（气象学专业论文）一次华南暴雨过程的云分辨模拟及敏感性实验.pdf

独创性声明 i i ii i1 11 11 1i i ii i i iiii y 18 913 0 0 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他 人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工 程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了声明并表示谢意。 孑嘶 如，lo 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国 科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并 通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 口公开口保密(年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此 协议) 学位论文作者签名：兰塾堑鱼 指导教师签名：圣地强塑指导教师签名：皿! ：i 级 签字日期：为f f - ，口 签字日期： l_ 目录 目录 摘要i h a b s t r a c t i v 第一章引言1 1 1 研究暴雨云微物理过程的意义1 1 2 二维云分辨模式对暴雨的微物理过程的研究现状2 1 3 二维云分辨模式对辐射过程模拟的研究进展3 1 4 本文的研究内容及创新点4 第二章2 d c r m模式介绍5 2 1 模式的控制方程5 2 2 地面降水诊断方程6 2 3 热量收支方程6 2 4 热量变化和水汽变化方程。7 2 5 微物理过程参数化方案：8 2 6 对流云与层云的划分方法1 3 第三章华南暴雨的数值模拟实验1 5 3 1 实况天气概况分析l6 3 2 模拟降水过程的结果分析17 3 3 地面降水过程的收支特征1 9 3 3 1 地面降水的水汽收支一1 9 3 3 2 地面降水的云微物理收支2 3 3 4 地面降水的热量收支分析2 8 3 5 本章主要结论3l 第四章华南暴雨的云辐射效应的敏感性实验3 2 4 1 云辐射效应对地面降水收支的影响3 2 4 1 1 云辐射敏感性实验的水汽收支特征3 2 4 1 2 云辐射敏感性实验的云微物理收支特征4 2 4 2 云辐射敏感性实验的热量收支分析4 3 4 3 本章主要结论4 8 目录 第五章全文总结及讨论。5 0 5 1 结论。5 0 5 2 讨论5l 参考文献5 2 j 罾c 谢5 7 摘要 摘要 暴雨的发生不仅仅与宏观尺度的天气现象有关系，微观过程更为深入研究 暴雨的机理和发生发展过程提供了一个好的研究角度。本文利用二维云分辨模 式对2 0 0 8 年6 月1 0 日1 5 日的华南暴雨过程做了模拟，并设计了云辐射敏感 性实验，与控制实验对比分析。 控制实验中降水过程区域平均对流降水率大于层云降水率。初始阶段，区 域平均降水率较小：成熟阶段区域平均降水强度最大；衰退阶段，区域平均降 水率减小的原因主要在于水汽辐合率的减小和局地水汽增加抑制了降水的发 展。在降水性层状云区，降水主要来自于水汽辐合，水汽的主要消耗项是局地 水汽增加。对流云区，降水主要来自于水汽辐合与局地大气变干，水汽主要消 耗项是水凝物生成。热量变化特征是，区域平均大气温度变化率主要受区域平 均的热辐散率与区域平均的潜热释放影响，在成熟阶段区域平均大气冷却达到 最强，初始阶段和衰退阶段的局地大气温度变化率相对较小，并且区域平均大 气冷却主要来自于层状云区。对流云区的潜热释放率始终大于降水性层状云区， 对增强区域平均潜热释放率起到了重要作用。区域平均热辐散主要来自于降水 性层状云区和对流云区。 云辐射敏感实验的降水特征是，无云辐射效应使得区域平均水汽辐合减小， 但却通过使局地大气变干和局地水凝物减少率增强的方式来增加降水的水汽来 源，使得区域平均降水强度大于控制实验。其中局地大气变干率和局地水凝物 减少率均在降水的成熟阶段达到最大，在降水性层状云区和对流降水区，引起对 流云区降水强度普遍增强，主要来自于局地水汽凝结大气变干过程：降水性层 状云区的降水强度普遍减弱，主要原因在于水汽辐合率的减弱抑制了降水的发 展。对流降水强度增加量大于层云降水强度的减弱量，因此无云辐射效应导致 了区域平均降水强度的增加。云辐射敏感性实验的热量收支特征是，在初始阶 段，平均局地大气冷却加强。成熟阶段，平均局地大气冷却率相对初始阶段增 强，本阶段局地温度主要受辐射冷却和潜热释放减小的影响。衰退阶段，平均 辐射冷却率仍然增强，平均潜热释放率减小程度相对于成熟阶段减小一个量级， 平均热辐散率减弱程度小于成熟阶段。 