（大气物理学与大气环境专业论文）初始扰动对对流云发生发展影响的数值模拟研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新。的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、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 了谢意 、 作者签名：缝蜩臼 日 期：塑! f 珏i 2 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留，使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名；熟目目8 日 期：冱l 红五 南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 本文利用探测和数值模拟方法，研究了初始扰动对对流云发生发展的影响。 分析c a p e ( c o n v e c t i o na n dp r e c i p i t a t i o n e l e c t r i f i c a t i o n ) 资料，表明水平对流卷 ( h o r i z o n t a lc o n v e c t i v er o l l s ) 能够触发强对流。但仅从原始探空资料，分析强 对流发生发展潜力的能力很有限。原始探空资料经过飞机探测的最大湿度订正 后，计算分析表征强对流发展潜力的各参量，结果表明，下列几种情况可以发 生强对流过程：( 1 ) 边界层厚度与自由对流高度基本上相等：( 2 ) 对流有效位 能大同时对流抑制能量绝对值小；( 3 ) 对流抑制能量绝对值小同时中层相对湿 度大；说明探空资料经过合理订正后，上述因子能够作为强对流发生的有效预 报因子。 本文利用完全弹性三维冰雹云模式，设计3 种扰动方案，即湿泡、热泡和 湿热泡，进行初始扰动对对流发展影响的数值试验；在热泡扰动方式下，又根 据不同水平扰动半径、扰动厚度、扰动中心高度和扰动中心位温偏差等，模拟 初始扰动对对流云发生发展的影响。模拟结果表明：( 1 ) 扰动范围相同，采用 湿热泡( 位温偏差同热泡、湿度偏差同湿泡) 扰动法时，对流发展速度快，强 度大；采用热泡扰动法时，扰动主要影响对流发展的速度；采用湿泡扰动法时， 则主要影响对流发展的强度；( 2 ) 模拟云顶高度相同时，采用热泡和湿热泡扰 动，对流发展较快；湿泡扰动时对流云发展慢；但湿泡扰动时地面降水、降雹 量均较大；而湿热泡扰动时地面降水、降雹量均最小。( 3 ) 在热泡扰动方式下， 扰动中心位温偏差大小适当，仅增加扰动厚度或降低扰动中心高度均能使对流 云发展更快、强度更大；适当减小水平扰动半径，能促使对流云提前发展，但 会导致对流强度减弱；而增大扰动中心位温偏差，不但能增加对流强度，还能 促使对流云提前发展；考虑层结条件，对流云发展的强烈程度与层结不稳定性 和初始扰动温度偏差均成正比；层结越不稳定，启动对流所需条件越低，初始 扰动增加对对流云的影响越小。 关键词：数值模拟，初始扰动，扰动方式，对流云 韧始扰动对对流云发生发展影响的数值模拟研究 a b s t r a c t n 塘e r e c t so ft h ei n i t i a lp e r t u r b a t i o no nt h ed e v e l o p m e n to fc o n v e c t i v ec l o u da r e s t u d i e dt h r o u g ho b s e r v a t i o n sa n ds i m u l a t i o n s 0 b s e r v a t i o nd a t ad u r i n gt h e c o n v e c t i o na n dp r e c i p i t a t i o n e l e c t r i f i c a t i o n ( c a p e ) i l l u s t r a m st h a th o r i z o n t a l c o n v e c t i o nr o l l sa r ea b l et oi n i t i a t ed e c dc o n v e c t i o n h o w e v e ri ti sd i 伍c u l tt o e s t i m a t et h ep o t e n t i a lf o rd e c o n v e c t i o nf r o mt h ep a r a m e t e r so fp r i m a ls o u n d i n g n l eo r i g i h a ls o u n d i n gw a sm o d i f i e dw i t ht h em a x i m u mm o i s t u r eo b t a i n e dw i t h i nt h e r o l lu p d r a f tb r a n c h e su s i n ga i r c r a f t a n a l y z i n gt h ep a r