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基于Cloudsat卫星资料的梅雨锋云系结构特征及其数值模拟研究

作　者: 陈婷
导　师: 杨军
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 大气物理学与大气环境
关键词: 梅雨锋云系粒子有效半径数浓度及含水量凝结潜热 Cloudsat卫星
分类号: P405
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

主要利用Cloudsat卫星、FY静止卫星以及地面常规气观测资料分析了2006-2010年江淮地区梅雨锋云系水平／垂直伸展、雷达反射率因子、含水量场等物理量的垂直统计特征,并将梅雨锋云系演变过程分为发展、成熟和消散三个阶段,选取Cloudsat卫星探测到的处于不同发展阶段的典型梅雨锋降水个例探究云系内部宏观和微观物理量变化特征,归纳出不同发展阶段的梅雨锋云系典型结构。最后基于WRF模式分析梅雨锋云系演变过程中云场变化和云内潜热分布规律,探讨潜热对于梅雨锋暴雨发生、维持的反馈机制。结果表明：2006～2010年梅雨期间,江淮地区上空云量在六成以上。单层云频率(53.2%)大于多层云频率(36.4%)。多层云中又以双层云出现的频率最高。梅雨锋云系中,高云频率(39.5%)最高,中云频率(27.1%)次之,低云频率明显小于中高云频率。就云厚度而言,低云最深厚,平均厚度在5km左右：其次是中云,平均云厚3-3.5km；最上层的高云最薄,云厚2-3km。梅雨期间,江淮地区上空1～15km高度的含水量层南北分布相对均匀、上下边界清晰,粒子数浓度均值15～30cm-3,液态水含量频率极大值为20.3%,出现在12km高度。固态水多分布于5～15km高度,由北向南,固态水频率变化很小,冰相粒子数浓度最大值均位于11km(-40℃附近)高度。梅雨锋云系具有多尺度结构特征,长江中下游地区不断发展的中尺度对流单体群,最终东西贯穿,形成宽约几百公里的梅雨锋积层混合云系。发展阶段以深对流云为主,存在少许卷云以及高层云和高积云；成熟阶段结构特征明显,从锋区以南向锋区北侧依次为：卷云→高层云→深对流云→高积云→卷云；梅雨锋消散阶段,积层混合云系中心镶嵌着处于消散阶段的对流性降水云团。雷达反射率因子与粒子有效半径相关,对流云雷达反射率因子最大。梅雨锋云系内部,0℃附近,雷达反射率因子较大,即存在零度层亮带。梅雨锋锋前相对湿度明显大于锋后相对湿度。云系内大粒子集中在-20～0℃的过冷云区,固态粒子数浓度比液态粒子数浓度小1-2个数量级,数浓度大值区出现在对流云上部-40℃以上区域。液/冰水路径存在明显的水平变化,卷云内部温度很低,以冰晶为主,液滴极少,某些部位全部冰晶化。发展阶段,液相、固相粒子有效半径、数浓度、含水量均较成熟阶段和消散阶段大。成熟阶段,中尺度对流云团内暖层液滴有效半径、数浓度、含水量均随高度升高而单调增加,并在5km左右达到极值,且-dRc/dT值很大并保持定值。冰水混合层中因复杂的微物理过程,冰晶有效半径呈三峰分布,其数浓度随高度升高单调增加,在-40℃层达到200L-1。-40℃以上高度只有冰晶粒子,固态含水量与粒子有效半径的变化趋势一致,随高度递减。而粒子数浓度随高度升高则是先增加后略微减小。WRF模拟结果显示,梅雨锋强回波中心最大雷达反射率因子超过50dBz。成熟时期,32-34。N之间为等位温线θse。的密集带,云带位于高θse。一侧,并与θse。密集带近乎平行,梅雨锋南北两侧均存在对流不稳定区。高低层涡度、散度以及水汽通量相互配合,为梅雨锋降水提供动力、热力条件。潜热释放加热了暴雨中心相对深厚的大气层,高空锋区空气质量大量流出,高层辐散加强,而低层减压辐合,从而垂直环流加剧。另外,低层减压,气压梯度加大,水平风速增大,使得低空的切变线维持、加强。低层辐合加上强烈垂直上升运动,可产生更多的水汽凝结,导致更多的潜热释放,使得地面产生暴雨。由于对流层上层上升气流减弱而中下层开始出现下沉气流,雪、霰等粒子下落融化,高层下落的冰相粒子融化形成大云滴和雨滴,成为其下方云系的播种云：下方供应云中云水丰富,进而通过重力碰并、湍流碰并等过程形成降水。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-14