关键词：二维云分辨模式，华南暴雨，降水微物理分析，云辐射敏感性实验 1 1 i a b s t r a c t a b s t r a c t m i e r o p h y s i c a lp r o c e s s e sp r o v i d eu sau n i q u ea n g l et oh a v eab e t t e rs t u d yo ft h e m e c h a n i s ma n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so f h e a v yr a i n s ，w h i c hi sm o r et h a nj u s th a v i n g ar e l a t i o n s h i pw i t hl a r g e - s c a l ep h e n o m e n o n i nt h i sp a p e r , h e a v yr a i n f a l l e v e n t o c c u r r e di n10 15j u n e2 0 0 8i ns o u t h e mc h i n ai ss i m u l a t e dw i t ha t w o d i m e n s i o n a l c l o u d r e s o l v i n gm o d e l b e s i d e s ，s e n s i t i v i t ye x p e r i m e n to fc l o u dr a d i a t i o ni sd e s i g n e d t 0b ec o m p a r e d 谢t 1 1c o n t r o le x p e r i m e n tt os h o wt h er e s u l t s c o n v e c t i v ed o m a i nm e a nr a i nr a t ei sl a r g e rt h a nt h a to fs t r a t i f o r mi nc o n t r o l e x p e r i m e n t i no n s e tp h a s e ，d o m a i nm e a nr a i nr a t ei ss m a l l ；i nm a t u r ep h a s e ，d o m a i n m e a nr a i nr a t er e a c h e s m a x i m u m ；i nd e c a yp h a s ed o m a i nm e a nr a i nr a t ei s d e c r e a s e dm a i n l yb e c a u s et h er a i n f a l ld e v e l o p m e n tp r o c e s si s d e p r e s s e db yt h e d e c r e a s i n go fv a p o rc o n v e r g e n c er a t ea n di n c r e a s i n go f1 0 c a iv a p o rc o n t e n t i n r a i n i n gs t t a t i f o r l nr e g i o n s ，r a i n f a l li sm a i n l yf r o mv a p o rc o n v e r g e n c ea n dv a p o rs i n k i sm a i n l yf r o ml o c a lv a p o r i n c r e a s i n g i nc o n v e c t i v er e g i o n s ，v a p o rc o n v e r g e n c ea n d l o c a la t m o s p h e r i cd r y i n ga r et h em a j o rs o u r c ef o rr a i n f a l l l o c a lh y d r o m e t e o rg a i ni s t h em a j o rv a p o rs i n k f e a t u r eo fh e a tb u d g e ti st h a th e a td i v e r g e n c ea n dd o m a i n m 韶t l ll a t e n th e a tr e l e a s ea r et h em a i nc o n t r i b u t o r st od o m a i nm e a nt e m p e r a t u r e c h a n g e d o m a i nm e a nl o c a la t m o s p h e d cc o o l i n gr e a c h e sm a x i m