凝结核浓度对热带气旋影响的数值试验研究

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气溶胶通过核化成为云凝结核和冰核,间接影响云和降水,并导致潜热释放的分布和强度发生改变,而潜热释放是驱动与维持热带气旋(TropicalCyclone,TC)的主要能量来源之一。我国东部及周边气溶胶浓度很大,且是TC登陆的主要地区,研究表明气溶胶将对登陆TC会产生重要影响,其中气溶胶数量和尺度分布是决定核化过程最重要因素,即可用凝结核数浓度的变化代表气溶胶的变化。本文基于中尺度天气研究与预报模式(Weather Research andForecasting,WRF)分别使用双参数总体云微物理方案(“aerosol-aware”Thompson)和显式解析的快速分档云微物理方案(HUJI SBM Fast)研究了云凝结核数浓度和云微物理过程对TC强度、结构、降水的影响,具体包括如下几个方面:  1)使用快速分档云微物理方案对理想TC模拟试验结果表明,TC强度对凝结核数浓度比较敏感:凝结核数浓度增加,TC地面近中心最大风速和中心海平面气压等要素表明强度减弱;TC结构也出现明显变化,TC眼半径和最大风速半径增大,外围风场半径增大,外围降水增多。分析表明凝结核对云微物理的各种转换过程分布影响很大,凝结核数浓度增加导致液滴数量增加,液滴半径减小,相互碰撞减弱,TC螺旋雨带区有更多的液滴上升至零度层上,与冰粒碰撞、冻结,导致高层释放潜热增多,螺旋雨带对流增强,TC外围降水增多。继而螺旋雨带和眼墙竞争水汽,导致眼墙辐合减弱,从而TC强度减弱,TC眼半径增大。  2)最新双参数总体云微物理方案(如Thompson方案)也考虑了气溶胶作为云凝结核和冰核的影响,并对凝结核浓度进行显式预报。在WRF中使用“Aerosol-aware”Thompson方案研究了云凝结核数浓度对理想TC的影响,分别进行了干净、污染、重度污染大气情景下的三个模拟试验。模拟结果表明,和干净大气下发展的TC强度相比,污染大气下的强度较弱,重度污染大气下强度最弱,但与分档方案影响不同,TC最大风速半径和外围风圈变化不大。气溶胶增加会导致眼区降水出现时间延迟,且不同试验的降水时空分布有差异,但降水总量的变化以及降水结构的径向变化均很小。严重污染大气下的云滴数量远大于干净大气,不同试验中水物质变化及其形态间转换的分布存在较大差异。正是这种差异导致了不同的潜热加热分布特征,与热力动力过程作用,对TC强度产生了不同影响。如严重污染下发展的TC外围潜热增加,减少了和TC中心的气压梯度,导致水平方向气压梯度力减弱,TC强度减弱。严重污染情景下TC先发展出外雨带,其降水过程中,形成地面冷池,也可导致TC强度减弱。  3)使用分档方案和总体方案模拟凝结核数浓度增加对理想TC的影响,结果有一致的地方,如强度都减弱,也存在差异,如分档方案模拟TC减弱更多,TC结构和降水的径向分布出现明显变化。凝结核数浓度增加后,虽然两个方案模拟的云滴数或者液滴数都有明显变化,但是总体Thompson方案模拟TC眼墙和外围对流过冷却水增量较小,而分档SBM方案在外雨带区域过冷却水增量更大,且远大于其眼墙的过冷却水增量。而过冷却水增量将直接影响高层潜热释放增量的大小,因而SBM方案模拟的TC减弱更为明显。过冷却水增量差异的不一致,可能是导致这两种方案对凝结核数量增加的敏感度有差异的主要原因。总体方案由于求解过程中各种简化和假定,弱化了凝结核数浓度的影响;而分档方案均采用显示求解,对凝结核数浓度的影响表现的更为充分。需要注意的是,理想实验中凝结核数浓度对强度影响需要经过一段较长时间的累计和调整才能展现。  4)使用分档云微物理方案模拟了凝结核数浓度对强台风“菲特”登陆过程的影响,结果显示凝结核数浓度对“菲特”的影响主要体现在降水分布上,而对路径和强度影响很小。在“菲特”登陆过程中,大陆气溶胶侵入其外围雨带和眼墙后,通过改变其眼墙和外围云微物理过程,导致降水增加,特别加强了外围局地出现的强对流和及其引发的强降水。对比雷达回波表明,考虑大陆气溶胶的影响后,使用分档方案模拟得到的云系精细结构和观测相当接近,因此能模拟出与观测更接近的降水精细分布,从而提高了降水的TS评分。对强度的影响特征与理想试验不太一致,本文认为导致这一差异的原因主要有两个方面:首先理想试验中的TC是发生在海洋上,没有登陆过程,周边环境单一,而实际个例“菲特”则经历了登陆过程,并受周边复杂环境影响,这使得两个TC的动力和热力过程以及演变趋势均存在较大差异;其次,两个试验的凝结核分布也明显不同,理想试验在初始时刻将高数浓度的凝结核均匀分布在整个模拟区域,而实际个例则只是分布在大陆上。
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