气候与环境研究  2016, Vol. 21 Issue (6): 687-699   PDF    
南海季风区冰相相变潜热对中尺度对流云和降水影响作用的数值模拟研究
付丹红1 , 郭学良2     
1 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029;
2 中国气象科学研究院, 北京 100081
摘要: 利用可分辨云模式及中国南海北部试验区加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场模拟分析了1998年5月15日至6月11日中国南海北部地区中尺度对流系统(Mesoscal Convective System,简称MCS)中冰相相变潜热对云和降水、辐射传输以及大尺度环境场的影响作用。研究表明,冰相相变潜热总体上不会引起明显的大气辐射通量的变化,但会引起较明显的下垫面热通量的变化。凝华潜热释放显著地增加了大气稳定度,造成对流和下垫面热通量的减弱,从而导致地面降水减小10.11%。碰冻潜热释放也使得大气稳定度增加,不利于中尺度对流系统对流的发展,区域累积降水量减小2.2%。融化潜热的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于海面热通量的输送,导致MCS降水增加4.1%。因此,冰相相变潜热对降水的影响主要是通过影响大气环境稳定,进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展,导致区域降水改变。
关键词: 南海季风试验(SCSMEX)      中尺度对流系统      相变潜热      降水     
Numerical Studies of Influences of Ice-Phase Change Induced Diabatic Heating on Mesoscale Convective Clouds and Precipitation over the South China Sea Monsoon Region
FU Danhong1, GUO Xueliang2     
1 Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
2 Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
Abstract: A cloud-resolving model (CRM) and sounding data observed in the South China Sea Monsoon Experiment (SCSMEX) from 15 May to 11 June 1998 are used in this study to explore the effects of diabiatic heating induced by the ice-phase change on mesoscale convective system (MCS), precipitation, radiation, and the large scale environment. The results show that the effects of the latent heat released by the ice-phase change on the net cloud radiation can be neglected, but the diabatic heating leads to obvious changes in heat fluxes at the ocean surface. The latent heat released during the sublimation and deposition processes has a heating effect on the large-scale environment, and the atmospheric stratification becomes more stable. As a result, latent and sensible heat fluxes at the ocean surface both decrease, convective activities become weak, and precipitation decreases by about 10.11% over the northern South China Sea (SCS). The freezing process can also result in a more stable atmosphere, which is not favorable for the development of mesoscale convective system and thereby leads to a decrease in the accumulated rainfall over the northern SCS by about 2.2%. The melting process can lead to an increase in accumulated rainfall over the northern SCS, which is mainly attributed to its cooling effect on large-scale environment below the melting level. This cooling effect produces an unstable atmosphere at the lower levels, and increases the sensible heat flux transfer from the ocean surface to the atmosphere. Precipitation increases subsequently. The melting process can increase the accumulated rainfall by about 4.1%. Therefore, the diabatic heating influences precipitation mainly by directly influences the atmospheric stability, which affects vertical transport of latent and sensible heat fluxes at the ocean surface and mesoscale convective system development. Precipitation over the northern SCS changes correspondingly.
Key words: South China Sea Monsoon Experiment (SCSMEX)     Mesoscale convective systems     Diabiatic heating due to the ice-phase change     Precipitation    

1 引言

亚洲夏季风最初爆发于中国南海地区,随后不断向北和向西推进,最终导致亚洲季风全面爆发和建立(Tao and Chen, 1987丁一汇和李崇银,1999梁建茵和吴尚森,2000徐国强等,2002)。南海季风的爆发和活跃总是伴随着强对流天气现象,在我国梅雨季节(6、7月)到来一个月前,中国南部和南海北部云量骤然增加,形成对流系统,造成该地区强降水的发生(Hirasawa et al., 1995Hoskins and Rodwell, 1995Rodwell and Hoskins, 19951996Lau and Yang, 1997阎俊岳,1997Lau et al., 1998Ding and Liu, 2001Ding et al., 2004)。南海对流云系的形成与发展是与大气环流动力结构和热力状况密切相关,同时对流云系的发展伴随着水汽相变和潜热释放,直接影响到对流的结构和组织,进一步影响较大范围的大气环流结构和降水系统(Luo and Yanai, 1984Yanai and Tomita, 1998),而较长时间潜热释放产生的大气热源可以对大气环流的异常产生很大影响进而影响东亚季风系统及东亚区域天气或气候系统。