u mi nm a t u r ep h a s e ， a n dl o c a la t m o s p h e r et e m p e r a t u r ec h a n g er a t ei sr e l a t i v e l ys m a l li no n s e tp h a s e a n d d e c a yp h a s e l o c a lm e a na t m o s p h e r i cc o o l i n gi sm a i n l yf r o ms t r a t i f o r mr e g i o n s ( r a i n i n gs t r a t i f o r mr e g i o n sa n dn o n - r a i n i n gs t r a t i f o r mr e g i o n s ) l a t e n th e a tr e l e a s ei n c o n v e c t i v er e g i o n si sc o n s i s t e n t l yl a r g et h a nt h a to f r a i n i n gs t r a t i f o r mr e g i o n s ，w h i c h p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n h a n c i n gl o c a lm e a nl a t e n th e a tr e l e a s e d o m a i nm e a n h e a td i v e r g e n c ei sm a i n l yf r o mr a i n i n gs t r a t i f o r mr e g i o n sa n dc o n v e c t i v er e g i o n s r a i n f a l lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec l o u dr a d i a t i o ns e n s i t i v i t ye x p e r i m e n ti st h a t d o m a i nm e a nv a p o rc o n v e r g e n c er a t ei sd e c r e a s e d , b u tv a p o rs o u r o ei si n c r e a s e db y l o c a la t m o s p h e r i cd r y i n ga n dl o c a lh y d r o m e t e o rl o s s ，a sa r e s u l t , t h ed o m a i nm e a n r a i nr a t ei sl a r g e rt h a nt h a ti nc o n t r o le x p e r i m e n t l o c a l a t m o s p h e r i cd r y i n ga n dl o c a l h y d r o m e t e o rl o s sr e a c hm a x i m u mi nm a t u r ep h a s e i nm i n i n gs t r a t i f o r mr e g i o n sa n d c o n v e c t i v er e g i o i l s ，r a i nr a t ei sg e n e r a l l yi n c r e a s e di nc o n v e c t i v er e g i o n s ，w h i c h r a i n f a l ls o u r c ei s m a i n l yf r o ml o c a lh y d r o m e t e o rl o s s ，n a m e l yl o c a la t m o s p h e r i c i v 一 竺! ! 翌! ! 一一 _ - - _ _ l _ _ - - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ - _ - - - _ - i _ - _ _ _ _ _ 一一。 