层积云覆盖的边界层的数值模拟研究(Ⅱ): 数值模拟结果分析

着重分析了文献[1]新建立的层积云覆盖的边界层的数值模式对大涡模拟对比试验中个例模拟的结果。并将数值模拟结果与一些已有的观测和数值模拟结果进行了对比。分析结果表明,该边界层模式能较合理地模拟海区层积云覆盖的边界层的微湍流结构和云的微物理过程。     

层积云覆盖的海洋边界层云详细微物理过程的数值模拟

文中建立了一个含显式分档的云微物理模式和辐射传输模式的一维 3阶湍流闭合模式 ,该模式可用于研究海洋边界层云中气溶胶和云的相互作用过程 ,同时提出了一种新的动力模式和微物理模式耦合方法 ,该方法可使动力模式中液态水相关项可以直接由微物理模式变量计算得到。作为模式的初步应用模拟了 2 0 0 1年APEX/ACE Asia在西太平洋上所观测到的一个个例。模拟结果和观测资料比较表明该模式基本上模拟出层积云覆盖的海洋边界层的基本结构     

新疆乌鲁木齐地区冬季层积云研究——数值模拟研究

在分析实测结果的基础上,建立了一个边界层与云物理学的数值模式,模拟了云生成的过程。模式包括了边界层内的湍流混合、大气与地表的长波辐射和太阳短波辐射以及云层的辐射平衡等,同时也包括了水的汽、液、固三相物质在大气中的相互转换即云微物理过程。模拟的云及边界层的主要结构特征和演变趋势与实测情况大致吻合。模拟结果还提供了有关云结构及演变过程的一些详细图象。     

不可溶性气溶胶对边界层暖云滴谱离散度影响的模拟研究

基于一维分档MISTRA边界层云模式,模拟研究了内部混有不可溶核的硫酸铵气溶胶对边界层暖云微物理特征的影响。结果表明：边界层内湍流动能通量是影响暖云发展的重要因素。云中液态水含量、过饱和度以及云滴谱离散度均随云中的高度增加而增大。云滴谱标准差是影响云滴谱离散度变化的主要因子。在暖云发展阶段,不可溶性核会增加云中过饱和度,进而导致云滴谱分别向大尺度和小尺度端拓宽,云滴谱标准差增大,云滴谱离散度随时间增加而增大的程度增强;在暖云减弱阶段,不可溶核会造成云中大尺度端云滴数浓度减少,云滴谱变窄,标准差变小,云滴谱离散度逐渐减小的特征减弱。     

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。     

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2．2,对2008年1月25-29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1％以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。     

干湿地表的湍流特征及其对深对流影响的大涡模拟

利用大涡模式模拟了对流边界层结构演变以及深对流触发过程。通过改变鲍恩比的敏感性试验研究不同大气初始状况下湿润和干旱下垫面湍流特征及其对深对流触发过程的影响。结果表明:干旱下垫面的混合层干而暖,厚度较大;湿润下垫面相反。由于地表感热通量对热力湍流形成的作用更大,干旱下垫面上湍流混合和夹卷作用更强,使得水汽和相当位温在边界层内分布更均一,而在边界层顶有较大的负扰动;干旱下垫面上对流强度较湿润下垫面大,但均表现为泡状对流,水平方向上呈网状结构。不同下垫面上深对流的发生与大气初始状况有关,当初始时刻1—3 km的逆温强度较弱时（0.15 K/（100 m））,边界层内湍流迅速发展,深对流首先在干旱下垫面发生,但因对流有效位能较小,云层厚度小于湿润下垫面。当1—3 km的逆温强度增加到0.55 K/（100 m）时,云层形成时间较晚,云层厚度明显减小,仅当边界层顶的比湿较大时,有深对流发生,但仍首先发生在干旱下垫面,考虑贯穿对流在边界层顶引起的较强冷却作用,云层厚度大于湿润下垫面。      

