飞机积冰的直接气象因子――过冷云水的中尺度数值模拟和预报

1、飞机积冰的直接气象因子过冷云水的中尺度数值模拟和预报王鹏云阮征北京100081 验HUAMEX海峡两岸及临近地区暴雨试用5-D可视化系统观察分析云中各种相态水成物和流场给出了造成飞机积冰的直接气象因子云中过冷水的空间分布和随时间演变及其与水汽冰晶雪垂直气流的相互关系具有完善湿物理显式方案的高分辩非静力平衡中尺度数值模式MM5可用于对飞机积冰的直接气象因子云中过冷水量的模拟和直接预报飞机积冰中尺度数值预报引言夏季在具有充沛水汽和强对流的云中冰晶雪等主要在0-15还有大量液相的云滴即过冷云水存在过冷水滴碰到飞机表面会立即冻结较长时间飞行在过冷云水区的飞机由于机面积冰可能改变飞机机翼的表面形态乃至流

2、体动力学性质1-3 ÉõÖÁÓÚÔì³É·É»úʧÊÂÖйú±©ÓêÊÔÑéÑо¿G1998040907国家自然科学基金项目49735180次飞行事故调查结果表明ColeandSand,1991因而对飞机积冰的预报是飞行安全气象保障的一项重要内容主要考虑

3、的气象因子包括温度和相对湿度 -2-15或65%·É»ú»ý±ù¶ø¶ÔζȺÍÏà¶Ôʪ¶ÈµÄÔ¤±¨Ôò¿ÉÓûùÓÚ¹Û²â

4、×ÊÁϵÄÖ÷¹ÛÔ¤±¨»òÊýֵģʽÌṩµÄÐÎÊƳ¡Ô¤±¨5ģʽÖл¹¿¼

5、;ÂÇÁ˵ØÐκÍÇ¿¶ÔÁ÷Ó°Ïìˮƽ·Ö±æÂÊ40kmÓëÓÃζȺÍÏà¶Ôʪ¶ÈÔ&

6、#164;±¨½á¹û×÷Á˱ȽÏReisner et al.(1998 7为PSU/NCAR 中尺度模式MM5发展了更完善的描述冷云的云物理显式方案因而为预报飞机积冰提供了新途径福建完成的 取得的加密观测为用高分辩非静力平衡中尺度数值模式MM5模拟研究华南暴雨中尺度云物理过程提供了条件IOP用5-D可视化系统观察分析云中各种相态水成物和流场从而得到在诸多因子作用下形成的过冷云水的分布和变化二这次过程由强冷空气南下而产生24日08时到达武夷山到北部湾沿

7、岸一线在珠江口以西和沿海形成对流云团23日下午到夜间四会新会珠海站的日雨量分别达236.3161.6202.3毫米模式及试验方案中尺度模式为美国PSU/NCAR非静力平衡中尺度数值模式MM58再引入实际地面及高空观测资料对初估场进行订正 规定等压面和特性层侧边界用时变出入流方案在HUAMEX试验的加强观测期间清远杨江四站一天有四次探空本个例模拟中暂未加入这可能影响到初值和側边界值中尺度信息的引入最外层格距45公里61水平格点数61最内层格距5公里73E N E N E N地形资料分别用精度为经纬度30HUAMEXÊÔÑéÆÚ¼

8、;äÓÃNOAAÎÀÐÇ×ÊÁÏ·´Ñݵõ½µÄÎÒ¹úµØ±íÖ²±»×ÊÁÏÓü°ÁÚ½üµØÇøE

9、 NµÄµØ±íÖ²±»·Ö²¼·´ÕÕÂʱȷøÉäÂÊÓëÃÀ¹úNCA RÖ²±»×ÊÁϱȽÏ对所有三层网格尺度的显式云物理参数

10、化方案均选用了基于混合冰相的Reisner霰方案7所以我们采用了几种参数化方案格距15公里的中网格用Kain格距5公里的细网格仅用显式方案Reisner霰方案中将水汽雨水雪 其中对云冰霰还考虑了其数浓度变化包括 非均匀冻结T=-40C云冰融化成云水 繁生淞附 雪晶聚并雪碰并云冰雨水碰并云冰冻结成霰雨水碰并雪冻结成霰雪的凝华增长和融化云水相互碰并成雨水图1模拟结果每小时输出一次热力场的相互配置预报与实况比较24小时降水量预报 模式预报的24小时降水量与实况比较但位置略偏西158毫米5公里细网格模拟不但较好地预报了最大降水量更细致的多中心中尺度结构Array二造成珠江口以西地区的降水云团24日08

11、时以后南移入海降水中心范围四Array个站南海中山与之相比较因而模拟降水时间趋势与实况基本吻合四站实测降水和模拟最大降水中心的逐时变化均反映出这次降水集中在很短时段云顶高度香港多卜勒雷达观测的云顶高度在8-10公里冰晶霰和雨水的混合比垂直剖面给出的云顶高在300-400hPa通过上述比较模拟降水较好地反映了这次暴雨实况例如202mm在降水时段上模拟比实况提前但初值和側边界值资料较粗而加密观测资料尚未同化进去有关五维持和消散过冷云水是指在负温度区的液态云水当环境温度高于-20相当部分的云水不会自然冻 结而维持在过冷的液态冰晶霰过冷水滴才被冰粒子碰併冻结水相表面饱和水汽压差而导致的贝杰龙过程而蒸发

12、生成消散Reisner霰方案在MM5模式中全面综合考虑了各种云物理过程作用温度等相互作用用5-D可视化系统可以清楚地显示云水冰晶Array动画图显示冰相雪过冷水减少在没有冰相的部位则没有雨水雨水区随着冰相和过冷水的的移动而移动与之相应的是上面冰与过冷水混存及其下方雨水在雨水区间隙处虽也有大片的云水雨水很少或几近没有由模式输出的过冷水三维格点资料Array即飞机可能积冰区如图2a给出的1998.5.24.00h在450hPa等压面上的分布Array即飞机可能积冰的航段如图2b给出的1998.5.24.00h过冷水的垂直剖面分布还可给出某场站上方过冷水的随时间的变化情况格点坐标19的时间-高度剖面

13、小结用Reisner显式方案高分辩非静力平衡中尺度数值模式MM5模拟研究98年一次加强观测 的华南暴雨个例中云物理过程热力场的三维空间分布和随时间的演变与水汽 冰相 冰晶 霰 雪 垂直气流的相互关系 表明 具有完善 湿物理显式方案的高分辩非静力平衡中尺度数值模式 可用于对飞机 积冰的直接气象因子云中过冷水量的模拟和直接预报 当对流较强 产生冰相 冰晶 霰 雪 后 由于冰粒子与过冷水间的碰併以及贝杰 龙过程会减少过冷水 当对流较弱因而只有液相云水而无冰相加入时 过冷云水容易维持 参考文献 ，： ， ，： ， ，： ， ，： ， ， ， ，： ， ，： ： ， ，： ， （）， ， 鹏云，肖乾广，：卫星遥感地表植被及其在华南暴雨中尺度数值 王 模拟中的应用试验，应用气象学报 待发表 图 霰方案框图 60.00 a 50.00 40.00 24.00 22.00 b 24.00 22.00 c 20.00 20.00 18.00 18.00 16.00 16.00 14.00 30.00 12.00 14.00 12.00 10.00 20.00 8.00 10.00 8.00 6.00 10.00 4.00 6.00 4.00 2.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 2.00 4.00 6.00 8.0