d r y i n g r a i nr a t ei sg e n e r a l l yd e c r e a s e di nm i n i n gs t r a t i f o r mr e g i o n s ，a n dt h em a j o r r e a s o ni sv a p o rc o n v e r g e n c er a t ei sd e p r e s s e d i n c r e a s i n go fc o n v e c t i v er a i nr a t ei s m o r et h a nd e c r e a s i n go fr a i n i n gs t r a t i f o r mr a i nr a t e ，t h e r e f o r ed o m a i nr a i nr a t ei s e n h a n e e di nt h es e n s i t i v i t ye x p e r i m e n to f c l o u dr a d i a t i o n f e a t u r eo f h e a tb u d g e t so f c l o u dr a d i a t i o ns e n s i t i v i t ye x p e r i m e n ti st h a tl o c a lm e a na t m o s p h e r ec o o l i n gi s i n c r e a s i n gi no n s e tp h a s e d o m a i nm e a nl o c a la t m o s p h e r i cc o o l i n gr a t ei nm a t u r e p h a s ei sl a r g e rt h a nt h a ti no n s e tp h a s e ，a n dl o c a lt e m p e r a t u r ei sm a i n l y a f f e c t e db y r a d i a t i v ee o o t i 】a ga n dd e c r e a s i n go fl a t e n th e a tr e l e a s e i nd e c a yp h a s e ，m e a n r a d i a t i v ec o o l i n gm t ei ss t i l li n c r e a s i n g ，a n dt h em a g n i t u d eo fm e a nl a t e n t h e a t r e l e a s er a t ei so n ed e g r e es m a l l e rt h a nt h a ti nm a t u r ep h a s e ，m e a nh e a td i v e r g e n c e r a t ei ss m a l l e rt h a nt h a ti nm a t u r ep h a s e k e yw o r d s ：t w o - d i m e n s i o n a lc l o u d - r e s o l v i n gm o d e l ，h e a v yr a i n f a l li ns o u t hc h i n a , r a i n f a l lm i c r o p h y s i c a la n a l y s i s ，s e n s i t i v i t ye x p e r i m e n to f c l o u dr a d i a t i v ee f f e c t v 第一章引言 第一章引言 1 1 研究暴雨云微物理过程的意义 暴雨是一种大型的降水过程，它对国防和社会主义经济建设有重要影响，适量的降水 会给农业带来有利条件，但是反常降水则会带来灾害，我国大部分地区降水都集中在夏半 年，而这时正是农作物的生长季节，大型降水的多少能造成大面积的旱涝。尤其是时间长、 面积大的暴雨还能引起洪水泛滥，不仅对生产建设造成极大的危害，而且对于人民的生命 财产也带来巨大的威胁，因此无论是工农业生产、航空、航海、交通运输、水利建设、防 洪抗旱等都需要及时准确的降水预报。 暴雨的形成过程较复杂，作为一种大型降水，它是大气中的水的相变( 水汽凝聚成雨 雪等) 过程。从其机制来分析，某一地区降水形成，大致有三个过程，首先是水汽由源地 水平输送到降水地区，这就是水汽条件；其次水汽在降水地区辐合上升，在上升中绝热膨 胀冷却凝结成云，这就是垂直运动条件；最后是云滴增长变为雨滴而下降，这就是云滴增 长条件。在三个降水条件中。前两个属于降水的宏观过程，主要取决于天气学条件，第三 个属于降水的微观过程，主要取决于云物理条件( 朱乾根等( 2 0 0 5 ) u 1 ) 。同样对于降水强 度较大的暴雨，从条件上来说有宏观和微观两方面的条件。充足的水分供应、持续的上升 气流和大气层结的不稳定是发生暴雨的主要背景条件。发生暴雨的微观过程主要是指云滴 增长变为雨滴，即云滴增长条件。一般认为云滴增长有两种过程：其一是云中有冰晶和过 冷水滴同时存在，在同一温度下，由于冰晶的饱和水汽压小于水滴的饱和水汽压，使得水 汽蒸发并向冰晶上凝华，这种即是所谓的冰晶效应，这种过程能使得云滴迅速增长而产生 降水。