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深对流对水汽垂直输送的数值模拟

作　者: 朱士超
导　师: 银燕；金莲姬
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: WRF模式深对流云水汽垂直输送云微物理方案数值模拟
分类号: P434.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文采用中尺度天气研究预测模式(WRF)分别模拟了发生在澳大利亚达尔文地区和青藏高原那曲地区的两次深对流过程,分析了不同地区深对流对水汽的垂直输送特征,并针对模式不同云微物理参数化方案和不同气溶胶数浓度分别做了敏感性试验。所得结果可以为进一步认识对流垂直输送对大气环流和气候变化的影响等问题提供帮助。通过与实测资料的比较发现,用WRF模式模拟这两个不同地区深对流系统的结果表明,在对流发生时间、地点、降水时间等方面均与实际接近。深对流对水汽的垂直输送特征及其对云微物理参数化方案的敏感性试验表明：(1)水汽垂直通量随高度的变化方面。这两个深对流个例体现出不同的特征,具体为：当对流发生时,对于热带深对流个例,对流区域向上的水汽通量随海拔高度增加呈：增大-减小-增大-减小趋势；对于青藏高原深对流个例,对流区域向上的水汽通量随海拔高度增加呈：增大-减小的趋势,该趋势对参数化方案不敏感,但水汽通量密度的大小对方案敏感。成因分析表明,这与云微物理过程参数化方案对垂直上升运动的影响大有关。(2)深对流系统对对流层上层加湿作用方面。对于这两个深对流个例而言,对流层上层被短时加湿程度和加湿作用持续时间都对云微物理参数化方案敏感。具体表现在两个方面：首先,模拟区域对流层上层平均水汽混合比的过程最大值间的差异明显,对于热带深对流个例,不同云微物理参数化方案之间最大可造成17.2%的差异；对于青藏高原深对流,该差异为20.3%。其次,由对流输送造成的对流层上层增湿时间不同。对于两个深对流个例,不同方案模拟的增湿时间不同,但时间尺度均为几小时。(3)对流层上层在所模拟24小时的平均湿度对云微物理参数化方案的敏感程度。不同方案之间的最大差异两个个例均为10%以上。根据前人的研究判断,此误差不可忽视。因此,完善云物理参数化方案对气候的数值模拟评估有着重要作用。同时本文为了考察不同气溶胶浓度背景对深对流水汽垂直输送的影响,设置了三组不同初始云滴数浓度进行敏感性试验,结果表明：(1)在不同初始云滴数浓度条件下,均能准确地模拟出对流和降水的发生时间,但是在降水量上存在差异,当云滴数浓度增加时,平均降水量在减少。(2)考察深对流对对流层上层增湿程度时发现,改变云滴数浓度虽然会对深对流短时增湿效应产生较大影响,但是长时间增湿效应对于云滴数浓度的改变不是很敏感。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
第一章绪论  8-13
  1.1 深对流对水汽垂直输送的研究意义  8-9
  1.2 研究进展及存在的问题  9-12
    1.2.1 观测分析  9-10
    1.2.2 数值模拟  10-11
    1.2.3 存在的问题  11-12
  1.3 本文研究内容  12-13
第二章中尺度数值预报模式WRF介绍  13-26
  2.1 WRF模式开发背景及主要构成  13
  2.2 模式的动力框架  13-16
    2.2.1 垂直坐标设置  13-14
    2.2.2 通量形式的欧拉方程组  14
    2.2.3 含水汽的欧拉方程组  14-15
    2.2.4 扰动控制方程组  15-16
  2.3 模式的初始场和侧边界条件  16-17
  2.4 模式物理方案介绍  17-26
    2.4.1 云微物理参数化方案  17-24
    2.4.2 积云对流参数化方案  24-25
    2.4.3 其它物理方案  25-26
第三章澳大利亚深对流个例数值模拟  26-41
  3.1 引言  26-27
  3.2 个例及模拟方案  27-29
    3.2.1 个例实况  27-28
    3.2.2 模拟方案  28-29
  3.3 模拟结果验证  29-33
    3.3.1 云水平分布  29-32
    3.3.2 对流对水汽的垂直输送作用  32-33
  3.4 水汽垂直输送对云微物理方案的敏感性分析  33-40
    3.4.1 水汽输送通量  33-37
    3.4.2 对对流层上层湿度的作用  37-40
  3.5 小结  40-41
第四章青藏高原深对流个例分析  41-55
  4.1 引言  41
  4.2 个例及模拟方案  41-42
    4.2.1 个例实况  41-42
    4.2.2 模拟方案  42
  4.3 模拟结果的验证  42-47
    4.3.1 温度廓线特征值  42-43
    4.3.2 对流和降水  43
    4.3.3 云水平分布  43-45
    4.3.4 对流单体对水汽的垂直输送  45-47
  4.4 水汽垂直输送对云微物理方案的敏感性分析  47-54
    4.4.1 水汽输送通量  47-51
    4.4.2 对对流层上层湿度的作用  51-54
  4.5 小结  54-55
第五章气溶胶对深对流垂直输送水汽的影响  55-64
  5.1 引言  55
  5.2 试验方案  55-56
  5.3 结果分析与讨论  56-63
    5.3.1 结果验证  56-57
    5.3.2 降水分析  57-59
    5.3.3 水汽通量分析  59-61
    5.3.4 对流层上层湿度分析  61-63
  5.4 小结  63-64
第六章结论与展望  64-66
  6.1 结论  64-65
  6.2 创新点和展望  65-66
参考文献  66-72
作者简介  72-74
致谢  74

深对流对水汽垂直输送的数值模拟

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