發(fā)布時間：2020-11-01 10:40

　　 合理準確地模擬中尺度對流系統(tǒng)(MCS)是大氣科學(xué)研究中極具挑戰(zhàn)的問題之一。盡管現(xiàn)階段的模擬分辨率已經(jīng)達到了云分辨尺度,但是模式對于MCS的模擬仍然相比于觀測存在不小的偏差。本文利用WRF模式,選取了八種微物理方案模擬了發(fā)生在北美地區(qū)的一次颮線型MCS過程,采用多源觀測資料從動力、熱力以及微物理過程的角度分析了模擬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擬結(jié)果之間差異的主要因素。全文的主要結(jié)論如下:相比于多普勒雷達反演的垂直風(fēng)場,模擬在融化層以上都較大地高估了對流核中的上升速度,并在高層一致低估了對流覆蓋面積,產(chǎn)生了面積小但強度集中的對流核結(jié)構(gòu)。該現(xiàn)象與微物理方案的選取無關(guān),而可能與模式中處理空氣混合和擴散的部分有關(guān)。對流上升速度的模擬結(jié)果對于微物理方案的選擇是敏感的。模擬之間對流上升速度的差異可以通過低層垂直擾動氣壓梯度力以及中高層浮力的差異得到較好的解釋。低層垂直擾動氣壓梯度力的大小主要與冷池強度有關(guān),而冷池強度則取決于蒸發(fā)率的大小。中高層浮力的大小主要與微物理過程釋放的潛熱加熱有關(guān),其中凝結(jié)和凇附過程在造成模擬之間潛熱加熱總量的差異中起到了主要作用。關(guān)閉冰相微物理過程后,對流上升速度在高層顯著減小,并且模擬之間對流上升速度的差異也減小了一半以上,說明冰相過程能夠顯著加強對流強度并且是造成模擬之間差異的主要因素。冰相過程主要通過兩個方面影響模擬之間對流上升速度的差異。第一,增加蒸發(fā)率的差異從而增加冷池強度的差異。第二,增加中高層潛熱加熱的差異從而增加浮力的差異。大多數(shù)模擬高估了層云區(qū)7 km高度以上的冰水含量(IWC)但是卻低估了融化層正上方的IWC,而后一個偏差造成了模擬在3 km高度以下對于雨水含量(RWC)的低估。在冰粒子下落到接近融化層的過程中,觀測數(shù)據(jù)中IWC呈現(xiàn)增加的趨勢,模擬則與之相反。模擬對流強度過大導(dǎo)致凝結(jié)物卷出的高度過高可能是造成模擬高估層云區(qū)高層IWC的原因,而造成模擬與觀測之間IWC廓線形狀差異的原因可能是模擬中的冰粒子聚合過程太弱以及冰粒子沉降速度太快。在層云區(qū)3 km高度以下,模擬低估了下沉運動的強度并且未能較好地再現(xiàn)觀測中RWC與下沉氣流之間的聯(lián)系,這主要是觀測和模擬之間尾向入流結(jié)構(gòu)的差異造成的。觀測中的尾向入流在經(jīng)過層云區(qū)時緩慢下降并加強了中尺度下沉氣流,從而造成顯著的雨水蒸發(fā)。相反,模擬中的尾向入流快速下降并集中保持在較低的高度上,使得無法形成穩(wěn)定的中尺度下沉氣流從而限制了雨水蒸發(fā)。低估層云區(qū)降水面積是大多數(shù)模擬低估地面層云降水總量的主要原因。模擬中的層云區(qū)降水面積與對流卷出凝結(jié)物通量之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,但是冰粒子的特性會在一定程度上調(diào)節(jié)層云區(qū)降水面積的大小。層云區(qū)降水面積還對大尺度環(huán)境場的更新頻率表現(xiàn)出一定的敏感性,通過提高側(cè)邊界條件的更新頻率,模擬中的層云區(qū)降水面積增加了 17%至25%。模擬之間層云降水的差異最終都與融化層正上方冰粒子質(zhì)量通量的差異有關(guān)。由于從對流區(qū)中卷出的凝結(jié)物是層云區(qū)上空冰粒子的主要來源,所以對流區(qū)的動力和微物理特征對于層云區(qū)冰粒子質(zhì)量通量的影響很大。這些結(jié)果說明模式對于對流區(qū)模擬的準確程度是改進層云區(qū)降水模擬的關(guān)鍵,因此今后的外場觀測應(yīng)該進一步將重點放在對流區(qū)的動力以及微物理特征上,從而我們能夠利用更全面的觀測資料評估和改進模擬。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P458
【部分圖文】：