其二是云滴的碰并增长过程，当云层较厚，云中含水量较大并有一定的扰动时，有 利于云滴的碰并，于是云滴不断增大最终形成降水。上述两种过程，对于不同纬度，不同 季节的降水有着不同的过程。在中高纬度，云内的冰晶效应发挥着重要作用。当云层发展 的很厚，云项温度低于零下1 0 摄氏度，云的上部具有冰晶结构时，就会产生强烈的降水。 而云层较薄，完全由水滴组成时，则只能产生毛毛雨或小雨。在低纬度和中纬度夏季，由 于零下l o 摄氏度等温线较高，有些云往往发展不到这个高度，云中只有水滴，不含冰晶。 但云层发展较厚时，云滴的碰并过程就起着重要作用，因此产生的降水越强烈。可见，云 滴增长条件，主要取决于云层厚度，而云层的厚度，又决定于水汽和垂直运动的条件。水 汽供应越充分，则云底高度越低，上升运动越强，则云项高度越高，因而云层越厚，云滴 南京信息工程大学硕士学位论文 增长越快，降水量越大。 从另外一个角度来说，云的作用也不可小觑。云在地气系统中对辐射收支具有重要的 作用，云辐射效应和云微物理过程对热带地区的天气和气候的影响是显著的。云和云系的 相互作用，及它们与大尺度运动、辐射和地面的是天气和气候系统中重要的组成部分。在 天气预报和气候模式中对云的处理方案往往是模拟效果和结构稳定性的重要影响因素。能 否更好的模拟云和云一辐射相关作用，将是成功模式模拟云过程及关键所在。随着计算机计 算能力的突飞猛进，在模式中可以有机会更准确的对云和降水过程进行模拟，这也为提高 天气预报准确率提供了一个绝好的契机，同时也将有助于解决对于热带气旋这一与云和降 水物理过程的密切相关的大尺度天气现象的预报能力。另一方面，云是大气和水文过程相 联系的重要环节，同时它也对区域和全球的气候产生了深远的影响。 对于暴雨的研究气象学家进行了深入的探讨( 陶诗言( 1 9 8 0 ) 瞪1 ；周晓平等( 1 9 8 4 ) 啼1 ； 胡志晋等( 1 9 8 7 ) 1 4 ；黄美元等( 1 9 8 7 ) t s ) ；丁一汇( 1 9 9 3 ) t e l ；郭学良等( 1 9 9 9 ) 7 1 ；刘 奇俊等( 2 0 0 3 ) 墙1 ；胡朝霞等( 2 0 0 7 ) 嘲；高守亭等( 2 0 0 8 ) n 0 1 ) ，特别是对于我国华南地 区而言，降水频繁，并且强度相对较大，暴雨对我国的影响是不言而喻的。对于华南暴雨 的研究，各位学者运用不同观测资料及各种数值模式对暴雨进行了模拟( 张立风等( 2 0 0 0 ) ： 史荟燕等( 2 0 0 9 ) 1 2 】；沈桐立等( 2 0 0 9 ) 1 3 1 ) ，并从水汽输送角度( 胡亮等( 2 0 0 7 ) ) 、中尺度结构 及地形角度( 孙建( 2 0 0 2 ) 5 1 ) 、越赤道气流角度( 李向红等( 2 0 0 4 ) n 6 1 ) 、南半球冷空气爆发角度 ( 赵玉春等( 2 0 0 7 ) 旧) 及大气环流特征( 王黎娟等( 2 0 0 7 ) 1 8 1 ) 等角度分析了华南暴雨的影响因 素。而云分辨模式运用于暴雨的研究之中，让我们从微物理的角度对暴雨的发生发展过程 有了一个全新的认识。暴雨的发生不仅仅与宏观尺度的天气现象有关系，微观过程更为深 入研究暴雨的机理和发生发展过程提供了一个好的研究角度。 1 2 二维云分辨模式对暴雨的微物理过程的研究现状 云分辨模式用于研究与对流相关的云尺度过程，已有四十余年的发展历程，随着电脑 技术的迅猛发展，一度用来研究大气环流模式中的云方案如今已经直接应用到了区域研究 之中，并且云分辨模式的水平分辨率较高。对于近些年云模式运用于暴雨的研究，中外气 象学者均取得了很大的成绩，在g a t e ，t o g ac o a r e ，a r m ，及s c s m e x 中x ue t a 1 ( 19 9 6 ) 1 9 1 ；g r a b o w s k ie ta 1 ( 19 9 6 ) i 2 0 1 ；w u c ta 1 ( 19 9 8 ) 2 1 l ；x ue t a 1 ( 2 0 0 2 ) 1 2 2 ；t a oe t a 1 ( 2 0 0 3 ) 2 3 】等人的实验中均较好的验证了云分辨模式的模拟效果。g a oe ta 1 ( 2 0 0 5 ) 1 把水汽的源汇项和云中水凝物的源汇项结合，建立了相对完善的地面降水诊断方程，体现 2 第一章引言 了云在降水过程中的重要纽带作用，使得环境和降水相联系起来，并利用t o g ac o a r e ( t r o p i c a lo c e a ng l o b a la t m o s p h e r ec o u p l e do c e a na t m o s p h e r er e s p o n s ee x p e r i m e n t ) 的热 带大尺度强迫资料进行了二维云分辨模拟，说明了尽管水汽的变化在很大程度上决定了降 水强度的大小，但是云的源汇项却对降水率起着显著的调节作用。