初始扰动对对流云发生发展影响的数值模拟研究

摘要

本文利用探测和数值模拟方法，研究了初始扰动对对流云发生发展的影响。分析CaPE(Convection and Precipitation/Electrification)资料，表明水平对流卷(horizontal convective rolls)能够触发强对流。但仅从原始探空资料，分析强对流发生发展潜力的能力很有限。原始探空资料经过飞机探测的最大湿度订正后，计算分析表征强对流发展潜力的各参量，结果表明，下列几种情况可以发生强对流过程：(1)边界层厚度与自由对流高度基本上相等；(2)对流有效位能大同时对流抑制能量绝对值小；(3)对流抑制能量绝对值小同时中层相对湿度大；说明探空资料经过合理订正后，上述因子能够作为强对流发生的有效预报因子。 本文利用完全弹性三维冰雹云模式，设计3种扰动方案，即湿泡、热泡和湿热泡，进行初始扰动对对流发展影响的数值试验；在热泡扰动方式下，又根据不同水平扰动半径、扰动厚度、扰动中心高度和扰动中心位温偏差等，模拟初始扰动对对流云发生发展的影响。模拟结果表明：(1)扰动范围相同，采用湿热泡(位温偏差同热泡、湿度偏差同湿泡)扰动法时，对流发展速度快，强度大；采用热泡扰动法时，扰动主要影响对流发展的速度；采用湿泡扰动法时，则主要影响对流发展的强度；(2)模拟云顶高度相同时，采用热泡和湿热泡扰动，对流发展较快；湿泡扰动时对流云发展慢；但湿泡扰动时地面降水、降雹量均较大；而湿热泡扰动时地面降水、降雹量均最小。(3)在热泡扰动方式下，扰动中心位温偏差大小适当，仅增加扰动厚度或降低扰动中心高度均能使对流云发展更快、强度更大；适当减小水平扰动半径，能促使对流云提前发展，但会导致对流强度减弱；而增大扰动中心位温偏差，不但能增加对流强度，还能促使对流云提前发展；考虑层结条件，对流云发展的强烈程度与层结不稳定性和初始扰动温度偏差均成正比：层结越不稳定，启动对流所需条件越低，初始扰动增加对对流云的影响越小。

目录

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摘要

第一章前言

1.1研究的重要性

1.1.1对流天气产生的原因

1.1.2研究对流天气的重要性

1.1.3研究的强对流过程的重要手段

1.2对流云模式的发展简要回顾

1.2.1国外对流云模式的发展

1.2.2国内对流云模式的发展

1.3论文内容

1.3.1问题提出

1.3.2论文研究的主要内容

第二章三维冰雹云模式介绍

2.1模式结构特点

2.2模式中的基本假设

2.3模式控制方程组

2.4边界条件和初始条件

2.4.1侧边界条件

2.4.2上下边界条件

2.4.3初始条件

2.5对流启动方式

2.5 1热泡启动方式

2.5.2湿泡启动方式

2.5.3湿热泡启动方式

2.5.4低层冷空气出流辐合启动方式

2.6近地层参数化

2.7模式中的主要微物理过程

2.7.1暖云微物理过程

2.7.2冷云微物理过程

2.8模式的催化功能

2.9模式求解

2.9.1数值求解技术

2.9.2差分方案

2.9.3求解过程

第三章对流启动的影响因子分析

3.1参数分析

3.1.1边界层厚度BLD(Boundary Layer Depth)

3.1.2自由对流高度LFC(Level of Free Convection)

3.1.3对流有效位能CAPE(Convective Available Potential Energy)

3.1.4对流抑制能量CIN(Convective Inhibition)

3.1.5相对湿度RH(Relative Humidity)

3.2特征因子与对流发展与否的关系分析

第四章初始扰动对冰雹云影响的模拟研究

4.1个例分析

4.2初始扰动方式对对流云发展的影响

4.2.1扰动范围相同

4.2.2模拟云高度相同

4.3热泡扰动方式下初始扰动的影响

4.3.1 扰动厚度对对流云发生发展的影响

4.3.2水平扰动尺度对对流云发生发展的影响

4.3.3扰动位温偏差不同对对流云的影响

4.3.4扰动中心高度对对流云的影响

4.4不同层结条件下初始扰动对云和降水的影响

第五章结论

5.1主要结论

5.2主要创新点

参考文献

硕士研究生期间参加科研项目、社会实践和论文发表情况

附图

致谢