a m e t e r so ft h em o d i f i e d s o u n d i n gs h o w st h a td e e pc o n v e c t i o nw i l tb ei n i t i a l i z c di nt h e s ec o n d i t i o i l s ：( 1 ) 砧e b o u n d a r yl a y e rd e p t hi sn e a r l ye q u a lt ot h el e v e lo ff l e ec o n v e c t i o n ；( 2 ) h i 曲 c o n v e c t i v ea v a i l a b l ep o t e n t i a l e n e r g y a n dl o wa b s o l u t ev a l u eo fc o n v e c t i v e i n h i b i t i o n ；( 3 ) l o wa b s o l u t ev a l u eo fc o n v e c t i v ei n l f i b i t i o na n dh i g hm i d l e v e l r e l a t i v eh u m i d i t y s ot h e s ef i tt o g e t h e rp a r a m e t e r sc a l lb ee r e c t i v ep r e d i c t o rt o i n i t i a t ed e 印c o n v e c t i o nw h e nt h es o u n d i n g so f t h es t o r ma r e aw e r em o d i f i e d at h r e e - d i m e n s i o n a lh a i l s t o i t nn u m e r i c a lm o d e lw i t hf u l l ye l a s t i cp r i n l i t i v e e q u a t i o n si s u s e di nt h i s t h e s i s f i r s t l yt h r e ed i s t u r b a n c es c h e m e s ：h u m i d i t y , t e m p e r a t u r e ，a n dh u m i d i t y - t e m p e r a t u r ep e r t u r b a t i o nw e r ed e s i g n e dt os i m u l a t et h e e r e c t so fi n i t i a ld i s t u r b a n c eo nt h ed e v e l o p m e n to fc o n v e c t i v ec l o u d s a n dt h e e r e c t so fd i s t u r b a n c et h i c k n e s s ，p e r t u r b a t i o nc e n t e rh e i g h t , i n i t i a lp o t e n t i a l t e m p e r a t u r ed e v i a t i o n , a n dd i s t u r b a n c eh o r i z o n t a lr a d i u so nt h ed e v e l o p m e mo f c o n v e c t i v ec l o u d sw e r es t u d i e dw i t ht h et a m p e r a t u r ep e r t u r b a t i o n t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w ：( 1 ) n ec u m u l u sd e v e l o p sf a s t e ra n ds t r o n g e rw i t hw f l r i n - w e tb u b b l e p e r t u r b a t i o n , t h ed e v e l o p i n gr a t eo ft h ec u m u l u si sm o s t l ya f f e c t e db yw a r mb u b b l e p e r t u r b a t i o n , a n dt h ew e tb u b b l ep e r t u r b a t i o nm o s t l ya f f e c t st h ec u m u l u sd e v e l o p i n g s t r e n g t hw i t ht h es a m ed i s t o r b a n c ea r e a ：( 2 ) h o w e v e rt h ec u m u l u sd e v e l o p sf a s t e r w i t ht h ew a r mo rw