  1.1 研究目的和意义  9
  1.2 梅雨锋降水研究进展  9-10
  1.3 梅雨锋结构特征研究进展  10-12
    1.3.1 梅雨锋云系宏观结构特征  10-11
    1.3.2 梅雨锋云系微物理结构特征  11-12
  1.4 本文的主要研究内容  12-14
第二章资料介绍  14-18
  2.1 研究区域及资料时段  14
  2.2 资料介绍  14-18
    2.2.1 Cloudsat卫星资料  14-16
    2.2.2 FY-2C、FY-2E卫星资料  16
    2.2.3 地面常规气象资料  16-18
第三章梅雨锋云系的垂直结构  18-23
  3.1 引言  18
  3.2 云频率的垂直分布  18-19
  3.3 云顶、云底高度  19-20
  3.4 云的垂直分层  20-21
  3.5 本章小结  21-23
第四章梅雨锋云系的微物理特征  23-30
  4.1 引言  23
  4.2 雷达反射率因子及液水路径  23-24
  4.3 粒子数浓度及其频率分布  24-26
  4.4 水成物相态和含水量  26-28
  4.5 水成物相态、含水量与温度的关系  28-29
  4.6 本章小结  29-30
第五章梅雨锋云系微物理结构的演变特征  30-62
  5.1 引言  30
  5.2 发展阶段  30-40
    5.2.1 天气形势  30-31
    5.2.2 动力、热力过程  31-32
    5.2.3 云系发展过程  32-34
    5.2.4 云分类特征  34
    5.2.5 雷达反射率因子  34-35
    5.2.6 云内相对湿度  35-36
    5.2.7 云中粒子有效半径、数浓度及含水量分布  36-38
    5.2.8 液/冰水路径  38
    5.2.9 地面降水特征  38-39
    5.2.10 小结  39-40
  5.3 成熟阶段  40-50
    5.3.1 天气形势  40-41
    5.3.2 动力、热力过程  41-42
    5.3.3 云系发展过程  42-43
    5.3.4 云分类特征  43-44
    5.3.5 雷达反射率因子  44-45
    5.3.6 云内相对湿度  45
    5.3.7 云中粒子有效半径、数浓度及含水量分布  45-48
    5.3.8 液/冰水路径  48-49
    5.3.9 地面降水特征  49
    5.3.10 小结  49-50
  5.4 消散阶段  50-60
    5.4.1 天气形势  51
    5.4.2 动力、热力过程  51-52
    5.4.3 云系发展过程  52-54
    5.4.4 云分类特征  54
    5.4.5 雷达反射率因子  54-55
    5.4.6 云内相对湿度  55
    5.4.7 云中粒子有效半径、数浓度及含水量分布  55-58
    5.4.8 液/冰水路径  58
    5.4.9 地面降水特征  58-59
    5.4.10 小结  59-60
  5.5 本章小结  60-62
第六章梅雨锋云系的数值模拟  62-76
  6.1 引言  62
  6.2 模拟方案  62-63
  6.3 模拟结果的验证  63-64
  6.4 云和降水物理过程  64-70
    6.4.1 雷达反射率因子  64-66
    6.4.2 云场结构和演变  66-67
    6.4.3 暴雨中心上空水凝物的演变  67-69
    6.4.4 降水分布特征  69-70
  6.5 云系内部热力结构  70-73
    6.5.1 环境条件  70-71
    6.5.2 凝结潜热的时空分布  71-73
  6.6 本章小结  73-76
第七章结论  76-78
  7.1 结论  76-77
  7.2 创新点  77
  7.3 存在的不足和展望  77-78
参考文献  78-83
作者简介  83-84
致谢  84

基于Cloudsat卫星资料的梅雨锋云系结构特征及其数值模拟研究

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