垂直风切变对风暴云影响的数值模拟

第卷第期年月气象科学,垂直风切变对风暴云影响的数值模拟潘晓滨陈家华空军气象学院,南京江苏省气象局,南京魏绍远空军气象学院,南京提要本文用一个适合中一日 尺度天气系统研究的三维非静力全弹性模式通过对理想环境大气中垂直风切变的不同分布进行数值模拟试验,结果表明 环境风场在风暴的发展演变中具有很大的影响作用,特别是低层风垂直切变值的大小决定了对流风暴的类型和发展演变的主要特征。关镇词垂直风切变对流风暴数值模拟一、引言在积云动力学分析研究中,我们知道环境风场特别是低空环境风垂直切变在维持局地强对流 风暴方面有着重要的作用”,它对对流风暴 的类型 及其运动和分裂等特性有着重要 的影响,决定 了对流系统的组织形式 大量外场的观测结果也揭示 了几乎所有引起单体或多体风暴都发生在有一定风切变的环境这一事实川,。一般说来,超级单体风暴的风速垂直切变最大,多单体风暴次之,普通单体风暴最小。、和曾对低风切变影响对流风暴发展演变进行过数值模拟“”,但只是针对低层风垂直切变,而实际环境风场的分布是复杂的,不仅低层存在风垂直切变,高层也会出现切变,且环境风在垂直方 向上的配置也是千差万别 的,这些 因素都会对对流风暴的发展演变起到一定的影响。本文旨在通过一个 发展 的三维全弹性非静力平衡模式对不 同环境风场的分 布进行数值试验,从而能进一步全面了解环境风场在对流风暴数值模拟中的作用。二、模式本模式是在和。模式基础上发展起来的一个适合 中一俘尺度研究的年月日收到,年月日收到修改稿。,国家 自然科学基金资助项目批准 号。气象科学卷三维 非静力、可压缩完全弹性模式,微物 理参数化采用简单的暖云过程,其水物质只包含水汽和液态水含量,大气中的热力学变量用位温的表示,用无量纲化气压 动代替气压量,并用其扰动量冗,作为模式的预报量,这样,模式包括速度场分量、气压记、位温日、水汽含量,以及液 态水 含量七个预报量方程,构成 一个闭合方程组。方程组、运动方程、乙口、月了、了内匕月 了、会一轰豁豁卜,“·豁一,·警一癸 癸豁卜,”·誓一··瞥一纂奖势一弘备。日一,一石,一石,、气压方程掀一 下十氏雨甄姚一人、热 力学方程 雯一霆雾纂,·玖、水物质守衡方程 鲁一聂备留,警一豁誓留,其中。、,、,、。为次网格湍流 项,。、,、为源 汇 项,二为 无量纲气压,二。,记为其扰 动量,日,为环境虚位温,口元,为初 始未扰动背景场 的声速,、,分别 为干 空气的定压比热和 定容比热,和石为柯氏参数,分别定 义为一。,中掀刁而、,、,、,一、二、,一 ,一】器一异记生器岁而一赘二,为气压的次网混合项,对所有次网格湍流 项均“一“,我,“水三一月一叮“一目, 卜目一,“,门夕“,“ 、一采用一理论 的参数化方法来表示”暖云过程参数化方案采用方法。网格结构及差分方案模 式变量 的 水平分 布采用型跳点网格 垂直变量亦跳点分布,除垂直上 升速度定义在半层上以外,其它变量 皆定义在 整层上。模式计算范 围取又,水平格距取公里,垂直格距取公里。方程组采 用是二阶差分格式,值得指 出的是,在侧边界 上,对于法向平流 项,在外流情形 下以迎风差分代替 中央差分,而 在 内流情况 下不考虑法 向平流作用项 此外,在边界上 不考虑次网格湍流项的法 向部分。初始条件模式的初值是用经过水平均 匀处理 后 的单点探 空作为模式 的初 始环 境场,即在 初 始时刻期潘晓滨等垂直风切变对风暴云影 响的数值模拟有,日兀,冗互,互,习、,这里、百、五、互,为模式 水平均匀环境场,由探 空资料确定,且在整个模拟 时段内保持不变。公“,”一它口, 一·,二,巡,乙,”因而“,”一“,丫,”,”一日三”,艺,” ·,”一杏·,乙,七,、。、二,、,、工为其相对于环境场的中尺度扰动量。