a r m - w e tb u b b l ep e r t u r b a t i o na n ds l o w e rw i t hw e tb u b b l e p e r t u r b a t i o nw h e nt h eh e i g h to fs i m u l a t i o nc h i n u l u sw a st h es a m e i na d d i t i o nt h e t o t a lp r e c i p i t a t i o na n dh a i ls h o o t i n go nt h eg r o u n dw a sl a r g e rw i t hw e tb u b b l e p e r t u r b a t i o nb u ts m a l l e rw i t hw a r m - w e tb u b b l ep e r t u r b a t i o n ( 3 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n o fw a r n lb u b b l ep e r t u r b a t i o ni n c r e a s i n gt h ed i s t u r b a n c et h i c k n e s so rr e d u c i n gt h e p e r t u r b a t i o nc e n t e rh e i g h ts e p a r a t e l yw i l ls t r e n g t h e na n dq u i c k e nt h ec u m u l u s ；t h e c o n v e c t i v ew i l ld e v e l o pf a s t e rw i t has m a l l e rd i s t u r b a n c eh o r i z o n t a lr a d i u s ，b u ti t w i l lb ew e a k e n e du n d e rt h i sc o n d i t i o n ；n e v e r t h e l e s st h ec u m u l u sd e v e l o p sf a s t e ra n d m o r ei n t e n s e l yw i t hal a r g e rd i s t u r b a n c ep o t e m i a lt e m p e r a t u r ed e v i a t i o n c o n s i d e r i n gs t a b i l i t yt h ed e v e l o p i n gi n t e n s i t yo ft h ee u r n u l n si sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a l t ot h ei n i t i a lp e r t u r b a t i o na n dt h ei n s t a b i l i t yo ft h es t r a t i f i c a t i o n ；h o w e v e rt h em o r e u n s t a b l eo ft h es t r a t i f i c a t i o nt h el o w e ri n i t i a ld i s t u r b a n c ed e m a n d i n gf o rt r i g g e r i n g c o n v e c t i o n , t h es m a l l e re r e c to fi n i t i a ld i s t u r b a n c eo nt h ec u m u l u s k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；i n i t i a ld i s t u r b a n c e ；d i s t u r b a n c es c h e m e ； c o n v e c t i v ec l o u d 2 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 研究的重要性 1 1 1 对流天气产生的原因 第一章前言 大气对流是指大气中的一团空气在热力或动力作用下的垂直上升运动，可造成大气特 性的垂直传输和混合。对流云的形成，首先必须有丰富的水汽供应，还必须具有不稳定( 包 含对流性不稳定) 的层结。不稳定能量是一种潜在的能量，没有外力抬升作用时，地面上 的气块不会自动抬升，因而气层也不可能表现出对气块有促进上升的能力。只有产生了某 种触发( 抬升) 作用，气块被强迫抬升达到自由对流高度以上时，这个气块才能靠着气层 浮力的支持自动的加速上升，从而形成强大的上升气流。热力作用下的大气对流主要是指 在层结不稳定的大气中，一团空气的密度小于环境空气的密度，因而它所受的浮力大于重 力，在净阿基米德浮力作用下形成的上升运动。