征云中發(fā)生的過程，比如各種水成物的生成、轉(zhuǎn)化、碰并收集和沉降等。按照表征云??中水成物粒徑分布方式的差異，云微物理過程參數(shù)化方案可以分為兩大類，即總體參??數(shù)化（Ｂｕｌｋ）方案和譜分檔（Ｂｉｎ）方案（圖１．２）。??現(xiàn)在大部分三維數(shù)值模擬中使用的是Ｂｕｌｋ方案。Ｂｕｌｋ方案一般用預(yù)設(shè)的分布函??數(shù)表征云中粒子的粒徑分布。因此粒徑分布譜是連續(xù)的，方案中微物理過程的計算則??依賴于預(yù)設(shè)函數(shù)的特性。Ｋｅｓｓｌｅｒ?（１９６９）設(shè)計出了最初可以用于數(shù)值模式中的暖云??Ｂｕｌｋ?方案。在此基礎(chǔ)上，Ｌｉｎ?ｅｔ?ａｌ．?（１９８３）和?Ｒｕｔｌｅｄｇｅ?ａｎｄ?Ｈｏｂｂｓ?（１９８４）加入了冰相過??程。之后的Ｂｕｌｋ方案一般都同時包含液相和冰相的微物理過程。相比僅包含水汽、??云水和雨水的暖云微物理過程，有冰相粒子參與的微物理過程則變得相當復(fù)雜，這主??要因為冰相粒子的類型和特性復(fù)雜，生成方式、轉(zhuǎn)化過程以及與液相粒子之間的相互??作用也相應(yīng)增加很多。值得注意的是，近年來一些新的Ｂｕｌｋ方案中己經(jīng)消除了對于??不同類型冰粒子的分別表征，轉(zhuǎn)而預(yù)報冰粒子的凇附比例，或者使用隨冰粒子大小或??溫度變化的質(zhì)量與直徑關(guān)系（ｅ．ｇ．，?Ｌｉｎ?ａｎｄ?Ｃｏｌｌｅ，?２０１１；?Ｍｉｌｂｒａｎｄｔ?ａｎｄ?Ｍｏｒｒｉｓｏｎ，?２０１３；??Ｍｏｒｒｉｓｏｎ?ａｎｄ?Ｍｉｌｂｒａｎｄｔ

持續(xù)給美國大平原地區(qū)的南部帶來了充足水汽等（Ｊｅｎｓｅｎ?ｅｔ?ａｌ．，２０１６）。颮線由兩條對??流帶發(fā)展而來，在世界時０１００至０６００時刻期間，北支對流帶位于堪薩斯州，南支??對流帶位于俄克拉荷馬州西部和得克薩斯州北部（圖２．１ａ）。兩條對流帶在世界時０６３０??時刻開始合并，并且南支對流帶占據(jù)了主要部分。隨后系統(tǒng)逐步發(fā)展成熟，形成了一??個基本呈現(xiàn)東北－西南走向的準線狀ＭＣＳ，在空間水平分布上表現(xiàn)出典型的颮線結(jié)??構(gòu)（圖２．１ｂ）。在颮線系統(tǒng)的最強時期，對流帶延伸范圍最大可達約１０００ｋｍ，整體云??系沿緯向的延伸范圍達到了約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?＇——＊??圖２．１世界時（ａ）?０５００時刻以及（ｂ）?１０００時刻組合雷達反射率的水平分布。圖中黑點表示的是??位于北美大平原地區(qū)南部（Ｓｏｕｔｈｅｒｎ

模擬中地面氣象要素的情況，尤其是颮線系統(tǒng)的冷池演變特征。??２．２．４地面雨滴譜資料??如圖２．３所示，颮線尾部層云降水區(qū)的地面降水率和雨滴譜數(shù)據(jù)主要來自ＳＧＰ??綜合觀測點附近的１６臺Ｐａｒｓｉｖｅｌ激光雨滴譜儀（Ｔｈｕｒａｉ?ｅｔ?ａｌ．，２０１１；?Ｔｏｋａｙ?ｅｔ?ａｌ．，２０１３）??以及?１?臺?２?維影像雨滴譜儀（２－Ｄ?ｖｉｄｅｏ?ｄｉｓｄｒｏｍｅｔｅｒ；?２ＤＶＤ）（Ｓｃｈ６ｎｈｕｂｅｒ?ｅｔ?ａｌ．，?２００８）。??１５??
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本文編號：2865420