1998年5~8月在我国南海季风区域进行了国际综合观测试验(South China Sea Monsoon Experiment,简称SCSMEX)(Lau et al., 2000Ding and Liu, 2001Ding et al., 2004),国内外利用此次试验资料和数值模式分析研究了南海季风爆发的大尺度环流结构和演变和中尺度对流云系及降水特征,南海季风爆发期伴随的风速、云量、降水、湿度、太阳辐射和海面温度等物理量的迅速转化,而季风爆发后的季风环流等大尺度环境对中尺度对流系统的形成和发展则有着重要的影响(Chan et al., 2000柳艳菊和丁一汇, 2000, 2005Ding and Liu, 2001丁一汇等,2002Johnson and Ciesielski, 2002Tao et al., 2003Wang,2004柳艳菊等, 2005a, 2005bWang and Carey, 2005Wang et al., 2007李香淑等, 2008, 2011Fu et al., 2011Li et al., 2013)。随着南海季风区中尺度对流系统的形成和发展,对流云微物理过程对区域降水、辐射能量传输平衡以及中尺度对流系统发展演变过程也产生了重要的影响,其中冷云过程有利于南海季风区降水增加以及中尺度对流系统发展增强,而冷云过程与辐射过程的相互作用则导致区域降水减小和中尺度对流系统发展的减弱(Tao et al., 2003Gao et al., 2006Wang et al., 2007Fu et al., 2011)。为了更好的了解冷云过程中冰相相变潜热对中尺度对流系统和降水的影响,本文利用加入大尺度强迫项影响的可分辨云模式模拟研究了南海季风区中尺度对流系统冰相相变潜热过程对中尺度对流云和区域降水的影响和作用。

2 资料、模式设计及验证

本文的资料采用在一个略大于南海季风北部加强观测区(15°N~25°N,108°E~122°E)的长方形区域内通过客观多尺度差值方法(Nuss and Titley, 1994)得到的代表南海北部加强观测区的加密探空资料(李香淑等, 2008, 2011Fu et al., 2011),其垂直40个等压面(1000 hPa~25 hPa),分辨率为25 hPa,每6 h [00:00(协调世界时,下同)、06:00、12:00和18:00]一次。

1998年5月15日至6月11日在南海北部试验区的高层为强西风带,中低层也表现为相对较强的西风带(图 1a)。同时,在南海北部试验区的高层也存在较强北风带,而在中低层的南风气流相对较弱(图 1b)。

图 1 南海季风北部试验区平均动力场的垂直分布随时间的变化:(a)纬向风速(单位:m s-1);(b)经向风速(单位:m s-1 Fig. 1 Temporal evolutions of the averaged dynamic fields in the NESA (Northern Enhanced Sounding Array): (a) u wind (m s-1); (b) v wind (m s-1)

利用可分辨云模式(WRFV2.2)对南海季风北部试验区中尺度对流系统分别进行了三维(x-y-z)和二维(x-z)的数值模拟,其x方向为纬向方向,y方向为经向方向,z方向为垂直方向。三维和二维数值模拟试验的水平格点数为150,水平分辨率为2 km,模拟区域为300 km,垂直方向为σ坐标为80层,模式顶高22 km,下垫面为水面,采用MYJ (Mellor-Yamada-Janjic scheme)行星边界层方案;长波和短波辐射方案为包含气溶胶的CAM方案;侧边界采用周期边界条件,以确保没有额外的热量和水汽进入模拟区域。降水过程为包含水汽、云水、雨水、冰晶、雪和霰的WMS6显式方案。模式的初始资料是由观测实验资料经过客观分析得到的1998年05月15日00:00大尺度水平风场、温度场和水汽场,同时利用SCSMEX加密观测南海北部试验区6 h一次区域的大尺度水平风场、温度场和水汽平流场作为模式控制方程中的大尺度强迫项,计算方程如下(Grabowski et al., 1996):