在夏季经常见到的小范围的、短时的、突 发性的和由积雨云形成的降水，常是热力作用下的大气对流所致。动力作用下大气对流主 要是指在气流水平辐台或存在地形的条件下所形成的上升运动。一些特殊的地形( 如喇叭 口状的地形) 所形成的大气对流既有地形抬升的作用，也有地形使气流水平辐合的作用。 1 1 2 研究对流天气的重要性 强对流云是对流层内十分常见而又十分重要的中小尺度天气现象。其重要性不仅在于 积云对流本身是重要的天气现象。全球3 4 的雨水来自对流云，这对地球上的水分平衡具 有十分重要的意义；而更为重要的是它作为大气环流中最为有效的一种能量转换器，是水 汽、热量和动量垂直输送的重要机制。同时，积云对流又是大气中最为复杂、危害最大的 天气过程之一，其复杂性在于影响积云对流发生发展的因素，一方面对流云的宏观动力和 热力过程为各种微物理过程的发生发展提供背景条件的同时又制约其发展；另一方面，各 种微物理过程的发生发展又反过来影响云的动力和热力过程。可以想象，一组描述积云对 流过程整个生命史各个方面特征的方程组将是及其复杂的，因为这意味着在描述从d , 至f i 直 径为1 0 4 岬的气溶胶粒子到5 x 1 0 3p m 以上的降水粒子之间的相互作用及其对对流云动力 3 初始扰动对对流云发生发展影响的数值模拟研究 学过程的反馈作用的同时，还要考虑各种大尺度天气背景对积云对流的强迫影响。其空问 尺度跨越十余个量级。其灾害性在于对流性天气十分激烈，容易成灾。这类系统造成暴雨、 冰雹、雷电、陆龙卷、剧烈的地面阵风、降温、下击暴流等强烈的天气现象，给人类活动 造成很大危害，幸好大多数过程影响范围小，持续时间较短。但是有时也会发生大范围的 强雷暴天气过程，其影响范围可达数十县到省，持续时间可达一天左右。例如1 9 6 2 年6 月 8 日，在山东、江苏、安徽等省内有二三十个县下了大冰雹；1 9 7 4 年6 月1 7 日在北起山东 半岛，经山东、江苏、安徽等省，南至浙北、赣北及鄂北等广大地区自北向南发生了8 , - 1 2 级大风或冰雹等严重天气；1 9 7 5 年8 月5 日至8 日河南驻马店地区的特大暴雨三天降水高 达3 0 01 3 1 1 1 1 以上，引起水库垮坝，造成严重的生命和财产损失；还有1 9 9 0 年。据不完全统 计，这一年由于对流强风暴天气引起的冰雹、大风、暴雨、洪水、雷击等事件就造成千余 人伤亡，直接经济损失超过1 3 0 亿元。国外如1 9 7 4 年4 月3 日晚至4 日有一百多个龙卷袭 击了美国的1 2 个州及加拿大部分地区；据统计在美国，由于冰雹、闪电和龙卷造成的损失 每年达到5 亿美元。这些大范围的强对流危害巨大。因此做好对流性天气的预报，预防强 对流天气的突然袭击，对于防灾、抗灾、保障国民经济和国防建设都有十分重要的意义。 1 1 3 研究的强对流过程的重要手段 由于强对流天气的局地性、剧烈性和复杂性，使得观测资料的获取和理论研究及实时 预报比较困难。这种情况下基于实验，观测和理论研究，归纳构造出的对流云模式成为研 究强对流过程的重要手段。 1 2 对流云模式的发展简要回顾 1 2 1 国外对流云模式的发展 2 0 世纪( 下同) 6 0 年代o g u r aa n dp h i l i p s 1 1 用尺度分析法推导出了浅对流和深对流的 基本方程组，为对流云数值模拟工作的广泛发展奠定了动力学基础。在这一时期，低维对 流云模式得到了很大的发展，不论是在动力学上还是在云微物理过程的处理技术上都获得 了很大的进步。l i l l y 口! ，o g u r a 3 j ，a s a i 【4 】，o r v i l l e ( ，j ，k e s s l e r l 6 ”，s i m p s o na n dw i g g e n 【8 9 1 等都进 行了湿对流模拟，但是由于他们忽略了云中降水过程，无法模拟整个对流云的生消过程。 d a s ”1 考虑了降水的作用，指出降水拖曳是启动下沉、促使云消散的重要因素。在国内， 4 南京信息工程大学硕士学位论文 巢纪平和周晓平【i “”1 等人在这一时期也进行了对流云动力学和云数值模拟方面的研究工 作，对对流云动力学过程基本方程组的建立、对流云发生发展条件的线性和非线性分析以 及对流云发展过程的数值实验等方面均做了些在当时处于国际前列的工作。 一维对流云模式以运算和存储空间要求小而被普遍用于各种微物理过程的数值实验， 但一维对流云模式在对流云动力学的研究上受到很大的限制，特别是无法处理环境风场的 问题。进入7 0 年代初期，二维对流云模式得到了相应的发展，按空间压缩方式分为“轴对 称”和“面对称”两大类。轴对称模式使用空间柱坐标系，并假定物理场不随方位角变化， 这类模式适于模拟静止大气中的孤立圆柱状对流单体，以s o o n g “j ，a r n o na n d g r e e n f i e l d “。m u r r ya n dk o c n i g ! ”】等人的工作为代表。显然轴对称模式研究的是完全理想 化的对流云系统，模式中无法加入环境风场或非均匀下垫面特征。与此不同。以m u r r y ”j ， s o o n ga n do g u r a i s j t a k c d a 1 9 1 。