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积云对流参数化是数值预报模式中最重要的非绝热加热物理过程之一,它不仅涉及到多种反馈机制和多尺度相互作用的复杂物理问题,同时还是一个需要利用闭合假设来封闭方程求解的数学问题。虽然积云对流参数化方案正在被广泛应用于各种大气数值模式,但不同模式采用的参数化方案却不尽相同,模拟结果也差别很大。数值模式对对流参数化方案的选择极为敏感,同一个模式换用不同的对流参数化方案,模拟结果往往存在很大差异,因而积云参数化是亟待深入研究的科学问题。
研究积云参数化应具有新的思想。目前积云参数化的研究对象已经发生重大转变,即已经由单纯的热带气旋演化为广义的对流运动,研究对象的地理范畴也由热带洋面扩展到全球所有可能的对流区,包括中纬度的陆面和洋面。对流参数化的本质已不再是简单的温湿调整输送,而是对实际大气不稳定的重要和主要负反馈机制。虽然研究目标已经发生了重大改变,但现行的参数化基本思想和理论方案却没有随之发生应有的变化。在这种情形下,积云参数化必须能够反映有组织对流对环境的影响和反馈的科学本质。基于这一新思想,本文在区域模式中改进积云参数化方案,主要目的是用于解决积云对流参数化方案中有组织对流对环境影响和反馈的问题。为此,本文从中国有组织对流降水中最典型的“梅雨锋”降水中寻找有组织对流的动力信息,以此作为改进和发展Kain-FritschEta(KFeta)积云参数化方案的依据。利用广义位温θ*作为触发对流过程的浮力判据,对KFeta积云参数化方案进行改进。论文结果如下:
(1)利用不同区域模式中的不同积云参数化方案对我国不同降水类型做比较性的研究,研究发现KFeta方案模拟出的视热源Q1和视水汽汇Q2的加热及加湿中心位于实况降水中心,其降水强度和中心位置也与实况比较一致。
(2)利用1990年至2010年6月至7月逐日的连续时间序列资料,确定出长江流域及淮河流域汛期洪涝的典型年份,然后再进行大气环流特征及物理量场的合成分析及动力诊断,研究发现广义位温θ*不仅反映了江淮流域非均匀饱和的降水环境,而且也反映了梅雨锋是“湿度锋”的本质,其能准确地诊断出梅雨锋的位置及时空分布。选用大气环境中广义位温θ*作为参数化动力因子,并将其引入KFeta积云参数化方案中进行改进。
(3)利用改进后的积云参数化方案对我国不同类型暴雨进行模拟,模拟结果表明改进后的积云参数化方案模拟出的视热源Q1和视水汽汇Q2的加热及加湿中心更加集中,与实况降水中心位置基本一致。从时间序列分布来看,改进后的积云参数化方案模拟出了暴雨对流云团触发、发展、合并、消散的有组织化过程。其加热和加湿降水中心强度明显比原有积云参数化方案模拟出的加热、加湿中心要强,而且减少了原有积云参数化方案模拟出来的虚假降水。从加热、加湿的时空分布演变特征可知,改进后的积云参数化方案比原有的积云参数化方案能更好地反映出暴雨加热、加湿的降水过程及分布特征。
(4)利用改进后的积云参数化方案对台风进行模拟,模拟结果表明改进后的积云参数化方案与原有积云参数化方案对台风移动路径的预报比较成功,接近实况台风移动路径。从降水预报效果看,改进后的积云参数化方案比原有的积云参数化方案能更好的反映有组织的对流活动。从台风对流演变特征来看,改进后的积云参数化方案比原有的积云参数化方案能更好的模拟出台风外围螺旋云带形成、向台风眼区收缩、组织发展的全过程;改进后的积云参数化方案能够模拟出一些原有的积云参数化方案不能模拟出的细致的对流活动。