对流启动采 用热 泡扰动形式作为对流风暴的初始扰动,其位温扰动函数为。,冬二日乙日日、一一曰,一。、,一。、,一。 、门,又十气一州卜 气少其 中,日。为最大扰 动位温,取,。,。,为扰源中心坐标,位于模拟域中央里的高度上,扰动区半径一一,厚公里,最大扰动位温值日。边界条件水平侧变界条 件采 用辐射开边界条件,其形 式 为 警。警一。这里。为法向速度分量,。为法 向波速,。,二,为一频率,为模式层顶高 对于内流情形,警一。侧边界 上 以方程代替法向动量方 程,从而求得边界的法向速度 其它预报变量 在侧边界处 的值均通过求解 各自的预报方程而得求解时次网格尺度混合项 的法 向分量忽略。上、下边界条件取一。,一。,为吸 收上传声波和重 力 内波以及抑制波在上边界 的反射,在上边界附近设 立一个海绵过度层。声波处理与积分方案 积分方案采用时间分离积分方案,对声波 产生项 采用小时间积分步长,取秒,其它项采用大时 间步 长,取秒,在声波的计算处理方面,为了阻尼声波和计算稳定性,对于方程中与一、,二掀, 声波有关 的气压梯度项人为地减去散 度 的阻尼项,”在方程组 中的气压梯度力项氏我用气象科学卷。,粤一。号二替代,从而对模式中的平均 声速起阻尼作用,其 中。茶二专 一一,武,“我,、”曰“,、“,叭产”“一,目 刁,我、为散度阻尼项,。为阻尼系数,。一,为小时步步长,为大于零的任意常数,一般取。三、试验方案为模拟 环境垂直风切变对风暴的影响,文中设计 了四种垂直风切变分布方案,所有方案算例都积分分钟,对 各方案中的所有算例的层结廓线均使用如图所示的。曰叮矛口芝留工一一一一图初始环境温湿廓线相对湿度温度廓线方案一 单 向低层 风垂直切变在此方案 中,有、三个算例,它们在公里以下的切变值分别 为秒一、秒一 、秒一 ,底层均 为一米 秒的东风,公里高 度以上分别为米 秒、米 秒、米 秒的均 匀西风。方案二单 向高层 风垂直切变在此方案 中,有、两个算例,它们在公里以下的切变值分别 为秒一、秒一 ,底 层均为一米秒的东风,公里高度以上分别为米秒、米 秒的均匀西风。方案三旋转风切变在此方案中考虑 风的南北分量即加上 风向切变,分别对方 案一 中的算例、底层加上米 秒南风分量、公里高度以上加 上米 秒北风分量和方案二中的算例、底层加上米秒南风分量、公里高度以上加上米 秒风分量进行计算。方案四急流型与非急流型在此方案中,对急流型与非急流型进行了试验。低层急流型算例,取公里高度上有米秒的急流,非急流 型算便取为方案一中的算例,在公里高度以下的切变值均为秒一高层急流型算例,取公里高度上有米秒的急流,非急流型算例期潘 晓滨等垂直风切变对风暴云影响的数值模拟取 为方案二中的算例,在公里高度以下的切变值均为秒一。四、模拟结果分析方 案一图为方案一中、三个 算例 的最大上升速度时 间演变 曲线,可以看 出弱切变 算例最大垂直速度 的峰值来得最 早,在分钟就达到了,然后迅速 下降,类似于雷 暴单体的发展演变,而 对 于较强的低层垂直风切变算例、,在整个积分过程中,其垂直速度的最大值都较为缓慢地增大,且风切变越强,这种变化越缓慢,积分到小时时,垂直速度的最大峰值都达到以上,后期发展较为旺盛,类似于强烈 发展的超级单体。从模式对算例模拟 不 同时刻 的 风场和液 态水含量的一垂直剖面 图分析看图略,算例由于垂直风切变较 小,模式 产生 了一个 非常对称的风暴单体,分钟时,单体处于成熟 阶段,云体内低层由于降水的拖曳作用已有下沉气流,上升、下沉气流并存,分钟时,单体减弱,分钟,单体内基本以下沉气流为主,趋于消散,具有典型雷暴单体的结构特征,对于较强垂直风切变,如算例,模式 产生 的风暴云演变特与算例有显著 的不 同,图给 出的是算例在公里高 度一层上 不 同时刻液 态水含量 的分布演变图,可以看出,由于较 强 的垂直风切变存在,使得风暴云 向下游方 向伸展变扁长,而不象算例那样有较好 的对称性,分钟时 图,风 暴单体在发展 的 同时分裂成南北单体,分裂风暴单体在低层强的垂直风切变条件下形成 自维持结构并持续得到发展,图。