s c l d e s i n g e r ( 2 “，o v i l l ee ta 1 【2 l 捌，c h e na n do r v i l l e t 2 3 】等人的工 作为代表的面对称模式采用笛卡尔直角坐标系并假定物理场在某一水平轴方向无变化，模 式中加入了与模式平面平行的环境风场或垂直于该平面的下垫面特征，研究了飑线等具有 较强二维特征的对流天气系统。m u r r y 1 7 1 ，s o o n ga n d o g u r a ”】指出与轴对称模式相比较， 面对称模式模拟对流发展较弱，云外下沉气流相对较强。二维面对称模式的计算量也不大， 可以结合完整的微物理过程模拟飑线这类对流系统的发展演变过程以及动力和微物理过程 的相互作用。但是该类模式还是无法模拟实际环境大气中风向切变作用以及对流云内部的 结构特征和移动，w i l h e l m s o n 2 4 1 比较了用二维面对称模式和三维模式模拟对流云发展的结 果，指出二维模式模拟的云外补偿下沉气流强，对流云发展较缓生命史短。进入7 0 年代， 更多的研究集中在三维模式的发展上较早的工作有s t e 删，p a s t u s l - d c o v 口6 2 7 1 ， w d h e l m s o n u l ，s c h l e s i n g c r 【n ，m i l l e re ta 1 蚓等，这些模式在动力学上基本上都采用 b o u s s i n e s q 弹性近似，而在微物理过程的处理上大多采用k e s s l e r 的暖云参数化方法。 到7 0 年代末期，人们为了强风暴动力学的研究发展了更加完整的三维对流雹云模式。 从模式动力学结构方面看基本上可以分为两大类，一类为非弹性模式，以s c h l e s i n g e r l 3 ”， a n d e r s o ne ta 1 3 2 1 等的模式为代表，另一类为弹性模式，以t a p pa n dw h i t e 3 ”，k l e m pa n d w i l h e l m s o n l “i ，c o t t o na n d1 h d o l 1 等的模式为代表，这两类模式的主要区别在于是否采用 非弹性近似。这些模式被广泛地应用于对流风暴动力学问题的三维数值模拟，取得了卓有 成效的实验结果。k l c m p a n d w i l h e l m s o n 【3 4 3 6 l ，s c h l e s i n g e r l 3 i , y f l ，y a u 3 s ，c o r o na n d t r i p o l i a s l 。 c l a r k t 3 9 1 等模拟研究了在环境切变风场中的孤立对流风暴的发展演变过程，模拟出了与实际 观测相一致的一些对流风暴的结构特征，如气旋反气旋涡对，风暴的分裂以及内部气流结 5 栅始扰动对对流云发生发展影响的数值模拟研究 构等。8 0 年代后期，对飑线的三维模拟吸引了众多学者，这方面的主要工作包括r o t u n n oa n d k l e m p l 4 0 1 ，w e i s m a na n dk l e m p l 4 ”，t a oa n ds i m p s o n 4 2 1 ，r y a n a n d t r i p o l ie ta 1 1 4 3 1 s c h l e s i n g e r 【州 则将注意力转向高层，利用滞弹性三维暖对流云模式模拟了几种不同平流层温度层结对深 厚风暴云顶高度和热力结构的影响。 以上对流云三维模式大多数都只采用了比较简单参数化暖云微物理过程，完全忽略了 重要的冷云过程。因此在模拟深厚对流系统时可能会导致模拟结果与实际云在微物理和宏 观动力特征方面有显著差异。c o t t o na n ds t e p h e n s 4 5 1 将1 0 个体积水参数化微物理过程引入 c s u 三维对流云，中尺度模式( r a m s ) 中，但他们忽略了一些主要的冰相过程。1 9 8 6 年 c o t t o nc ta 1 4 6 1 又对该模式微物理过程做了较大扩充，增加了h a i l e 仕_ m o s s o p 繁生过程、碰 并过程等，并对冰晶浓度进行了预报。 1 2 2 国内对流云模式的发展 在国内，6 0 年代巢纪平和周晓平 t 3 1 等人进行了对流云动力学和云数值模拟方面的研究 工作，处于国际领先的水平从6 0 年代后期到7 0 年代前期关于对流云模式及模拟的研究 基本处于停止状态，直到7 0 年代末期才又开始了这方面的研究，其代表性工作主要有胡志 晋h 7 ”肄，徐华英 4 9 删等，肖辉口”等，黄美元盼矧等，许焕斌p 4 “噜。孔凡铀【5 6 7 增等。 这些工作基本上都是关于低维模式的研究，主要进展在于云微物理过程处理上的不断完善 以及在人工影响雨云中的应用。国内从9 0 年代初开始了三维对流云模式的研究与模拟，其 中有代表性的工作有( 王谦、胡志晋f “，许焕斌、王思微嗍，孔凡铀、黄美元、徐华英讯 “】) 等。随后洪延超 6 “1 采用孔凡铀三维冰雹云模式的动力框架、初始条件、边界条件、 启动方式以及数值计算方法发展了一个考虑详细微物理过程的双参数三维弹性冰雹云催化 数值模式，并提出了冰雹云中“冰晶雹胚过冷水冰雹”的冰雹形成过程链的科学概念。 