崔晓鹏( 2 0 0 9 ) 啪1 利用地 面降水诊断方程对热带降水做了定量分析，结果发现较强的降水发生在局地大气变干和水 汽辐合同时出现的情况下；对流降水率普遍大于层云降水率，对流降水的最主要水汽来源 是水汽辐合，而层云降水的最主要水汽源是局地大气变干。w a n ge ta 1 ( 2 0 0 7 ) 啪1 利用二 维云分辨模式模拟了南海季风实验期间的降水，分析了在降水的不同阶段中，地面降水诊 断方程组成项( 局地水汽变化率、水汽辐合辐射率、地面水汽蒸发率和局地云水凝物的变化 率) 的贡献及云中水凝物的微物理收支情况，其中云水凝物变化项在降水的形成和衰减阶段 的贡献最为显著；而水汽变化项中，除了地面水汽蒸发项的作用可以近似忽略外，其它两 项均在不同阶段对降水起着重要的作用。此外，垂直运动是模式中影响降水的重要大尺度 强迫项，g a oe ta 1 ( 2 0 0 8 ) 幢 利用二维云分辨模式，研究了热带深对流地区对流云降水和 层状云降水对强、弱两种大尺度强迫的响应差别，发现在对流云降水率在强、弱两种大尺 度强迫下的大小相似；而层状云降水率则在较强的大尺度强迫阶段较大，其原因在于水汽 辐合辐散、水汽凝结、雨滴收集云水滴及霰融化等过程的差别。 除了模拟热带海洋地区的降水，二维云分辨模式也已经应用在中纬度陆地降水的研究 中，并取得了一定的成果：x ue ta 1 ( 2 0 0 7 ) 啪1 将二维云分辨模式应用于2 0 0 4 年6 月我国 湖南省的降水过程分析，研究发现模拟的区域平均降水的演变趋势大体与实况相符，但是 降水强度的大小与实况存在差异；另外，模式把冰云含量模拟过多，导致模拟雷达反射率 较实况偏大，并发现尽管时间和区域平均降水率在初始和成熟阶段相似，两个阶段中局地 水汽的主要来源都是水汽辐合，水汽辐合的减小最终在消散阶段抑制了降水的发展。许凤 雯等( 2 0 0 9 ) 模拟了2 0 0 7 年7 月江淮流域的降水过程，较好的模拟出了该次降水的时空 分布和演变特征，及主要的雷达回波结构特点。 1 3 二维云分辨模式对辐射过程模拟的研究进展 对流系统在辐射和云微物理过程中影响热量和水汽的垂直分布。辐射是大气中热量传 输的重要过程，云在地气系统中对辐射收支具有重要的作用，云辐射效应和云微物理过程 对热带地区的天气和气候的影响是显著的，g a oe ga 1 ( 2 0 0 8 ) 啪3 运用二维云分辨模式，模 拟分析了热带海洋地区云辐射效应对平衡态大气温、湿的影响，研究发现除去冰云辐射效 应后，大气温度和湿度均降低，即产生干冷的平衡态，而去除水云辐射效应后大气平衡态 3 南京信息工程大学硕士学位论文 呈现暖湿结构，去除冰云辐射效应后，产生大量的红外辐射冷却，从而增强了海气通量交 换并使得大气承载水汽的能力降低，最终导致降水强度增加，而水云对辐射过程可能没有 影响。p i n ge ta 1 ( 2 0 0 7 ) 1 利用二维云分辨模式研究了去除冰云效应( 冰云辐射效应和 冰云微物理效应) 后，气候平衡态中大气和降水的响应情况，模拟中垂直强迫场速度为零， 结果表明没有冰云效应气候平衡态相对于控制实验呈现偏干冷状态，地面降水强度增强， 研究还发现冰云微物理效应和冰云辐射效应在地面降水过程中相互抵消，这使得在两者均 去除的情况下，降水强度并无显著变化。g a oe ta 1 ( 2 0 0 6 ) 口研究了去除冰云微物理作用 后降水和热力过程的影响情况，与p i n ge ta 1 不同的是实验中采用了垂直大尺度强迫场， 结果表明去除冰云微物理作用后云水量增加，地面降水率降低，原因在于去除了冰云后水 汽的凝华作用也被排除了，无冰云效应的结果是使得大气相对于控制实验呈现偏冷湿的状 态，因为无冰云效应产生了较小的云加热率并消耗了较少的水汽。w a n ge ta 1 ( 2 0 l o ) 嘲 利用二维云分辨模式对2 0 0 8 年华南暴雨的研究表明冰云效应( 包括冰云微物理过程和冰云 辐射过程) 和冰云辐射效应对降水过程的影响，冰云微物理过程降低了逐日和区域平均的 地面降水强度，冰云辐射效应在降水的成熟和衰退阶段增强降水，而在初始和发展阶段减 弱了降水，并指出冰云微物理过程和冰云效应在该次降水中有着同样重要的作用。 1 4 本文的研究内容及创新点 本文主要利用二维云分辨模式来研究2 0 0 8 年6 月的一次华南暴雨过程，并主要分析在 该次暴雨的控制实验以及敏感性实验中，云里各种微物理转化过程，进而对降水的微物理 特点进行分析。在第二章中较详细的介绍了二维云分辨模式的控制方程、地面降水方程、 热量方程等，以及微物理参数化方案。第三章针对控制实验，结合实况背景研究了模拟过 程中各种微粒的微物理转化关系，并针对降水率特点将降水划分为不同阶段，分析不同阶 段的降水微物理特征。第四章设计了云辐射效应敏感性实验，分别考虑不同降水阶段各种 粒子对云中微物理过程的影响。