文档介绍：渤海海效应暴雪微物理过程的数值模拟*基金项目:国家自然科学基金(41175044);山东省气象局重点课题(2010sdqxz10)资助,已在《中国海洋大学学报》自然科学版2012年第42期发表
作者简介:杨成芳(1970-),女,博士,正研级高工。E-mail:cf_yang70@
杨成芳
(山东省气象台,山东济南 250031)
摘要:,分析了2008年12月4~6日一次渤海海效应暴雪的微物理过程。结果表明:(1)在降雪初期,云中水物质包含云水、雨水、霰、冰晶和雪晶,及地水物质为雨水和霰。随着温度的降低,中后期仅存冰晶和雪晶,产生降雪。由于整个过程以降雪为主,降雨时间短暂,通常忽略降雨称为降雪过程。(2)本次海效应暴雪的微物理过程表现在两方面:一是“播撒-反馈”机制,二是合适的冰相过程。这两种过程均有利于降雪增幅。(3)西风槽前产生的环境云和冷空气流经渤海暖海面时形成的海效应云之间在合并时发生“播撒-反馈”作用,前者是中云,后者是低云,前者从上层播撒冰晶和雪晶到下层,使得降雪增强。(4)微物理过程另一个有利因素是环境温度,本次强冷空气使得降水云中的温度在-15~-10℃之间,有利于树枝状冰晶的增长,从而产生强降雪。强降雪发生在强上升运动、高相对湿度、适宜的温度的叠置区域。
关键词: 渤海海效应暴雪;微物理;播撒-反馈;冰相
云和降水的发生发展与大气的动力、热力和微物理过程都有密切关系。在我国,云的微物理研究多集中于人工影响天气领域,研究对象以层状云为主,其中“播撒-反馈”云相互作用是层状云的主要降水机制。所谓“播撒-反馈”机制又称“催化-供给”,是指来自上层云的冰晶播撒到更低层云的液体或过冷水滴中,播撒的冰晶提供了凝结核,使得低层云降水得以激活和增长。游来光等[1]研究认为,北方层状云中存在“播撒云,供应云”,中间还常夹有干层。这种机制在观测和数值模拟中均得以验证[2-4]。近年来,国外的研究发现云物理过程对海(湖)效应降雪的作用同样不可忽视,在冬季的降水预报中应予以考虑。Jeff[5]注意到,在大西洋岸边新英格兰的一次海效应暴雪过程中,当高层云移经雪带时多普勒天气雷达的反射率因子会明显加强。Joshua等[6]利用在1997年12月5日的湖效应对流试验中首次获得的飞机探测、WSR-88D雷达等详细的观测资料分析了对流边界层和降雪结构,并与过去的湖效应降雪事件作了比较,发现对流层低层湖效应降雪云被来自更高层的云播撒,播撒区域具有更大的表面热通量,对流层边界比没有播撒的区域更为深厚,采用播撒区域的飞机探测的粒子计算的最大降雪率比以前报告的湖效应降雪事件的要大,说明了云的“播撒-反馈”过程在湖效应降雪中的作用。
另一个有利于海(湖)效应降雪的微物理因素是冰相过程。Roscoe[7]发现密执安湖的湖效应降雪以树枝状冰晶为主,而树枝状冰晶产生在一定的温度条件之下。文献[5]还认为,云物理过程在此次降雪过程中起到了重要作用,当对流层低层内的温度在-15~-12℃之间时,其环境温度恰恰有利于树枝状冰晶在海效应降雪云带内存在和增长。
微物理过程在渤海海效应暴雪中的作用如何?它和降雪过程中的大气动力、热力条件有何关系?2008年12月4~6日山东半岛发生的暴雪过程,是一次典型的冷涡型渤海海效应暴雪个例。杨成芳[8]对本次过程成功地进行了数值模拟,并以此分析了强冷空气影响时渤海海效应暴雪发生发展的三维热力结构,提出浅对流是海效应降雪的重要热力特征。由于该模拟结果还提供了高时空分辨率的动力、云微物理等方面的数据资料,因此本文将利用该模拟结果进行微物理分析,旨在初步探讨渤海海效应暴雪的微物理过程作用。
1 数值模拟方案简介
本文采用中尺度数值模式RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)进行数值模拟。该模式是美国Colorado大学开发的三维、非流体静力、可压缩区域大气模式系统,是由二十世纪七十年代Cotton提出的中尺度动力系统与微物理过程模式和Pielke发展的中尺度和陆面特性模式发展起来的[9]。,参数化方案中考虑了海洋效应、长波辐射、地表能量收支、液态水的重力沉降等因素。边界层方案为Mellor-Yamada方案,辐射方案为Mahrer/ Pielke的长波和短波辐射方案,对流参数化为修正的Kuo方案,微物理方案输出6个预报量, 包括水汽、云水、雨水、冰晶、雪晶和霰。模式以2008年12月3日20:00(北京时,下同)为初始时刻,所用背景资料来源于美国国家环境预报中心提供的NCEP/NCAR逐日6h再分析资料。~°E,~°N,中心位置为122°E,36°N