肖辉【6 7 醴】等改进发展了包含8 种水物质的微物理过程的非静力可压缩模式，能详细描述云 中各种粒子的形成演变过程。由于假定冰雹谱服从特定的指数分布。现行模式中冰雹增长 率依赖其加权平均末速度以及粒子闻的数浓度转换不守恒等局限性，郭学良和黄美元眇”】 建立和发展了包吉3 7 中主要微物理过程的可用于预报和研究三维强冰雹云降雹过程的冰 雹分档模式。 6 南京信息工程大学硕士学位论文 1 3 论文内容 1 3 1 问题提出 云形成的重要因素之一是空气的冷却，大气中空气的冷却常常是由于空气的上升运动 引起的，这在模式中表现为加入一定的扰动。由于本模式所研究系统的特征尺度只有百千 米级，计算区域内只有一个探空站，它给出的初始场是水平均匀的，同时由于计算区域不 包含大尺度系统，故很难反应天气系统的作用，地面观测资料虽然可以给出非均匀分布， 但它代表的气层太浅，难以去估计上空的情况，因而模式不具各自然启动能力，为此需要 加热力或动力的扰动来突破因逆温等稳定层结造成的限制对流发展的因子，启动模式。 对流云数值模式中一般采用两类方法在水平均一的环境场中启动对流。第一类方法适 用于动力抬升产生对流的过程，可称为冷空气出流辐合启动方式。成熟强风暴低层的冷下 沉气流引起沿地表向外的冷出流能够引起足够强的辐合区，产生新的对流单体。t r i p o l i 【_ ”】 和n l o r p e f 2 1 等均设计了能够模拟这个过程的对流启动方式，他们均在模拟开始后的某一指 定时段内，在低层适当区域内加一冷却函数，不同的是t r i p o l i 加的是定常冷却函数，t h o r p e 加的是一随时间变化的冷却函数。为了便于计算，孔凡铀口3 l 采用了定常冷却函数进行动力 启动对流。第二类是热力扰动启动方式，即在模拟区域的中央低层一定范围内加一正的位 温扰动，通过垂直运动方程的热浮力项触发扰动。k l e m pa n dw 曲e l n l s o m 1 引入一个热泡， 人为给一定的位温偏差来启动对流。也有一些模式是在此基础上再加一个湿度扰动，如 c o t t o n a n d l h p o h m 在模式中引进圆柱形的饱和泡产生虚位温扰动触发对流。但是也有部 分是直接给出扰动风场，a s a ia n dk a s a h a r a ”豫设云底饱和直接给出垂直气流速度启动对 流，o g u r aa n dt a k a h a s h i 7 6 更是把垂直气流的扰动半径增大到3 1 c m ，利用类似的模式研究了 冰雹云的生消过程。 已有的二维对流云模式( 徐华英【”j 等) 表明，初始扰动对云的发展影响不大，三维数 值模拟研究工作仅仅是利用对流云模式与实际观测对比，没有涉及初始扰动对云发展的影 响。实际大气中常常出现这种情况，大气层结稳定度、空气湿度相差不大的情况下，部分 区域对流云发展不起来，而有些地区对流云能够发生发展，甚至成为强冰雹云。造成这种 现象的主要原因之一可能是云发展过程中所受到的初始扰动不同。由曾庆存【75 】提出的自然 控制论观点考察对流云降水过程可知，在大气环境层结( 即初始场) 一定的情况下，对云 未来发展起决定性影响的因子应当是对流云所受到的初始扰动。云模式在不同初始扰动情 7 初始扰动对对流云发生发展影响的数值模拟研究 况下所模拟出的云，应当是和实际所发生的云过程相一致，如何从多种状况中挑选出所最 为关心的强风暴发展过程，从自然控制论的角度看。应当是一个反问题，即已知云的发展 状况，寻找云的初始扰动，利用云模式来再现云的发展过程，了解初始扰动对对流云发生 发展的影响。 1 3 2 论文研究的主要内容 本论文工作主要由两个阶段组成，第一阶段主要根据实际探空资料讨论了影响对流启 动的特征因子，并对其进行分类组合，找出预报强对流的参数组别。 第二阶段即本文的主要阶段，利用三维弹性模式模拟研究了发生在吉林的强对流过程。 首先分别采用湿泡、热泡和湿热泡启动对流研究了不同的扰动方式对对流云发生发展的影 响；然后采用热泡扰动方式研究了一定层结条件下初始扰动厚度、扰动水平半径、扰动中 心高度以及扰动中心位温偏差对对流云的发生发展的影响，同时本文还讨论了不同层结条 件下初始扰动对对流云发生发展的影响。 8 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章三维冰雹云模式介绍 2 1 模式结构特点 本模式为中国科学院建立并发展的三维强对流模式，孔凡铀 6 0 1 于1 9 9 0 年采用一组可压 缩的时变、非静力原始方程组建立了基本动力框架，完全弹性的特性使得模式在计算上比 较灵活、方便。后来为适应强对流天气研究的需要，洪延超唧j 、胡朝霞i ，9 l 等对其微物理参 数化过程作了重大改进。建立了霰、冻滴以及冰雹等各自的预报方程，在模式中增加了人 工引晶催化过程。模式的基本结构特点有； ( 1 ) 采用k _ 、模式体系的完全弹性原始方程组为模式的动力结构，模式中包括气 流速度，温、压、湿和液相固相水成物比含量和浓度共2 3 个预报量。