云凝结核对南京及周边地区夏季暴雨影响的数值模拟
发布时间：2021-07-07 11:29
利用WRF3.8.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案,对南京2014年6月初的一次暴雨过程进行模拟;设置多组数值试验,从中选取清洁和严重污染两组试验,对比分析低、高云凝结核浓度对此次降水的影响。结果表明:1)Thompson方案对此次降水过程具有一定的再现能力,但对24 h累积降水量的模拟整体偏低,且随云凝结核浓度的上升,累积降水量增加。较高的云凝结核浓度有利于强降水中心强度增强、降水范围扩大,而对较弱降水中心则有相反的影响。2)云凝结核浓度的增加将抑制云滴向雨滴的转化,使更多云滴被输送到对流层中层,对流层低层的暖云过程被抑制。3)云凝结核浓度的增加使对流层中层的过冷云水增加,促进过冷云水向霰的转化,也促进雪的淞附过程,这有利于冷云过程的发展。4)云凝结核浓度的增加对暖云过程具有负反馈作用,对冷云过程具有正反馈作用。
【文章来源】：大气科学学报. 2020,43(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图8 两组试验R区域最大垂直速度差值(黑线;单位:m·s-1)和微物理过程潜热释放差值(红线;单位:10-2 K)的时间序列
在31日20时至1日07时,polluted试验的垂直速度和潜热释放均大于clean试验。此时对流云发展比较旺盛,冷云降水的比重增加。较高的CCN和过冷云水在对流层中层的维持会促进雪在下落过程中的淞附增长和霰、冰晶的冻结增长。冰相过程的凝华和冻结潜热释放增加,促进空气的抬升运动,进一步加强冷云过程。这是云凝结核对冷云过程的正反馈。到08时以后,虽然polluted试验垂直速度比clean试验小,但是冻结潜热释放大于clean试验。这说明polluted试验中霰的混合比下降较慢,零度层附近一直有冻结潜热释放,较高浓度的霰的稳定维持是高CCN浓度下后期降水增加的重要原因。从宏观来看,31日19时之前两个试验的最大垂直水汽通量(图9)相差较小,但两者水成物含量有较大差异(图5),说明修改云凝结核浓度后,云微物理过程是引起降水前期降水量变化(图4b)的重要因素。在降水中期,两个试验均有较大的垂直水汽通量,特别是在31日23时—1日07时,polluted试验最大水汽通量远高于clean试验。此时环境场有较好的抬升和水汽条件,配合CCN浓度升高对冷云降水正反馈作用,使polluted试验在该时段的降水量高于clean试验。由此可以看出环境场是影响降水量的主要因素,但是CCN浓度的升高可以通过影响云物理过程来改变云雨转化效率,特别是会增加垂直运动较强时的冷云过程,从而促进了降水。
在观测研究中,CCN对降水的影响存在争议(Bell et al.,2008;Levin and Cotton,2009)。20世纪70年代,Hobbs et al.(1970)提出城市下风方向暖云的降水增加与城市排放的CCN的增加有关。但是,陈思宇等(2012)认为空气污染造成的气溶胶浓度的增加是导致中国中东部地区秋季降水减少的一个重要原因,Gong et al.(2007)及段婧和毛节泰(2008)也认为气溶胶对区域降水有显著的抑制效应。这些观测数据大多是来自于较低的暖云或者层状云,但是在对流发展旺盛的强降水天气中云水密度、云滴尺度等观测数据较少。而数值模式可以较精细的描述CCN浓度变化对对流风暴产生的动力学、微物理学和表面降水的影响(van den Heever and Cotton,2007;陈倩等,2013;陈卫东等,2015a),因此成为探究降水过程对气溶胶敏感性的重要手段。研究指出,CCN浓度的增加使水成物有效半径减小,暖云云滴的碰并过程和冰晶的淞附过程受到抑制,地面降水减少(Saleeby and Cotton,2005;Reisin et al.,2010);但是Misra et al.(2016)设计了一个包含水汽密度、云滴浓度、云滴尺寸、雨滴密度和CCN浓度五种变量的非线性数学模式,对一次假设的降水进行模拟却得到相反的结论。