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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究意义
•   1.2 研究背景
•     1.2.1 MCS的观测研究
•     1.2.2 模式中的微物理方案
•     1.2.3 云微物理过程对于MCS模拟的影响
•     1.2.4 目前MCS模拟中存在的偏差
•   1.3 研究内容
•     1.3.1 问题的提出
•     1.3.2 章节安排
• 第二章 资料和方法
•   2.1 研究个例
•   2.2 观测资料
•   2.3 模拟设置
• 第三章 对流区上升气流特征
•   3.1 概述
•   3.2 模拟总体特征
•     3.2.1 降水和雷达反射率
•     3.2.2 冷池特征
•   3.3 对流上升速度
•     3.3.1 模拟偏差
•     3.3.2 模拟之间对流强度的差异及其原因
•   3.4 对流上升气流中的微物理特征
•   3.5 关闭冰相过程的模拟结果
•   3.6 本章小结
• 第四章 层云区降水特征
•   4.1 概述
•   4.2 对比分析方法
•     4.2.1 分析时段和区域
•     4.2.2 层云降水的判别
•     4.2.3 微物理变量的计算
•   4.3 层云降水的模拟偏差
•     4.3.1 地面
•     4.3.2 融化层以下
•     4.3.3 融化层以上
•   4.4 模拟之间层云降水率的差异及其原因
•   4.5 层云区降水面积
•   4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 个文总结
•   5.2 论文特色与创新
•   5.3 讨论与展望
• 参考文献
• 附录
• 已发表论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 韩彬

导师: 陈宝君

关键词: 飑线,微物理方案,模式偏差,模拟对比

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京大学

基金: 国家重点基础研究发展规划项目(2013CB430105),国家自然科学基金项目(41775132,41575130),美国能源部ASR和CMDV项目

分类号: P458

总页数: 121

文件大小: 13897K

下载量: 65