对流冷池对黑风暴沙尘抬升和传输影响的大涡模拟研究
发布时间：2021-12-29 18:02
利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间敦煌站的温度探空廓线作为大涡模式的初始场,通过在模式中设置冷源的方法,模拟研究对流冷池中的湍流结构特征,以及冷池头部和尾部的湍流对沙尘抬升和垂直传输的影响;进一步通过改变冷源冷却率和冷源半径大小的敏感性试验,探究冷源强度和尺度变化对对流冷池内湍流结构、冷池移动速度和沙尘抬升效率等特征的影响。研究表明:（1）模式模拟的对流冷池结构特征与观测结果较为一致,冷池的头部为较大的湍流涡旋,尾部是受头部下沉气流的阻挡和风切变共同作用形成的湍流涡旋,强度和尺度较小,且距离头部越远,尾部湍流强度也越弱。（2）冷池头部涡旋引起的沙尘抬升潜势较尾部的大,冷池密度流抬升的沙尘大部分在冷池内混合,仅少部分扩散到冷池外,头部的沙尘绝对浓度约是尾部的两倍。（3）增大模式冷源冷却率和冷源尺度,冷池密度流强度增强,头部涡旋移动速度增大,产生的沙尘抬升潜势也增大,沙尘可被冷池内增强的湍流涡旋传输到较高的高度,但由于冷池与环境大气的夹卷作用也增强,冷池消散也较快。
【文章来源】：高原气象. 2018,37(03)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
模式模拟1h30min时模拟区域内的风场(单位:m·s－1)
图6模拟1h42min后沙尘绝对浓度(彩色区)、位温(白色等值线，等值线间隔为1K，单位:K)和风场(矢量，单位:m·s－1)的垂直分布Fig．6Theverticaldistributionoftheabsoluteconcentrationofdust(colorarea)，potentialtemperature(whitecontour，thecontourintervalis1K，unit:K)andwindfield(vector，unit:m·s－1)atsimulatedtimeof1h42min图7模拟1h42min后0．5m高度水平面上位温(a)和水平风速(b)的概率密度函数分布Fig．7PDFsofpotentialtemperature(a)andwindspeed(b)attheheightof0．5mmodellevelatsimulatedtimeof1h42min3．3冷源半径对冷池结构和沙尘抬升的影响通过改变冷源半径的敏感性试验，分析了冷源尺度对对流冷池结构特征及沙尘抬升潜势的影响。从不同冷源半径试验模拟的在1h42min时的风场和位温的垂直剖面(图9)可以看出:(1)增大冷源半径，冷池的移动速度、头部的高度和宽度、头部湍流涡旋的强度都增加。当冷源半径为2km时［图9(a)］，模拟的对流冷池头部较低，头部的湍流涡旋也较弱，而且头部与尾部的分界不明显，与Flamantetal(2007)和Ｒobertsetal(2012)观测得到的对流冷池结构有较大差异，说明形成黑风暴的对流云团的尺度一般较大。当冷源半径增大到6km时，冷池头部的湍流涡旋可以达到2km的高度，其中最大上升和下沉气流的速度可以分别达到19．88m·s－1和16．44m·s－1(标准试验中相同模拟时间头部的最大上升和下沉速度分别约为13．6m·s－1和14．6m·s－1)。(2)随着冷源半径的增大，对流冷池尾部区域加长，湍流
图8黑风暴头部(实线)和尾部(虚线)所有格点的总体沙尘抬升潜势随时间的分布Fig．8Thetimevariationofthetotaldustupliftpotentialofallgridpointforthehead(solidline)andthetail(dottedline)oftheblackstorm径，冷池密度流的强度增加，如冷池半径从3km(试验Ｒ6)增加到6km(试验Ｒ8)，冷池最低位温减小了约40K。当增大冷源半径时，由于冷池内外较强的夹卷作用，位温较高区间(308～318．5K)的概率密度函数也较大。图10(b)显示，增大冷源半径，0．5m高度上水平风速的最大值也增大(试验Ｒ5，Ｒ6，Ｒ7和Ｒ8的最大水平风速分别为16．8，20．0，25．6和28．8m·s－1)。