也有研究证明CCN浓度的变化对云降水(徐小红等,2009)物理过程的影响是非单调的(Morrison,2012;Kalina et al.,2014),并且高度依赖于环境条件(石荣光等,2015),同时也受到降水形式的限制(Nugent et al.,2016)。Terra卫星的遥感数据显示中国夏季气溶胶主要集中在长三角地区、京津冀地区和珠三角地区(石睿等,2015),不同地区的气溶胶、云和降水之间的相互作用有较大差异(Eun et al.,2016;师宇等,2016)。目前有较多的研究分别用不同的微物理参数化方案探讨了华北(陈卫东等,2015b;杨桃进等,2017)、华南(杨慧玲等,2011;Gao et al.,2013)地区的气溶胶与降水的关系,微物理参数化方案较多选取Lin、Morrison和WDM等,而在华东地区这样的研究较少。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同浓度污染气溶胶对一次暴雨的影响[J]. 杨桃进,刘宇迪,眭敏. 大气科学. 2017(04)
[2]南京不同天气和能见度下云凝结核的观测分析[J]. 王惠,刘晓莉,安俊琳,丁伟. 气象科学. 2016(06)
[3]气溶胶对北京地区云和降水影响的模拟研究[J]. 师宇,楼小凤,王广河. 地理研究. 2016(10)
[4]基于WRF模式的新疆巴音布鲁克盆地强降雨天气数值模拟效果分析[J]. 刘洋,李诚志,刘志辉,邓兴耀,朱金焕. 干旱区研究. 2016(01)
[5]北京及周边城市气溶胶污染对城市降水的影响[J]. 陈卫东,付丹红,苗世光,张亦洲. 科学通报. 2015(22)
[6]北京地区城市环境对云和降水影响的个例数值模拟研究[J]. 陈卫东,付丹红,苗世光,张亦洲. 地球物理学进展. 2015(03)
[7]利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响[J]. 石荣光,刘奇俊,马占山. 气象. 2015(03)
[8]东亚夏季气溶胶—云—降水分布特征及其相互影响的资料分析[J]. 石睿,王体健,李树,庄炳亮,蒋自强,廖镜彪,殷长秦. 大气科学. 2015(01)
[9]城市化基本理论与中国城市化的问题及对策[J]. 王桂新. 人口研究. 2013(06)
[10]气溶胶影响混合相对流云降水的数值模拟研究[J]. 陈倩,银燕,金莲姬,肖辉,王一鸣. 大气科学学报. 2013(05)
本文编号：3269550
【文章来源】：大气科学学报. 2020,43(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图8 两组试验R区域最大垂直速度差值(黑线;单位:m·s-1)和微物理过程潜热释放差值(红线;单位:10-2 K)的时间序列
在31日20时至1日07时,polluted试验的垂直速度和潜热释放均大于clean试验。此时对流云发展比较旺盛,冷云降水的比重增加。较高的CCN和过冷云水在对流层中层的维持会促进雪在下落过程中的淞附增长和霰、冰晶的冻结增长。冰相过程的凝华和冻结潜热释放增加,促进空气的抬升运动,进一步加强冷云过程。这是云凝结核对冷云过程的正反馈。到08时以后,虽然polluted试验垂直速度比clean试验小,但是冻结潜热释放大于clean试验。这说明polluted试验中霰的混合比下降较慢,零度层附近一直有冻结潜热释放,较高浓度的霰的稳定维持是高CCN浓度下后期降水增加的重要原因。从宏观来看,31日19时之前两个试验的最大垂直水汽通量(图9)相差较小,但两者水成物含量有较大差异(图5),说明修改云凝结核浓度后,云微物理过程是引起降水前期降水量变化(图4b)的重要因素。在降水中期,两个试验均有较大的垂直水汽通量,特别是在31日23时—1日07时,polluted试验最大水汽通量远高于clean试验。此时环境场有较好的抬升和水汽条件,配合CCN浓度升高对冷云降水正反馈作用,使polluted试验在该时段的降水量高于clean试验。由此可以看出环境场是影响降水量的主要因素,但是CCN浓度的升高可以通过影响云物理过程来改变云雨转化效率,特别是会增加垂直运动较强时的冷云过程,从而促进了降水。
