖｅｌ激光雨滴谱仪（Ｔｈｕｒａｉ?ｅｔ?ａｌ．，２０１１；?Ｔｏｋａｙ?ｅｔ?ａｌ．，２０１３）??以及?１?台?２?维影像雨滴谱仪（２－Ｄ?ｖｉｄｅｏ?ｄｉｓｄｒｏｍｅｔｅｒ；?２ＤＶＤ）（Ｓｃｈ６ｎｈｕｂｅｒ?ｅｔ?ａｌ．，?２００８）。??１５??
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 孙安平;康凤琴;洪延超;;高原地区冰雹云数值模拟研究——冰相微物理过程的作用[J];青海气象;2004年S1期

2 常婉婷;高文华;端义宏;邓琳;;云微物理过程对台风数值模拟的影响[J];应用气象学报;2019年04期

3 何宏让,陈家华,魏绍远;二维滞弹性非静力平衡云模式第一部分──低空风切变对云微物理过程的影响[J];气象科学;1996年03期

4 罗海波;李耀东;余政;蔡平;;2008年初南方一次雨雪冰冻天气云微物理过程和逆温层结数值模拟[J];气象与减灾研究;2010年01期

5 彭虎;李子华;;包含详细微物理过程的一维辐射雾模式[J];重庆环境科学;1992年03期

6 李德俊;陈宝君;;云微物理过程对强对流风暴的影响之数值模拟研究[J];气象科学;2008年03期

7 徐戈;孙继明;牛生杰;周碧;王永庆;;冻滴微物理过程的分档数值模拟试验研究[J];大气科学;2016年06期

8 董钢,吴晓彤,潘晓滨,章立标,何宏让;云微物理过程对暴雨影响的数值试验[J];气象科学;2001年02期

9 王思慜;银燕;;一次热带海洋对流云微物理过程的数值模拟[J];热带气象学报;2011年04期

10 王斌;石燕;吴涛;陈宝君;;鄂西北夏季对流云降水微物理过程数值模拟[J];暴雨灾害;2008年01期

相关博士学位论文 前2条

1 韩彬;北美一次飑线过程的数值模拟：不同微物理方案模拟结果的对比研究[D];南京大学;2019年

2 刘晓莉;基于粒子分档技术的云模式研究[D];南京信息工程大学;2007年

相关硕士学位论文 前10条

1 常婉婷;云微物理过程对台风天兔影响的数值研究[D];中国气象科学研究院;2019年

2 徐戈;冻滴微物理过程的分档数值模拟试验研究[D];南京信息工程大学;2015年

3 任晨平;强热带风暴“碧利斯”（0604）暴雨增幅及其云微物理过程数值模拟与诊断[D];南京信息工程大学;2013年

4 张智;云贵高原凝冻天气形成的微物理过程观测研究[D];南京信息工程大学;2015年

5 程菲;东天山迎风坡与高海拔区域降水效率对比分析[D];南京信息工程大学;2016年

6 赵震;MM5中新显式云物理方案的建立和数值模拟[D];南京气象学院;2004年

7 杨忆;气溶胶充当冰核对雷暴云微物理、起电过程影响的数值模拟研究[D];南京信息工程大学;2015年

8 孙科;WRF模式物理过程参数化方案对降水模拟影响研究[D];华北电力大学（北京）;2011年

9 孙琼博;微物理过程参数化方案对WRF-EnSRF同化系统模式误差的影响研究[D];南京信息工程大学;2011年

10 陈浩然;气溶胶沉积核化方案改进及对雷暴云起电的数值模拟研究[D];南京信息工程大学;2016年

本文编号：2865420