用“时步分离”技术 求解； ( 2 ) 一阶湍流粘性闭合方案，包括稳定度因子对次网格尺度混合的抑制作用； ( 3 ) 近地层用相似理论参数化，显式计算地面向上热量、水分和动量垂直通量，因而 可加入水平非均匀下垫面，如水面和大面积植被等； ( 4 ) 开放侧边界，海绵吸收上边界； ( 5 ) 具有不同的对流启动方式； ( 6 ) 模拟域可随风暴质心或指定的速度平移； ( 7 ) k e s s l e r 参数化暖云微物理过程，液水分为云水，雨水两类； ( 8 ) 包含比较完整的冰相微物理过程，采用体积水参数化方案，显式包含h a l l e 幢一 m o s s o p 和大滴冻结破裂等繁生过程，采用一种对f l e t c h e r 活化冰核浓度作订正的方法，反 映所有显式或隐式繁生过程对冰晶浓度的增加作用； ( 9 ) 具有人工播撒催化影响云物理过程的作用。 2 2 模式中的基本假设 ( 1 ) 大气为无粘性可压缩流体； ( 2 ) 忽略地转偏向力； ( 3 ) 任一时刻预报变量场a 可以分解为 9 初始扰动对对流云发生发展影响的数值模拟研究 a o ，_ y ，= f ) = a ( x ，y ，：，f ) + 口0 ，) ，z ，f ) ， 1 、 = 百( = ) + a ( 善，v , g ，f ) + a w ( x , y 。= ，) 其中口为网格元平均量，口。为次网格湍流脉动量，万为初始未扰动状态量，仅为高度 的函数且满足静力平衡条件，是的偏差量，即：一= a 一万； ( 4 ) 云中水成物对周围空气的拖曳力等于其本身重量； ( 5 ) 云滴完全随气流运动，其他水成物质粒均具有相对空气的沉降运动。 2 3 模式控制方程组 梗式的预报量有气流运厦、温度、压力以及i 硬相、崮相水成物比售量：水汽比湿q 、 云水和雨水比含量q 和q ，冰晶q ，雪花q 、霰g 、冻滴岛、冰雹g 和催化粒子幺的 比含量，以及每种粒子的比浓度以下标x = 【v ，c ，ls ，吕1 1 a 】。 将n a v i c r - - - s t o k e s 运动方程对网格元进行雷诺平均，运用对流近似进行处理，再用无 量纲气压f 和位温口分别代替气压尸和温度丁，导出模式运动方程组： 警+ c 五豢= 见 ( 2 2 ) 詈嗨瓦等= e ( 2 - 3 ) 石d w + 啦妻= g ( 罟- + 0 6 0 赋一吼) + 巩 ( 2 4 ) 类似地，由热力学第一定律出发可导出位温0 的预报方程： i d o = 瓯+ q l + 瓯+ d b ( 2 5 ) 模式中水成物预报变量分别满足各自对应的守恒方程； i d m = 吾1 掣+ + k + ( 2 6 ) 其中胪【幺，i 】，q 和n 分别为比含量和比浓度，下标x = r v , c ，i ，s ，g ，l a , a 】分别代表 微物理过程中所考虑的8 种水物质以及催化粒子。右边第一项为降水性水物质的重力沉降 移出项，下标轳【v c 】时，r u - - - 0 ：右边第二项辟诛第三项分别是暖云、冷云微物理过程 产生的源汇项；右边第四项巩为次网格尺度混合项。 此外，还有可压缩流体质量连续方程： 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 竺+ 厕矿：0 由于空气状态量之间存在如下关系： 兀= 嚎彤= 唔以彤 口i - i = t 咒= 0 ( i + 0 6 0 s q , ) p = p & t o + o 6 0 8 吼) 对( 2 8 ) 式求时间导数，并将可压缩流体质量连续方程( 2 7 ) 代入， 方程： 塑d t + 鑫警一詈z 善+ 舌虹d t 见c ，矽：奶c ，奶c p 瓯 。 这里口是无量纲气压扰动量，即# = i - i ，式中： ，。，c , rl2 1 7 0 , ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 i ) 可导出气压预报 式中c 是绝热声速。 方程( 2 2 ) 一( 2 6 ) 和( 2 1 2 ) 就构成了模式的预报方程组，共2 3 个预报量。 2 4 边界条件和初始条件 2 4 i 侧边界条件 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 强对流云模式属于有限区域模式，必须人为建立模拟域的侧边界和给出相应的侧边界 条件。较好的侧边界条件应当是能够允许模拟域内外的各种波动和平均流自由穿过侧边界。 就小尺度雹云模式而言，最主要的是要让域内由对流活动等激发的各种扰动通过侧边界向 外传出时只产生最低限度的反射。为此，对侧边界的法向速度u n 采用如下辐射边界条件： i 8 u , + 饥+ c ) 誓= 0 ( 2 1 4 ) 口 其中n 为侧边界法向，c 相当于域内优势重力内波指向域外的水平固有相速，总是指 向域外k l e m pa n d w i l h e l m s o n 0 4 1 通过敏感性实验指出，川- 3 0 m s 时( 2 1 4 ) 式给出的侧 边界条件的模拟结果与具有大模拟域的参考例非常接近。该侧边界能够有效她允许低层强 初始扰动对对流云发生发展影响的数值模拟研究 入流以及其后的风暴出流的通过，真实反映了通过侧边界的水汽通量变化。 由于模式中采用空间交错网格系统，除法向速度以外的其他预报变量在侧边界上的值 均通过求解各自的预报方程而得。