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

云贵高原洱海湖泊效应的数值模拟

采用耦合湖泊模型的WRF_CLM模式模拟山谷盆地中洱海的湖泊效应,并利用陆面(农田)和湖面的站点观测资料对模式进行了验证和校验。基于数值模式的模拟结果,分析了季风和非季风期间,洱海存在与否对山谷盆地局地环流及大气边界层结构的影响。发现非季风期湖泊对局地环流及大气边界层影响显著。相对于陆地,湖泊白天湍流通量输送少,湍流发展弱,大气边界层高度低。如果湖泊不存在,白天苍山山谷风只能上升至约200 m的高度,没有明显的山谷风环流形成;夜间则山风较强,两侧山风共同作用在山谷,环流高度约600 m。季风期,受降水天气影响,局地环流发展不充分。白天湖面辐散以及夜间湖泊南部的气旋式环流弱,湖泊作用没有非季风期明显。云的形成导致边界层高度较低。夜间,湖泊增强释放潜热、感热作用明显;此时湍流发展,夜间边界层反而比白天高。     

青岛地区边界层结构的数值模拟

本文建立了一个非静力的三维细网格边界层模式，对青岛地区复杂下垫面条件下的边界层结构和湍流特征作了数值模拟，模式采用能量闭合方案，舍弃了静力近似，以提高空间分辨率和模式精度。模拟以实测资料为初始输入，对该地区风场和湍流场作了较细致的模拟分析，与观测资料相比，结果合理地一致。结果表明了陡峭地形和不规则海岸线对局地风场和湍流场影响很大。     

CMA-GFS全球模式海洋边界层高度的主要偏差特征

海洋边界层高度是表征海洋上空大气的水汽、热量、物质等垂直分布的重要特征量，同时在气候、污染、模式预报上有关键作用。然而，利用海洋边界层高度观测对数值天气预报模式进行诊断的研究很少。因此，本文利用2019—2020年GPS掩星资料计算出的海洋边界层高度的分布特征，对CMA GFS全球模式的预报性能进行分析，同时借助ERA5再分析资料对CMA GFS模式的偏差进行讨论。主要结论如下：①CMA GFS全球模式在西太平洋、南太平洋、南大西洋绝大部分海域预报的边界层高度比较合理;②模式在热带辐合带海域和南太平洋辐合带存在高估预报，初步分析与模式对热带深对流的抬升凝结高度的预报偏高有关。③模式和ERA5在南半球层积云所在区域均存在边界层高度预报偏低，初步分析可能是模式对南半球层积云顶辐射冷却驱动的湍流扩散偏小造成。④模式在有云的大气下主要呈现为预报偏高，中心值在200 m左右，而在晴空区域模式预报较为合理，偏差值范围较小，ERA5也存在类似的特点。     

不同水汽条件下气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

为全面了解水汽在气溶胶影响雷暴云电过程中的作用,本研究在已有的二维雷暴云起、放电模式基础上,通过改变相对湿度和气溶胶初始浓度(文中气溶胶浓度均指气溶胶数浓度)进行敏感性数值模拟试验.结果表明:(1)随着气溶胶浓度升高,雷暴云产生更多的小云滴,降水过程受到抑制.而当水汽含量升高时,云滴数浓度的增长速度更快,雨滴数浓度升高...     