通过分析不同冷源半径试验模拟的冷池头部和尾部湍流涡旋对沙尘总体抬升潜势的影响发现(图11)，增大冷源半径，冷池头部和尾部的总体沙尘抬升潜势均增大，且头部和尾部的总体沙尘抬升潜势的差别也增大，如冷源半径为3km(试验Ｒ6)图9模拟1h42min后垂直速度(彩色区，单位:m·s－1)、位温(等值线，等值线间隔为1K，单位:K)和风场(矢量，单位:m·s－1)的垂直分布Fig．9Theverticaldistributionofverticalvelocity(colorarea，unit:m·s－1)，potentialtemperature(contour，thecontourintervalis1K，unit:K)andwindfield(vector，unit:m·s－1)atthesimulatedtimeof1h42min图10模拟1h42min后0．5m高度水平面上位温(a)和水平风速(b)的概率密度函数分布Fig．10PDFsofpotentialtemperature(a)andhorizontalvelocity(b)attheheightof0．5mmodellevelat
【参考文献】：
期刊论文
[1]世界干旱气候研究动态及进展综述（Ⅰ）:若干主要干旱区国家的研究动态及联合国的贡献[J]. 钱正安,宋敏红,吴统文,蔡英. 高原气象. 2017(06)
[2]沙尘暴过程中沙尘气溶胶对气象场的影响[J]. 周旭,张镭,陈丽晶,郭琪. 高原气象. 2017(05)
[3]“4.23”特强沙尘暴天气成因分析[J]. 于海跃,李红英,张玉香. 中国农学通报. 2016(19)
[4]东亚地区沙尘气溶胶对降水的影响研究[J]. 宿兴涛,许丽人,魏强,张志标,王胜国,吴洪星. 高原气象. 2016(01)
[5]一次雷暴大风引发的强沙尘暴天气的中尺度系统分析[J]. 王伏村,付双喜,张德玉,张浩文,代德彬,刘玉洁. 干旱气象. 2014(06)
[6]地形对民勤沙尘暴发生发展影响的模拟研究——以一次特强沙尘暴为例[J]. 李耀辉,沈洁,赵建华,胡田田,尹晗. 中国沙漠. 2014(03)
[7]风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究[J]. 黄倩,王蓉,田文寿,左洪超,张强. 气象学报. 2014(01)
[8]中国西北干旱区沙尘暴源地风沙大气边界层特征[J]. 李岩瑛,张强,陈英,胡兴才. 中国沙漠. 2014(01)
[9]甘肃民勤2001—2010年沙尘暴变化特征及原因分析[J]. 赵明瑞,闫大同,李岩瑛,张春松,胡丽莉. 中国沙漠. 2013(04)
[10]“4.24”民勤特强沙尘暴过程初步分析[J]. 赵旋,李耀辉,康富贵,尹晗. 干旱区资源与环境. 2012(06)
本文编号：3556610
【文章来源】：高原气象. 2018,37(03)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
模式模拟1h30min时模拟区域内的风场(单位:m·s－1)
图6模拟1h42min后沙尘绝对浓度(彩色区)、位温(白色等值线，等值线间隔为1K，单位:K)和风场(矢量，单位:m·s－1)的垂直分布Fig．6Theverticaldistributionoftheabsoluteconcentrationofdust(colorarea)，potentialtemperature(whitecontour，thecontourintervalis1K，unit:K)andwindfield(vector，unit:m·s－1)atsimulatedtimeof1h42min图7模拟1h42min后0．5m高度水平面上位温(a)和水平风速(b)的概率密度函数分布Fig．7PDFsofpotentialtemperature(a)andwindspeed(b)attheheightof0．5mmodellevelatsimulatedtimeof1h42min3．3冷源半径对冷池结构和沙尘抬升的影响通过改变冷源半径的敏感性试验，分析了冷源尺度对对流冷池结构特征及沙尘抬升潜势的影响。从不同冷源半径试验模拟的在1h42min时的风场和位温的垂直剖面(图9)可以看出:(1)增大冷源半径，冷池的移动速度、头部的高度和宽度、头部湍流涡旋的强度都增加。当冷源半径为2km时［图9(a)］，模拟的对流冷池头部较低，头部的湍流涡旋也较弱，而且头部与尾部的分界不明显，与Flamantetal(2007)和Ｒobertsetal(2012)观测得到的对流冷池结构有较大差异，说明形成黑风暴的对流云团的尺度一般较大。当冷源半径增大到6km时，冷池头部的湍流涡旋可以达到2km的高度，其中最大上升和下沉气流的速度可以分别达到19．88m·s－1和16．44m·s－1(标准试验中相同模拟时间头部的最大上升和下沉速度分别约为13．6m·s－1和14．6m·s－1)。(2)随着冷源半径的增大，对流冷池尾部区域加长，湍流