文章中所用到的分析数据是通过模式模拟而得到的，模式 的大尺度强迫资料来自于n c e p g d a s 资料。 对于二维云分辨模式前人对其模拟效果的研究多集中在热带海洋地区m 卜，其模拟效 果从热力状态、显热汇和水汽源、地面辐射和潜热通量以及地面降水率等角度与t o g ac o h r e 期间的高分辨率观测资料进行了对比验证。对于二维云分辨模式对我国华南地区暴雨模拟 效果及敏感性实验的分析可以说是对二维云分辨模式在我国华南地区应用效果的进步验 证。 4 第二章2 d c 蹦模式介绍 第二章2 d c r m 模式介绍 2 1 模式的控制方程 本文模拟降水过程所用的二维云分辨模式最初是由s o o n ga n do g u r a ( 1 9 8 0 ) 1 4 4 1 ，s o o n g a n dt a o ( 1 9 8 0 ) 4 5 建立并发展的，二维版本的g c e 模式( t a oa n ds i l p s o n ( 1 9 9 3 ) 悯) 经s u i 既 a 1 ( 1 9 9 4 ) m ( 1 9 9 8 ) 【镐1 发展使用后经l ie ta 1 ( 1 9 9 9 ) 1 4 9 1 做了进一步的改进。模式把宏观过程和微 观过程相融合，首先模式利用n c e p g d a s 数据资料计算出模拟区域的水平温、湿平流， 纬向风速、垂直风速，海表温度，得到模式初值和大尺度的强迫。非静力弹性近似控制方 程组表达式为： v y + = 1 _ op _ w ：0 ， ( 2 1 ) p 睨 百a a = 一v 助一吉昙万训+ 邑+ 见， ( 2 2 ) 署= - v 阳一万1 瓦0 乃( w 一) b + 品+ 见， ( 2 3 ) 将上述控制方程扩展开，得到如下控制方程细： 掣+ 三掣_ o ( 2 1 1 ) 警：一拿( 2 婀。“甜i ) 一；1i 0 万( w 铲+ 讹+ w t l , l t - - 一w ) 1 1 ) 饶o x pa z ，掣+ 见一巨 ( 2 1 2 ) 警= 一争矽- i - 瓦。w l i - u w 一吉兰驯矽一而一勺警 + 0 6 驴砀+ q + 协 ( 2 3 ) 丝：一亟塑一矿丝一三塑型塑一矿丝一w 丝 0 t呶 呶p 0 z 挠龙 + 邑+ 见卅娑卅娑， ( 2 1 4 ) 百0 c ：一_ o ( u - c ) 一i 1i 0 万一) c 】+ 品+ 砬， ( 2 1 5 ) 仪c 口c oa z 其中，v 和w 是水平和垂直风速，声是平均密度，它仅为高度的函数。 a 2 限孙形砂，b = ( q o q 。劬知彩，0 和咖分别表示位温和比湿；g o 骱勤知g g 分别表示云水( 云中 南京信息工程大学硕士学位论文 的小液滴) ，雨滴，云冰( 云中的冰晶) ，雪( 密度o i g c m 。3 ) 和霰( 密度0 4g c m 3 ) 的混 合比。w t b 是末速度，对于云水和云冰的末速度为零。文是动量、温度、水汽方程等的源 汇项，如气压梯度力、浮力、凝结加热和辐射加热。岛是由微物理过程决定的云的源汇项。 d a 和d b 是与次网格扰动有关的耗散项。 2 2 地面降水诊断方程 在本次降水模拟中，根据g a oe ta 1 ( 2 0 0 5 ) 1 2 卅的推导，地面降水诊断方程可写为： p s = ( k n ，t + q w w + ( h n f e + ( 2 4 ) 其中， 阶= 一旦! ! ! ! ， ( 2 。4 1 ) 嘶2 一【矿攀】- 【矿孕】_ 【万一誓】_ 【 ，。孕】- 【晏( 孑。+ “) g ，】 o xo zo z0 7 ,o x q 、眦2 万( w 吼) k ， 加一掣一【兰( 矿g ，) 】- 【兰( 材吼) 】 at缸、”叙、”“ ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) 方程中( w v t 、如f 、q w w 和q 例分别表示局地水汽变化率、水汽辐合辐散率、地 面蒸发率和局地水凝物变化率，水凝物辐合辐散率，其中纳岍、q w 、，f 和q c m 在本次研究中 出现了正值或负值，它们的正值分别表示局地水汽减小即大气变干，水汽辐合，局地水凝 物减少，而均为正值，表示地面蒸发。需注意的是平均的g 咧表示水凝物含量的局 地变化，模式采用的是循环侧边界，因此水凝物辐合就不出现了。g v 为比湿，“和w 分别 为纬向风和垂直风分量；万为大气平均密度，是高度的函数。9 5 = 吼+ 甄+ g i + g | + g g ，其中g c ， 舔，q i ，舔和g g 分别表示云水、雨滴、云冰、雪、和霰的混合比；一表示纬向平均；上标 表示纬向扰动；【( ) 】ei ：及) c 劫是质量积分，其中盈和z b 分别是模式大气顶层和底层的高度； 上标。代表观测资料值。