$ {\left( {\frac{{\partial u}}{{\partial t}}} \right)_{1{\rm{s}}}} = \frac{{\bar u - {{\bar u}_{{\rm{obs}}}}}}{\tau }, $ (1)
$ {\left( {\frac{{\partial u}}{{\partial t}}} \right)_{1{\rm{s}}}} = \frac{{\bar v - {{\bar v}_{{\rm{obs}}}}}}{\tau }, $ (2)
$ {\left( {\frac{{\partial \bar \theta }}{{\partial t}}} \right)_{1{\rm{s}}}} = - \bar V \cdot \nabla \bar \theta - \bar w\frac{{\partial \bar \theta }}{{\partial z}}, $ (3)
$ {\left( {\frac{{\partial {{\bar q}_{\rm{v}}}}}{{\partial t}}} \right)_{1{\rm{s}}}} = - \bar V \cdot \nabla {{\bar q}_{\rm{v}}} - \bar w\frac{{\partial {{\bar q}_{\rm{v}}}}}{{\partial z}}, $ (4)

其中,uv分别表示模式模拟的平均纬向和经向风速,uobsvobs分别表示观测的大尺度纬向和经向风速,τ是张弛时间尺度(τ=2 h),V是观测的平均水平风矢量,w是模式模拟的平均垂直风速,θqv分别是观测的平均位温和水汽混合比。模拟时间为1998年05月15日00:00至06月11日00:00,时间步长为10 s,利用平均SST的进行扰动,触发降水过程的发生发展。

1998年5月15日至6月11日期间,中国南海北部地区出现两次较强的降水过程,分别发生在5月15~24日的季风爆发期间和5月30日至6月8日的季风爆发后,可分辨云模式很好地再现了中国南海北部地区降水的变化(Fu et al., 2011)。

图 2为模拟和TRMM观测的区域-时间平均水成物含量的垂直分布。观测采用的TRMM微波成像仪(TRMM Microwave Imager,简称TMI)资料(2A12)是利用辐射计数据和云模式混合的廓线算法得到的数据资料,其提供了水汽凝结体的垂直廓线,分别为在垂直方向14个高度层上的可降水量、可降云冰量及云水、云冰和相应潜热的空间分布,还包括瞬时地面降水强度和对流性降水强度。可以看到,模拟的云水含量大于TRMM观测的云水含量,模拟的云水含量高值区分别位于2 km和5.5 km,零度层以上有过冷云水存在(图 2a)。模拟的雨水含量垂直分布与TRMM卫星观测的结果较为一致,最大雨水含位于2 km处,零度层(5.8 km)以上存在一定量的过冷雨水含量(图 2b)。模拟的冰晶含量也大于TRMM的观测,模拟和观测的云中冰晶高值区均位于10 km层附近(图 2c)。模拟的冰相降水粒子小于观测值,冰相降水粒子主要位于零度层以上的6~10 km处(图 2d)。可以看出,模拟的水成物垂直分布基本再现了南海北部季风试验区中尺度对流云系的垂直结构特征。

图 2 二维数值模拟和TRMM TMI观测的区域-时间平均水成物的垂直分布:(a)云水;(b)雨水:(c)冰晶;(d)冰相降水粒子。图中水平点线表示0 ℃温度层 Fig. 2 Vertical profiles of domain-and time-averaged contents of hydrometeors: (a) Cloud water; (b) rain water; (c) ice crystals; (d) ice-phase precipitation particles simulated by the 2D model and from TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) TMI (TRMM Microwave Imager), respectively. The short dashed line indicates the melting level simulated by the WRF (Weather Research and Forecasting) model

图 3为二维与三维数值模拟区域平均降水强度随时间的变化。可以看到,二维和三维模拟结果的演变趋势较为一致,其中三维模拟结果在季风爆发期和季风期最大平均降水强度分别为30 mm d-1和40 mm d-1,日平均降水强度达到15.5 mm d-1,而二维模拟结果最大平均降水强度分别25 mm d-1和32 mm d-1,日平均降水强度为12.2 mm d-1。由此可见,三维模拟的最大降水强度和日平均降水强度值较高。