求解时令次网格尺度混合项的法向分量为零，即在侧边 界内半格距处有： 昙k ( 挚+ 为= o “ 砌 ( 2 1 5 ) 昙k 。挈；o o n 其中，n 一- - - x 1 ，x 2 ；t h ：毒u a ；】【i n ，i = 1 ，2 ，3 。k 为垂直方向的动量湍流交换系数，l ( h h 为垂直方向的热量湍流交换系数，o 为液相，固相降水粒子比含量以及比浓度。 2 4 2 上下边界条件 模式的上下边界首先限定： w i 嘲= o ( 2 1 6 ) z t 为模拟域顶高，只要模式上界取得距云项有足够的距离，该式是合理的。t r i p o l ia n d c o t t o n ”1 认为在完全弹性、非静力平衡模式中把上边界取成刚性边界( 即满足( 2 1 6 ) 式的 边界条件) 会反射垂直上传的声波，从而引起域平均压强或总质量的振荡，甚至最终破坏 数值积分的稳定性。本模式在上边界附近增加了一定厚度的波吸收层来抑制深厚系统所激 发的重力内波在这一强稳定层内的垂直振荡。在这个层中，对模式每时步解出的垂直速度 w 进行重新定值： 矿。= 篙等”。， “= 丽) ( 2 _ 1 7 ) 前人模拟结果表明，取n = 8 时，海绵吸收层可以有效地控制上部稳定层的重力内波振 荡和改善计算稳定性。其余变量从预报方程解出，在上下边界以内a z 2 处，方程中的垂直 湍流混合项取零值，即： 毒k 碚+ 0 i i - 1 2 汜 0 k 挈；o a q 这个条件可使初始平均状态廓线在边界附近的垂直梯度不受到湍流混合作用的影响。 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 2 4 3 初始条件 本文用单站探空构造水平均匀的模式初始场，方法是根据地面和高空各层的气压、温 度、露点以及风向、风速插值并诊断出各模式层上的空气密度、无量纲气压、位温、比湿， 风速分量等模式所用的初始值。在初始时刻令： q c = 吼= 嚷= = g i = 毋= q b = 0 w = 0 “= - ( ：) v = 守( ；) ( 2 1 9 ) 口= 日( z ) 4 - a 目 兀= l - i ( ：) + 石 吼= 玩+ 瓴 - - g - n 和瓦是模式水平均匀初始环境场，由探空资料确定，并在整个模拟时间段 内保持不变。从探空廓线中可以直接得到订( 力l a 虿c z ) ，而g c z ) 、矗( z ) 和玩( ：) 以及模式求 解还要用到的夙= ) 和芦( ：) 则要由于( 力和五( 力( 或者相对湿度廓线厂留) ) 通过对下列一组 公式迭代而得： i ( ：) = 7 ( 办k ( 只乃 ( ：) = 氟z x l + o 6 0 8 瓦) ( 2 2 0 ) l 乒( ：) = 乒扛+ a i z ) e x p ( - g a z r n 乏2 ) 上式中是饱和水汽比湿，求出乒和元后，再由： f 万( z ) = p 一e , , r 一, 百乜) ；于幔乒严 ( 2 2 1 ) 【融) = f 歹 得到万、歹和贡。 2 5 对流启动方式 在物理上加启动是要综合反映初始场难以反映但又实际存在的热力- 动力因子，又要以 一种简单的扰动形式加入，因而如何去加扰动启动，要对算例进行天气- 动力分析后综合其 等效作用来给定。对流云的激发因素很多，目前尚无完全符合实际的初始扰动模型，模式 中根据风暴的形成机制设计了四种不同的对流启动方式。 初始扰动对对流云发生发展影响的数值摸拟研究 2 5 1 热泡启动方式 该启动方式是在模拟域低层加一有限范围的正位温扰动场，通过垂直运动方程的浮力 项来建立初始对流。模式中采用如下轴对称形式的位温扰动函数： 伽p 2 ；，鬈喜1 泣砣， 其中： ( z c ，z c ) 是扰动场中心坐标，( z r ，r r ，z r ) 分别是扰动区在三个坐标方向上的半径，口。，a e ( x 。，y c ，工c ) 是扰动中心位温偏差最大值。 大多数对流云模式采用这种方式或再加上一个湿度扰动。将在2 5 3 中介绍。 2 5 2 湿泡启动方式 该扰动方式是在模拟域低层加一给定的水汽湿度场，通过垂直运动方程的浮力项来建 立初始对流。水汽混合比由下式确定： g = 如+ 一乳) s 2 三 ( 2 2 3 ) 其中口与热泡扰动时的定义一样，瓯、q j 分别为饱和混合比和初始水汽混合比a 2 5 3 湿热泡启动方式 该启动方式是在模拟域低层同时加一设定范围的温度场和水汽场，通过垂直运动方程 的浮力项来建立初始对流。湿热泡内位温偏差计算公式与热泡扰动完全一致，而水汽混合 比的计算公式则与湿泡启动方式一致。 2 5 4 低层冷空气出流辐合启动方式 实际大气中相当一部分对流风暴发生在地面中尺度辐合区，而一个强盛的成熟风暴的 低层冷下沉气流引起的沿地面向外的风暴出流在低层环境入流方向往往也能造成足够强的 地面辐合带，从而激发出新的对流元。模式中设计了能够模拟该过程的对流启动方式，在 初始时刻，取口= o 。模拟开始后一指定时段内在模拟域低层有限范围内( 由( x l ，y l ，z 1 ) 。丫 等 2 + 半 2 + 等 胪 南京信息工程大学硕士学位论文 和( x 2 ，y 2 ，z 2 ) 为对角点围成的长方体区域) 对位温方程( 2 5 ) 右端加一冷却函数，相 当于风暴下部的蒸发