超级单体向平流层输送水汽机制的数值模拟

为了揭示深对流云直接向平流层输送水汽的物理机制,利用WRF中尺度模式的理想个例运行方式对CCOPE(Cooperative Convective Precipitation Experiment)试验期间的一次超级单体进行了数值模拟。选用Thompson云微物理过程方案设置一系列初始云滴数浓度(N_c)进行模拟试验后发现,N_c=175 cm~(-3)情形下模拟云的最大垂直风速与实测结果最为接近,并且模拟出了超级单体。因此,本文利用该模拟结果分析了超级单体向平流层输送水汽的机制。1 min一次的输出结果表明:冻干脱水机制与本次所模拟出的平流层加湿没有直接的关系,超级单体向平流层输送水汽的主要机制可能为湍流输送机制,而升华加湿机制的作用很小。这是由于超级单体云上部的冰晶大部分被消耗而形成雪,因此被输送到平流层的主要是雪这种落速较大粒子,这种粒子不易被向上输送但又容易降落,因此升华所形成的水汽量相比湍流输送的水汽量小很多。湍流造成的水汽输送通量密度的量级约为10~(-9)kg·m~2·s~(-1)。     

一个统计低云方案及其在大气环流模式中应用初探

文中利用湍流耗散特征时间尺度和湍流垂直扩散系数对湍流二阶距进行参数化 ,将一个统计云方案与一阶湍流闭合方案进行耦合。基于数值试验 ,在不同的相对湿度、温度垂直梯度、以及湍流耗散特征时间尺度条件下 ,对该方案云量模拟能力的分析 ,发现该统计云方案对其采用的参数及湍流耗散特征时间尺度敏感。基于该数值模拟分析 ,修改了该统计云方案 ,并结合其他边界层积云参数化方案 ,给出了一个基于统计的低云参数化方案。将其初步应用于NCARCCM 3后发现 :该方案可以显著增强CCM 3对副热带低云的模拟能力 ,可以合理地模拟出大洋东部大陆西岸冷海域低云量大值中心 ,显示出该方案对于改进大气环流模式低云参数化具有潜在的应用前景。     

复杂下垫面地域边界层结构的三维细网格数值模拟

建立了一个可供复杂下垫面地域使用的非静力的三维细网格边界层模式，就复杂下垫面条件下的边界层结构和湍流特征作了以实例为对照的数值模拟试验，模式采用能量闭合方案，舍弃了静力近似。以实测资料为初台输入，同时还做了一些数值试验，分别获得了采用静力与非静力模式和不同闭合方案对ＰＢＬ模型的结果。     

利用尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对一次陆地浓雾的数值模拟

为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。     

一维大气边界层二阶闭合的有限元数值模式 I. 对流边界层模拟

利用有限元法用于二阶湍流闭合大气对流边界层模式,并模拟了Wangara试验33天的对流边界层的发展过程,计算结果表明,该模式能真实的模拟出对流边界层的发展过程,并且准确地反映对流边界层中湍流扩散和输送过程。     

积云中去滴谱形成的数值模拟研究(一)——盐核谱和浓度的作用

本文利用一维非定常积云数值模式,详细地考虑云的微物理过程,模拟了积云发展前期云的宏微观结构,研究了盐核谱和浓度对积云中云滴谱形成的影响。结果表明,本模式模拟的云中上升气流和含水量等宏观特征与观测结果基本上一致,云滴谱分布和大云滴浓度以及它们随高度分布的特征等也与观测相符。在积云顶部附近还模拟出双峰云滴谱。结果还指出,大陆性积云云滴谱和海洋性积云云滴谱之间的差异,主要是由于两地空气中盐核总浓度不同所致,而不是由于巨核多少的缘故。     

积云中云滴谱形成的数值模拟研究(一)——盐核谱和浓度的作用

本文利用一维非定常积云数值模式,详细地考虑云的微物理过程,模拟了积云发展前期云的宏微观结构,研究了盐核谱和浓度对积云中云滴谱形成的影响。结果表明,本模式模拟的云中上升气流和含水量等宏观特征与观测结果基本上一致,云滴谱分布和大云滴浓度以及它们随高度分布的特征等也与观测相符。在积云顶部附近还模拟出双峰云滴谱。结果还指出,大陆性积云云滴谱和海洋性积云云滴谱之间的差异,主要是由于两地空气中盐核总浓度不同所致,而不是由于巨核多少的缘故。     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。