图8黑风暴头部(实线)和尾部(虚线)所有格点的总体沙尘抬升潜势随时间的分布Fig．8Thetimevariationofthetotaldustupliftpotentialofallgridpointforthehead(solidline)andthetail(dottedline)oftheblackstorm径，冷池密度流的强度增加，如冷池半径从3km(试验Ｒ6)增加到6km(试验Ｒ8)，冷池最低位温减小了约40K。当增大冷源半径时，由于冷池内外较强的夹卷作用，位温较高区间(308～318．5K)的概率密度函数也较大。图10(b)显示，增大冷源半径，0．5m高度上水平风速的最大值也增大(试验Ｒ5，Ｒ6，Ｒ7和Ｒ8的最大水平风速分别为16．8，20．0，25．6和28．8m·s－1)。通过分析不同冷源半径试验模拟的冷池头部和尾部湍流涡旋对沙尘总体抬升潜势的影响发现(图11)，增大冷源半径，冷池头部和尾部的总体沙尘抬升潜势均增大，且头部和尾部的总体沙尘抬升潜势的差别也增大，如冷源半径为3km(试验Ｒ6)图9模拟1h42min后垂直速度(彩色区，单位:m·s－1)、位温(等值线，等值线间隔为1K，单位:K)和风场(矢量，单位:m·s－1)的垂直分布Fig．9Theverticaldistributionofverticalvelocity(colorarea，unit:m·s－1)，potentialtemperature(contour，thecontourintervalis1K，unit:K)andwindfield(vector，unit:m·s－1)atthesimulatedtimeof1h42min图10模拟1h42min后0．5m高度水平面上位温(a)和水平风速(b)的概率密度函数分布Fig．10PDFsofpotentialtemperature(a)andhorizontalvelocity(b)attheheightof0．5mmodellevelat
【参考文献】：
期刊论文
[1]世界干旱气候研究动态及进展综述（Ⅰ）:若干主要干旱区国家的研究动态及联合国的贡献[J]. 钱正安,宋敏红,吴统文,蔡英. 高原气象. 2017(06)
[2]沙尘暴过程中沙尘气溶胶对气象场的影响[J]. 周旭,张镭,陈丽晶,郭琪. 高原气象. 2017(05)
[3]“4.23”特强沙尘暴天气成因分析[J]. 于海跃,李红英,张玉香. 中国农学通报. 2016(19)
[4]东亚地区沙尘气溶胶对降水的影响研究[J]. 宿兴涛,许丽人,魏强,张志标,王胜国,吴洪星. 高原气象. 2016(01)
[5]一次雷暴大风引发的强沙尘暴天气的中尺度系统分析[J]. 王伏村,付双喜,张德玉,张浩文,代德彬,刘玉洁. 干旱气象. 2014(06)
[6]地形对民勤沙尘暴发生发展影响的模拟研究——以一次特强沙尘暴为例[J]. 李耀辉,沈洁,赵建华,胡田田,尹晗. 中国沙漠. 2014(03)
[7]风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究[J]. 黄倩,王蓉,田文寿,左洪超,张强. 气象学报. 2014(01)
[8]中国西北干旱区沙尘暴源地风沙大气边界层特征[J]. 李岩瑛,张强,陈英,胡兴才. 中国沙漠. 2014(01)
[9]甘肃民勤2001—2010年沙尘暴变化特征及原因分析[J]. 赵明瑞,闫大同,李岩瑛,张春松,胡丽莉. 中国沙漠. 2013(04)
[10]“4.24”民勤特强沙尘暴过程初步分析[J]. 赵旋,李耀辉,康富贵,尹晗. 干旱区资源与环境. 2012(06)
本文编号：3556610
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