热带气旋“桑美”中深对流对平流层水汽的影响之数值模拟

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平流层水汽对全球气候具有重要的调节作用,而穿透性深对流的垂直输送则是平流层水汽的一个重要来源。观测表明热带气旋中也存在穿透性对流,但其对平流层水汽有何影响,尚不清楚。本文利用WRF模式采取不同微物理参数化方案对0608号台风“桑美”开展高分辨率数值模拟,目的是探讨热带气旋里的穿透性对流对平流层水汽的影响及其机制。  不同云微物理方案的试验结果表明,台风路径对微物理参数化方案敏感性不大,强度上却呈现出较大差别,与联合台风预警中心(JTWC)的最佳路径资料对比,发现只有Lin方案和NSSL1方案表现出了快速增强特征,其余方案强度均变化缓慢。NSSL1方案模拟的台风辐合过强,外围雨带完全消失,导致水凝物廓线图上低层雨水含量低于其他方案;Lin方案的外围螺旋云带反射率强,对流强盛,在降水率图上表现为两条强雨带,水凝物廓线也与实际相符,模拟效果在试验的几个方案中表现最好。  选取Lin方案的模拟结果分析热带气旋中的深对流发现,深对流几乎伴随台风模拟的整个过程,持续时间有近60小时。在热带气旋缓慢发展和快速增强阶段深对流比较活跃,主要出现在眼壁附近,水平覆盖范围超过10km,20dBZ的回波顶高最高能达到18km,对流云体能够穿透对流层顶进入下平流层。同时,空气在强烈抬升过程中发生绝热冷却,在对流层顶附近形成“冷池”,冰粒子大量形成。深对流中快速强烈的上升运动使冰晶还未脱离云顶就被输送进入下平流层,平流层内的冰晶总量迅速增加。在台风强度稳定阶段,对流强度有所加强,但受高层辐散影响,已没有大规模穿透性深对流,高层“冷池”消散,云中冰晶含量减少,相应冰晶的垂直输送也减少。热带气旋在缓慢发展和快速增强阶段对平流层影响大于强度稳定和减弱阶段。  对平流层分析发现,在模拟的72小时内由于热带气旋的存在,平流层水汽总量有所增加,冰相物质总量也随深对流强弱出现了对应变化。水汽的增减滞后于冰相物质与深对流强度的变化,即使在深对流变弱时期,水汽仍缓慢增加。这表明热带气旋中的深对流活动使平流层增湿,但平流层水汽并不完全受深对流强弱控制,微物理过程也是水汽变化的因素之一。  对平流层内微物理过程分析发现,下平流层增湿的途径主要有两种,即热带气旋中的穿透性对流直接输送水汽进入下平流层和冰晶升华使水汽增加。冰晶的升华是后期平流层水汽增加的主要机制。前期热带气旋中深对流强,云内水凝物主要以冰晶为主,直接输送进入平流层的水汽较少,因而平流层水汽总量增长缓慢。后期随“冷池”的消散,云内水汽含量虽然增加,但深对流减弱,直接进入平流层的水汽依然很少。输送进入平流层的冰晶,大部分会转化为雪和霰落回对流层;另一小部分会滞留在平流层内通过升华转化为水汽,最终使平流层水汽含量增加。
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