在观测研究中,CCN对降水的影响存在争议(Bell et al.,2008;Levin and Cotton,2009)。20世纪70年代,Hobbs et al.(1970)提出城市下风方向暖云的降水增加与城市排放的CCN的增加有关。但是,陈思宇等(2012)认为空气污染造成的气溶胶浓度的增加是导致中国中东部地区秋季降水减少的一个重要原因,Gong et al.(2007)及段婧和毛节泰(2008)也认为气溶胶对区域降水有显著的抑制效应。这些观测数据大多是来自于较低的暖云或者层状云,但是在对流发展旺盛的强降水天气中云水密度、云滴尺度等观测数据较少。而数值模式可以较精细的描述CCN浓度变化对对流风暴产生的动力学、微物理学和表面降水的影响(van den Heever and Cotton,2007;陈倩等,2013;陈卫东等,2015a),因此成为探究降水过程对气溶胶敏感性的重要手段。研究指出,CCN浓度的增加使水成物有效半径减小,暖云云滴的碰并过程和冰晶的淞附过程受到抑制,地面降水减少(Saleeby and Cotton,2005;Reisin et al.,2010);但是Misra et al.(2016)设计了一个包含水汽密度、云滴浓度、云滴尺寸、雨滴密度和CCN浓度五种变量的非线性数学模式,对一次假设的降水进行模拟却得到相反的结论。也有研究证明CCN浓度的变化对云降水(徐小红等,2009)物理过程的影响是非单调的(Morrison,2012;Kalina et al.,2014),并且高度依赖于环境条件(石荣光等,2015),同时也受到降水形式的限制(Nugent et al.,2016)。Terra卫星的遥感数据显示中国夏季气溶胶主要集中在长三角地区、京津冀地区和珠三角地区(石睿等,2015),不同地区的气溶胶、云和降水之间的相互作用有较大差异(Eun et al.,2016;师宇等,2016)。目前有较多的研究分别用不同的微物理参数化方案探讨了华北(陈卫东等,2015b;杨桃进等,2017)、华南(杨慧玲等,2011;Gao et al.,2013)地区的气溶胶与降水的关系,微物理参数化方案较多选取Lin、Morrison和WDM等,而在华东地区这样的研究较少。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同浓度污染气溶胶对一次暴雨的影响[J]. 杨桃进,刘宇迪,眭敏. 大气科学. 2017(04)
[2]南京不同天气和能见度下云凝结核的观测分析[J]. 王惠,刘晓莉,安俊琳,丁伟. 气象科学. 2016(06)
[3]气溶胶对北京地区云和降水影响的模拟研究[J]. 师宇,楼小凤,王广河. 地理研究. 2016(10)
[4]基于WRF模式的新疆巴音布鲁克盆地强降雨天气数值模拟效果分析[J]. 刘洋,李诚志,刘志辉,邓兴耀,朱金焕. 干旱区研究. 2016(01)
[5]北京及周边城市气溶胶污染对城市降水的影响[J]. 陈卫东,付丹红,苗世光,张亦洲. 科学通报. 2015(22)
[6]北京地区城市环境对云和降水影响的个例数值模拟研究[J]. 陈卫东,付丹红,苗世光,张亦洲. 地球物理学进展. 2015(03)
[7]利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响[J]. 石荣光,刘奇俊,马占山. 气象. 2015(03)
[8]东亚夏季气溶胶—云—降水分布特征及其相互影响的资料分析[J]. 石睿,王体健,李树,庄炳亮,蒋自强,廖镜彪,殷长秦. 大气科学. 2015(01)
[9]城市化基本理论与中国城市化的问题及对策[J]. 王桂新. 人口研究. 2013(06)
[10]气溶胶影响混合相对流云降水的数值模拟研究[J]. 陈倩,银燕,金莲姬,肖辉,王一鸣. 大气科学学报. 2013(05)
本文编号：3269550
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/qxxlw/3269550.html