从地面降水诊断方程( 1 ) 可以看出，地面降水率( 氏) 的大小取决于 局地水汽变化率( 9 m ) 、水汽辐合辐散率( q w v f ) 、地面蒸发率( q 讥e ) 和局地水凝物变化率 ( q c u ) 的大小。 2 3 热量收支方程 根据g a oe ta 1 ( 2 0 0 8 ) 1 2 7 的推导。热量收支方程如下： s h t + s h f + s h s + s 啪+ s l i a d = 0 ，q 6 第二苹2 d c i o i 模式介绍 其中： 一竽， ) 一 一 一 一c 眩oc 一 一 ( 2 5 2 ) s s = 玩， ( 2 5 3 ) = 二 ( 2 5 4 ) 勺 s 呦= 二 ， ( 2 5 5 ) c p 其中s i n - , s 脶s n s , s z h 和s e a d 分别表示局地热量变化，热辐合辐散，地表感热通量， 潜热和辐射加热；庐( p 慨) 餐，f i r ；r 为气体常数；唧为定压( p ) 干空气比热，p o = 1 0 0 0 h p a = r 和口分别表示空气温度和潜热；凰为地表感热通量，为凝结加热，可近似表达为： q 萨k ( p c n d + p d e p + p s d e p i p g d e p p r e m p m l t s p m l t g ) 也一 ，d e p 斗，s d e p + p g d e p - p m l t s - p m l t g 慨a c w ( t t o ) - p s v w ( t t o ) 斗a c w ( t t o ) + p t a c r ( t t o ) + p g a c r ( t t o ) + p s 醚r ( t t o ) - p i h o m ( t t o ) + p i d w ( t o o z 珊)( 2 5 6 ) 其中，厶、厶，上f 分别是在t o = 0 c 时所释放的汽化、升华和溶解潜热。皆厶r + 岛，乃d ：一3 5 ，q r 为太阳能量加热和红外冷却引起的净辐射加热， ( = e 歹( ) d z f , ： w a z ) 为质 量加权平均。 2 4 热量变化和水汽变化方程 望：盟+ 鲤一三曼! 互业l 石谚。塑一矿型 ( 2 6 ) o tcp c 口 o za za x 盟：一瓦1 塑生! l 矿盟一矿盟 ( 2 7 ) 一= 一。一一一一一 恤7 a t a za za x 公式( 2 6 ) 表明，纬向平均局地温度变化由凝结加热、辐射加热、垂直热通量辐合、 垂直温度平流和水平温度平流所决定。公式( 2 7 ) 表明，纬向平均局地水汽变化由净凝结、 7 南京信息工程大学硕士学位论文 垂直水汽通量辐合、垂直水汽平流和水平水汽平流决定。 2 5 微物理过程参数化方案 表2 1 云微物理过程及参数化方案，方案分别采用r h 8 3 ，p 3 t 8 4 ( r u t l e d g ea n d h o b b s ( 1 9 8 3 ) 让1 ( 1 9 8 4 ) h 3 1 ：) ，l f o ( l i ne ta 1 ( 1 9 8 3 ) t s o , t s m ( t a oe ta 1 ( 1 9 8 9 ) s f l ) 和 k f l c ( k r u e g e re ta 1 ( 1 9 9 5 ) ) t a b l e2 1l i s to fm i c r o p h y s i c a lp r o c e s s e sa n dt h e i rp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e s t h es c h e m e sa r e r h 8 3 ，r h 8 4 ( r u t l e d g ea n dh o b b s ( 1 9 8 3 ) 4 2 1 ( 1 9 8 4 ) 1 4 3 】；) l f o ( l i ne ta 1 ( 1 9 8 3 ) 1 5 0 ，t s m ( t a oe t a 1 ( 1 9 8 9 ) 1 5 1 1 ) 和k f l c ( k r u e g e re ta 1 ( 1 9 9 5 ) 1 3 列) 8 第二章2 d c i 瑚模式介绍 以上2 9 种微物理过程可以用下面一张表格关系来表示g a oa n dl i ( 2 0 0 8 ) 1 5 2 1 ： p s a c rp i a c rp r a c $ 图2 1 云微物理方案流程图 f i g2 1a f o l w c h a to f t h ec l o u dm i c r o p h y s i c a ls c h e m e s 粥= 鬻p t a十dj n o o ( = 4 x1 0 6m是霰分布的临界值，s 相。q 啪) ，q 啪是水的饱和混合比万( = 1 9 3 m 墨_ ) 是霰相关下落过程的一个