所示为分钟时的情形,这是风暴单体已移到 了东变界附近,但能看 出南北两个分裂的单体都已各 自发展成为较为强烈的对流风暴。的口洲旧日沙图方案一中各算例最大土升速 度时间演变曲线气象科学卷赫丫司一曰曰司必吻西气图算例中模 式风基一剖面的液态水含量 分布图第分钟第分钟。第分钟方案二图为算例、的最大上升速度时间演变曲线,由图看出,弱的高层垂直风切变算例,在分钟 时上升速度最大值的峰值达到,然后迅速波动地减弱到每秒几米的速度,与方案一算例给出的演变曲线相似,风暴的发展演变仍以新生单体风暴为主 而对于较 强高 层垂直风切变 算例,则在整个三小时积分时间里,最大上升速度一直缓慢地增大,但却始终没有达到米秒以上,没有风暴单体生成,为了能弄清风暴单体究竟能否发展以及发展起来后 的演变情况,有必要对模式进行更长时间的积分,考虑计算空间范围积分时间的有效性,在模 式其它参数不变的情况 下,对算例进行加大空间范围和 延长积分时 间 的计算,空旬范围从又火增大 到又又,积分时间由小时延长到小时,结果 其最大 上升速度二时 间演变曲线见 图中的线,可以看 出,二从分钟以后迅速增 大,分 钟达到峰值,然后在较大值上有波动地增大减小,可见,强的高层垂直风切变下的风暴云发展较弱切变非常缓慢,从二达到峰值后 在以上起伏变化来看,似乎可以认为强的高层垂直切变生成 的风暴演变以分裂为主,分裂的同时也出现新生单体,新生单体在发展演变过程中又发生分裂现象,分裂单体风暴得到较好的发展并形成自维持结构,它形成的多单体风暴比弱的高层垂直风切变条件下要强烈些,且风暴维持更 长时间,发展范围也较大。期潘 晓滨等 垂直风切变对风暴云影响的数值模拟方案三旋转风切变情形 下的最大上升速度演变曲线与图和图相应的算例比较相关不大 图略,故其发展趋势和强度差不多,可见,在有垂直风切变米的环境场条件下,切烃的强弱决定影响着风暴的发展演变特征,是影响风暴的主要 因素。由于风暴移动在一定程度上依赖于盛行 风的风向风速,因而旋 转风切变条件下影响最大的是风暴 的传播移动,这与单 向风垂直切变条件下 不大 一样。浮、,已已渗协 、,、 日、 二护二一甲图方案二中各 算例最大上升速度时间演变曲线方案四图给 出的是 低 层急流 型与非急流 型 风场 下的最大上升速度演变曲线,由图可见,在 风场垂直切变不变的情况下,低层的急流 型和非急流型产生的风暴云内最大上升速度变化 非常一致,高 层 的情况也类似,因而,可以认为它 们所产生风暴 的发展强度及其演变基本特征接近,差别不大。,入少 、叮,打右,月乙汽”三门三沙图低空急流型与扑急流型风场下最大上升速 度演变图气象科学卷刁了令士才卜 山、二目卜口通过以上的模拟结果分析 可以看出,环境风场对对流 风暴的发展演变有较大的作 用和影响,主要 有以下几个方面弱 的 低 层垂 直风切变产 生的对 流风暴发展很快,达到旺盛后即迅速开始减 弱,生命史短,具有典型雷单体 的结构和演变特征。强的低 层垂直风切变条件下产生的对 流 风暴初期发展缓慢,但其旺盛期能够持 续较长时间,生命史长、发展范 围大,形成以分裂风暴为主要特征的强烈超级风暴 系统,风暴的移动依赖于盛行风 的风 向风速。弱的高层垂直风切变条件下风暴发展演变特征与弱的低层垂直风切变条 件下的情况类似但较强的高层垂直风切变条件下产生的风暴比强的低层垂直风切变条件下更缓慢,产生的风暴仍以分裂风暴为主要特征的超级 多单体风暴系统,高层垂直风切变的影 响没有低层垂直风切变明显。相同垂直风切变值条件下急流型与非急流型产生的对流风