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发生在江淮流域的夏季强降水是我国汛期重要的灾害性天气。近年来,对中国夏季降水的模拟与预测研究,特别是对于降水中心的基本位置和大致走向等的模拟研究,取得了显著的进展。然而,到目前为止,对夏季风降水和引发强降水过程发生、发展的中小尺度对流系统的动力学物理机制的认识,尚存在不足。而中小尺度对流系统的发生、发展受到大尺度环境场和局地下垫面不均匀性强迫的影响。因此,探讨陆面过程对中国夏季降水和对流系统发生、发展中陆气相互作用的可能影响,具有重要的科学意义和应用价值。
本论文对简化的简单生物圈模式SSiB与NOAH陆面模式进行了比较研究,通过对其各自参数化方案中的地表特征参数、热力学过程和水分传输过程等的差异分析,将SSiB与中尺度天气/气候模式WRF进行耦合,并探讨了耦合的过程和方法。在此基础上,利用包含不同陆面过程方案的陆气耦合模式“WRF-SSiB”和“WRF-NOAH”,详细模拟分析了1998年7月20-21日发生在中国江淮流域的一次典型强降水的启动和发展过程,并揭示不同陆面过程对夏季降水和对流系统启动、发展影响的物理机制。基于上述对短时暴雨模拟机制的认识,进一步运用陆气耦合模式,对中国1998年5-8月的异常降水过程进行了模拟,对比分析了陆气耦合模式“WRF-SSiB”和“WRF-NOAH”对季节性降水模拟的影响,并验证了陆面过程对短时局地降水模拟的影响机制同样适用于对更长时间尺度季节性降水过程的模拟。
通过以上研究,得到以下主要结论:
(1)从对1998年7月20-21日发生在江淮流域的局地热对流降水的模拟结果来
看,“WRF-SSiB”模拟降水中心位置比较准确,降水量比“WRF-NOAH”偏多,更接近实况。从而表明,WRF与SSiB的耦合提高了对短时局地对流性降水的模拟能力。
(2)造成基于两种陆面模式SSiB和NOAH的降水模拟能力差异的主要原因是二者对地气通量的模拟存在着显著不同,进而导致对低层大气环流和水汽辐含、辐散强度模拟的不同,最终影响对降水模拟效果的优劣。由此可见,陆气通量在对流性降水形成中起着至关重要的作用。
(3)在短时局地对流性降水的形成过程中,土壤湿度的变化起着关键的作用,它通过改变地气通量激发对流系统的形成和发展。SSiB模拟的土壤湿度较高,使得地表水汽蒸发和植被蒸腾旺盛,向大气释放更多的潜热更多,故模拟的低层大气偏湿。由于水汽辐合和垂直上升气流更强,有利于对流不稳定能量的释放,所以,导致降水量模拟偏多。相比而言,NOAH模拟的土壤湿度偏低,使得感热通量旺盛,潜热通量较弱,故低层大气偏干,边界层厚度变厚。由于干空气只能在边界层内混合上下翻转,不利于对流性降水的产生,所以,导致降水量模拟偏少。
(4)从对1998年5-8月降水过程的模拟结果来看,“WRF-SSiB”和“WRF-NOAH”均能较好地模拟中国东部季风区雨带的突变性跳跃特点,综合多项统计分析指标,SSiB的模拟能力略好于NOAH。
(5)在季节尺度降水过程的模拟中,土壤湿度的变化也起着主导的作用,特别是在地表潜热和感热通量负反馈比较明显的地区,土壤湿度在季节时间尺度上的陆气相互作用中所起的作用更为突出。
本论文的创新点主要体现在:
(1)首次实现了陆面模式SSiB与目前应用广泛的中小尺度天气/气候模式WRF的耦合。通过对1998年的典型案例分析,新的陆气耦合模式“WRF-SSiB”能显著提高对中国夏季短时局地对流性降水和夏季风降水过程的模拟能力。
(2)通过详细的对比分析,揭示了陆面过程影响我国夏季降水发生、发展的动力学物理机制。