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青藏高原地区积云中夹卷混合过程的数值模拟及参数化

罗仕  陆春松  刘延刚  卞建春  杨素英  郭小浩  
【摘要】:云覆盖了地球60%-70%的面积,云量、云高及云中微物理量的变化都可能导致地气系统中净辐射强迫、全球能量平衡和气候发生显著的变化。此外,在地气系统中云是水循环的重要环节,其能够将大气中的水汽快速地变为液态/固态水,另外,云中释放的潜热是大气中各种尺度天气现象和大气运动的重要能量来源,所以,在整个地气系统中,云具有举足轻重的作用。然而,在与云相关的过程中,云与干空气之间的夹卷混合过程不仅会导致云中微物理量(云内含水量、云滴数浓度、云滴粒径)和云滴谱的变化,影响云中降水过程的形成,而且还会影响云-气候之间的相互反馈以及气溶胶间接效应的评估。但目前对该过程的理论认识还不够充分,因而在现有的数值模式中对该过程的表述往往是进行简单的假设,这种简单粗糙的处理方式制约着模式中云和降水的模拟效果。本文采用一个考虑云与干空气之间相互作用的显式混合气泡模式(EMPM),该模式能够模拟小至柯尔莫戈洛夫尺度(1mm)的湍流作用,并呈现云内空气和干空气之间相互混合过程中每个云滴粒径的变化。在EMPM中,结构为20m(长)×1mm(宽)×1mm(高)的水平一维气块从云底开始绝热抬升,云滴经历凝结增长过程并随机分布在该气块中,当气块到达夹卷混合高度时,气块不再抬升,干空气和气块之间开始等压混合,卷入气块中的干空气与气块之间随机等比例替换,在湍流的作用下干空气块破碎成不同尺度的不饱和气块并随机分布在云内,云滴根据其周围水汽过饱和度的变化发生不同程度的蒸发/凝结。当湍流形变使干空气块达到次网格尺度时,干空气与云滴间分子扩散起主要作用。此外在该模式中输入青藏高原第三次大气科学试验(TEPIX-III)那曲地区夏季7、8月份的激光云高仪数据、气象要素以及气溶胶探空数据作为模式的初始值,进行了约23000次敏感性试验,模拟青藏高原的地区云与干空气之间的夹卷混合过程,用于研究云内夹卷混合过程均匀程度随混合时间和垂直高度的演变,探究干空气相对湿度、湍流耗散率、卷入云内干空气比例及云内云滴数浓度对该过程的影响,同时对未消散的12000次试验中云内微物理的变化进行参数化,结果表明:该地区云中夹卷混合过程的均匀程度整体较高,但从低层到高层逐渐增大,对应的夹卷混合机制从非均匀混合机制向均匀混合机制演变,因低层云滴经历的凝结增长时间较短,尺度小于高层云滴,故在混合蒸发过程中低层云滴更容易发生完全蒸发,夹卷混合机制越趋向非均匀。其次,在夹卷混合过程中,均匀混合百分比随时混合时间的演变大致呈现出三种趋势,分别为无峰型,均匀混合程度逐渐减小,云内云滴以部分蒸发为主,随着混合的进行,云滴完全蒸发的比例逐渐增加,对应均匀夹卷混合机制向非均匀转变;单峰型,均匀混合程度先减小后增加,云中云滴先以部分蒸发为主,随着混合过程的进行,云滴完全蒸发的数量逐渐增加,但整体表现为小云滴数量增加并累积(第一阶段),随着过程的继续进行,小云滴出现完全蒸发大量减少(第二阶段),干空气块仍未达到饱,云滴部分蒸发比重逐渐增加小云滴再次出现累积(第三阶段),但因干空气相对湿度的增加,其累积的幅度小于第一阶段。当干空气达到饱和,均匀混合程度不再变化,对应夹卷混合机制从均匀混合向非均匀混合变化再向均匀混合演变;多峰型,均匀混合程度先减小后增加交替变化,干空气块经历第三阶段后仍未达到饱和,累积的小云滴大量完全蒸发,均匀混合程度再次减小,随着混合过程的进行,再次出现小云滴的累积,均匀混合程度增加,但这种交替变化的幅度逐渐减小,对应的夹卷混合机制在非均匀和均匀之间交替演变。另外,当卷入干空气的相对湿度较大时,均匀混合程度的演变通常呈现为无峰型,随着干空气的相对湿度的逐渐的减小,需要云滴蒸发的总量增加,均匀混合程度逐渐呈现出单峰型和多峰型;当云中湍流耗散率较大时,大多数云滴处于近乎相同的不饱和环境,云滴以部分蒸发为主,均匀混合程度逐渐减小表现为无峰型。随着湍流耗散率的减小,湍流作用减弱,与干空气相接触的云滴会出现完全蒸发,云滴数浓度短时间内大幅度减小,非均匀混合程度增加,干空气相对湿度也大幅增加,随着混合过程的继续,云滴部分蒸发占主导,小云滴累积,均匀混合程度增加,在接下来的过程中小云滴大量减少,均匀混合程度减小,若干空气未达到饱和,均匀混合程度的变化趋势将出现交替变化;当卷入云内干空气比例较小时,均匀混合程度的变化趋势呈现出三种峰型,随着混合比例的增加,需要云滴蒸发的总量增加,多峰型和单峰型逐渐消失,但无峰型的变化趋势几乎不变;当云内云滴数浓度较大时,形成的云滴尺度较小,更容易发生非均匀混合,因而均匀混合程度的值更小,但其变化的趋势基本不变。此外,利用未消散个例建立的云中夹卷混合过程的参数化方案可以应用到天气预报模式中作进一步研究。

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