图 3 二维与三维数值模拟的区域平均降水强度随时间的变化 Fig. 3 Temporal changes in the domain-averaged rainfall rate simulated by the 2D and 3D models

图 4为二维与三维数值模拟区域平均水成物含量的垂直分布,可以看到,三维模拟的云中云水含量在低层明显大于二维模拟结果,而在零度层附近三维和二维的模拟结果较为相似(图 4a)。云中冰晶含量(图 4b)在中低层三维和二维的模拟结果比较一致,而三维模拟结果在高层出现大量冰晶。雪含量在中层,三维模拟结果相对较小,而三维和二维对霰的模拟基本一致。雨水含量的三维模拟结果明显大于二维模拟结果,这主要是云水转化和雪融化过程增强导致的。可以看到,二维和三维模拟的水成物垂直分布均能较好地再现南海北部季风试验区(NESA)中尺度对流云系的垂直结构特征。

图 4 二维与三维数值模拟的区域-时间平均水成物含量(单位:g kg-1)的垂直分布:(a)云水;(b)冰晶;(c)雪;(d)霰;(e)雨水 Fig. 4 Vertical profiles of domain-and time-averaged contents of hydrometeors (g kg-3): (a) Cloud water; (b) cloud ice; (c) snow; (d) graupel; (e) rain water simulated by 2D and 3D models, respectively

可以看到,由于三维数值模拟环境风的影响,中尺度对流系统和降水强度增强,但二维和三维模拟的云和降水的发展演变趋势较为一致,这表明二维和三维模拟均能很好的再现云系和降水特征,这与之前的一些研究结果基本一致(Lipps and Hemler, 1986Tao and Soong, 1986Tao et al., 1989Grabowski et al., 1998)。

因此,为了分析南海北部地区中尺度降水云系发展过程中冰相相变潜热对中尺度对流云和降水产生影响,针对冰相非绝热过程作用进行了一系列的二维数值模式的敏感性试验(见表 1)。

表 1 敏感性试验设计方案 Table 1 Sensitivity experiments design
3 结果分析 3.1 冰相相变潜热对云和降水的影响

冷云(冰相)过程中的碰冻、凝华/升华以及融化过程是重要的非绝热过程,其通过对大尺度环境场反馈作用以及中尺度对流系统发展的影响进而影响区域降水。敏感性试验结果表明,碰冻和凝华/升华潜热对区域累积降水量表现为减小作用,累积减雨量分别为2.2%和10.11%,而融化潜热则表现为增加作用,累积增雨量为4.1%(图 5a)。南海季风爆发期间,融化潜热对最大降水强度表现为减弱作用,凝华潜热对强降水的影响相对较小,碰冻潜热对最大降水强度表现为增强作用,季风爆发后,凝华潜热对最大降水强度表现明显的抑制作用,碰冻和融化潜热对最大降水强度也有一定的减弱作用(图 5b)。一些相关研究也表明,在陆地和海洋地区冰相过程对强降水过程有减弱作用(Fovell and Ogura, 1989Tao and Simpson, 1989McCumber et al., 1991Tao et al., 2003)。

图 5 南海季风北部试验区混合云过程与敏感性试验过程中(a)区域平均降水量差值和(b)最大降水强度随时间的变化 Fig. 5 Temporal evolutions of (a) the differences in domain-averaged accumulative rainfall between ice run and that based on the sensitivity experiments, and (b) the maximum rain rate in the WRF domain of simulation
3.2 冰相相变潜热对云强迫辐射效应的影响分析

大气辐射过程是大气中的重要物理过程,其中云-辐射相互作用会影响大气中的热力状况,进而影响动力过程以及冻结、凝结、核化等云微物理过程,改变云的结构,其又将改变辐射过程,改变到达地面的辐射能量,这都会对地面降水产生重要的影响作用(Chin et al., 1995Fu and Liou, 1993Xu and Randall, 1995a1995bTao et al., 1996Dharssi et al., 1997Fu et al., 2011)。

有云存在的情况下,与晴空相比,云反射太阳短波(为负辐射强迫)并吸收长波辐射(为正辐射强迫),发生在大气层顶的正的云辐射强迫效应说明云对大气系统起到了加热的作用,负的云的辐射强迫效应将对大气具有冷却作用。

云顶长波辐射强迫是指晴空时的下垫面大气顶射出长波辐射通量密度减去有云覆盖时的大气顶射出长波辐射通量密度表示了云对长波辐射的阻止作用。从云顶处长波辐射强迫(LWCF)的演变可以看到(图 6a),冰相相变潜热过程对云长波辐射强迫的影响相对较小,季风爆发后,凝华/升华潜热加热/冷却作用使得云顶长波辐射强迫略有减弱。

图 6 南海季风北部试验区混合云过程和敏感性试验过程中区域平均(a)云顶长波辐射强迫(LWCF)、(b)云顶短波辐射强迫(SWCF)、(c)云顶总辐射强迫随时间的演变 Fig. 6 Temporal evolutions of domain-averaged (a) longwave cloud forcing (LWCF), (b) shortwave cloud forcing (SWCF), and (c) total cloud forcing at the top of the atmosphere in the ice run and the sensitivity experiments

云顶短波辐射强迫(SWCF)是晴空反射回的太阳通量与有云时反射回的太阳通量之差,从云顶短波辐射强迫作用来看(图 6b),相变潜热过程也对云短波辐射强迫的影响作用较小,季风爆发后,凝华/升华潜热加热/冷却作用使得云顶短波辐射强迫略有增强。

云顶长波辐射强迫和短波辐射强迫的共同作用,表现为云对地气辐射的收支的影响,从云顶净辐射强迫效应看(图 6c),相变潜热对大气顶云辐射强迫效应的影响相对较小。总的来说,冰相相变潜热过程对云顶辐射强迫效应的影响相对较小。

图 7为冰相相变潜热敏感性试验中平均向下短波辐射通量和向下长波辐射通量随时间的变化。可以看到,冰相相变潜热过程对向下短波辐射通量的影响相对较小(图 7a),碰冻和凝华潜热对向下短波辐射通量略有减弱作用,日平均向下短波辐射通量分别减小1.8%和5.9%左右,而融化潜热对向下短波辐射通量略有增强作用,日平均向下短波辐射通量增加2.7%。从向下长波辐射通量随时间的变化可以看到(图 7b),冰相相变潜热对向下长波辐射通量的影响也相对较小,其中考虑凝华/升华和碰冻潜热过程中,向下长波辐射通量略有增加,而融化过程中向下长波辐射略有减小,但总的影响较小。因此,冰相相变潜热过程总体对于向下辐射通量的影响较小。从云顶辐射强迫及向下辐射通量可以看到,冰相相变潜热对辐射传输过程的影响相对较小。

图 7 南海季风北部试验区混合云过程与敏感性试验过程中平均(a)向下短波辐射通量和(b)向下长波辐射通量随时间的变化 Fig. 7 Temporal evolutions of domain-averaged (a) downward shortwave flux and (b) downward longwave flux at the ocean surface in the ice run and the sensitivity experiments
3.3 冰相相变潜热过程对大尺度环境场的影响

中尺度对流系统中的冰相相变潜热过程对大尺度环境会产生重要的反馈作用,大尺度环境热力结构特征的改变会对大气不稳定层结产生影响,进而又对中尺度对流系统产生影响。为了解冰相相变潜热对大尺度稳定度的影响,这里给出了对流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE)的变化情况。CAPE的计算方程如下:

$ {C_{{\rm{APE}}}} = g\int\limits_{{L_{{\rm{FC}}}}}^{{E_{\rm{L}}}} {\frac{{{T_{{\rm{VP}}}} - {T_{{\rm{VE}}}}}}{{{T_{{\rm{VE}}}}}}} {\rm{d}}z, $ (5)

其中,EL(Equilibrium Level)为平衡高度,LFC(Level of Free Convection)为自由对流高度,TVP为气块虚温,TVE为3000 m以下最大环境虚温。

从CAPE随时间的演变可以看到(图 8),碰冻和凝华潜热对大气环境的反馈作用使得对流有效位能(CAPE)减小,大气层结变得相对稳定,其中凝华潜热对大气环境场的影响最大,不利于中尺度对流系统的发展加强。融化过程在季风爆发期间使得大气变得更加稳定,在季风爆发后,对流有效位能CAPE增加,融化过程使得低层大气不稳定层结增加,融化层下云内最大上升气流增加,这有利于洋面水汽和热通量的垂直输送。

图 8 南海北部地区混合云过程和敏感性试验过程中区域平均对流有效位能(CAPE)随时间的变化 Fig. 8 Temporal evolutions of the domain-averaged convective available potential energy (CAPE) in the ice run and the sensitivity experiments over the northern South China Sea
3.4 冰相相变潜热对降水的影响机制

一般而言,凝华和冻结潜热释放可以促进云向高层发展,云体变大导致向下的短波辐射减小,使地面的感热通量减小。而融化过程是吸收热量的过程,不利于云的发展,向下的短波辐射增加,同时融化层以下冷却降温,地面感热通量也会增加。从南海季风北部试验区的区域平均热通量随时间的变化可以看到(图 9),碰冻和融化相变潜热对洋面感热、潜热通量的影响不明显,但凝华/升华潜热释放/吸收导致下垫面热通量明显减小,同时凝华过程对辐射通量的影响相对较小,这说明凝华过程并不是完全通过辐射传输过程影响下垫面热通量的。从相变潜热对大尺度环境场和大气稳定度的影响分析可以看到,MCS云中潜热释放的加热作用使中高层大气温度更高,导致大气的稳定性增加,凝华过程的加热作用会导致大气层结更加稳定,不利于MCS对流的发展,从而使下垫面的热量、水汽输送减弱,而相变潜热的吸收(如融化过程)作用有利于增加低层大气的不稳定性和对流的发展,促进低层热量和水汽的垂直输送。同时,模拟区域采用周期边界条件,没有额外的水汽流进/流出,水汽主要来源于大尺度水汽强迫场和海表蒸发。从日平均潜热通量可以看到,考虑相变潜热过程的日平均潜热通量为20.13 W m-2,而不考虑碰冻、凝华和融化潜热的日平均潜热通量分别为20.68 W m-2、30.50 W m-2和17.74 W m-2。碰冻和凝华潜热释放不利于地面潜热通量增强,尤其是凝华潜热释放,海面蒸发过程减弱,对降水有一定的抑制作用。融化潜热吸收会导致地面潜热通量增加,即海表蒸发水汽量增大,有利于降水的增加。因此,冰相相变潜热对区域降水的影响主要是通过对大气热力结构特征的影响实现的,大气的热力结构影响了大气的稳定度和对流的发展。

图 9 南海季风北部试验区混合云过程和敏感性试验过程中区域平均洋面热通量随时间的演变:(a)感热通量;(b)潜热通量 Fig. 9 Temporal evolutions of domain-averaged (a) sensible heat flux and (b) latent heat flux at the ocean surface in the ice run and the sensitivity experiments
4 结论

利用可分辨云模式及中国南海北部试验区(NESA)加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场模拟分析了1998年5月15日至6月11日中国南海北部地区中尺度对流系统中冰相相变潜热对云和降水、地气辐射以及大尺度反馈的影响作用。

研究结果表明,凝华潜热释放不利于中尺度对流系统的发展增强,地面降水减小10.11%。碰冻潜热释放也不利于中尺度对流系统的发展,区域累积降水量减小2.2%。融化潜热的冷却效应导致MCS降水增加4.1%。

冰相相变潜热总体上不会引起明显的大气辐射通量的变化,但冰相潜热过程会引起下垫面热通量的变化,其影响机理主要是由于冰相相变潜热释放(凝华和碰冻过程)增加了大气稳定度,造成对流和下垫面热通量的减弱,从而导致地面降水减小,而冰相相变潜热吸收(融化过程)的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于对流的发展和海面热通量的输送,地面降水增加。因此,冰相相变潜热对降水的影响主要是通过对大气热力结构特征的影响,进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展,导致区域降水改变。

参考文献
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