云微物理过程对北京“7·20”暴雨对流系统触发的影响

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2016年7月18~20日,北京地区发生了一次特大暴雨灾害(即“7·20”暴雨),前期表现为突发性局地暴雨,后期范围扩大,造成大范围暴雨。18~19日为此次暴雨对流系统的形成阶段,本文利用中尺度数值模式WRF的bulk(Milbrandt 2-mom方案)和bin(SBM fast版本)方案,对此段过程进行了模拟和再现,得到了较好的模拟结果,研究了环境热动力和微物理过程中潜热强迫的相互作用,揭示了微物理过程对中尺度对流系统触发的影响。研究表明:(1)暴雨中尺度对流系统的触发得益于有利的环境热动力条件。基于地形辐合线的动力抬升以及环境潜热和冷池的作用,对流单体得以触发并发展。低空冷池加强了热力补偿作用,同时热力强迫使动力作用增强,以此形成了良好的热动力环境。由于bulk方案与bin方案不同的计算方法与物理特性,bin方案中对流优先触发,并发生在低层,bulk方案中对流触发于中层。(2)对流系统的发生发展与云水物质结构的演变特征息息相关。Bulk方案中,对流在中空潜热释放的环境下发展,水凝物发展增多。低空雨水蒸发吸热形成冷池,高空水汽凝华成雪霰和冰粒并下落放热,形成强的潜热释放,被上层吸收,发生冰相粒子转化为水粒子的过程。Bin方案中,对流触发位置比bulk方案低,雨水质心主要在0℃融化层以下,云水粒子相对于bulk方案含量更多。相似地,高空水汽凝华形成强的潜热释放,由于潜热基本位于0℃线以下,因此潜热作用更强。(3)微物理过程和热动力环境之间的相互作用,对暴雨中尺度对流系统的触发及发展产生了重要影响。对水凝物的质量与潜热收支分析得出,bulk和bin方案具有相似的对环境的反馈过程,但主要的源汇及潜热项不尽相同。Bulk方案中雨水主要通过冰相粒子的融化而来,主要潜热加热项是霰的凝华和霰收集云水,上升气流随着潜热释放显著增强,水凝物加强加快发展、转换。主要潜热冷却项是近地面的雨水蒸发和对流核中霰的升华,加强了冷池及冷垫面。Bin方案中的雨水粒子来源于云水收集和霰的融化,水粒子的凝华加强了环境潜热,云水和雨水的蒸发加强了低层的冷却效应,与上层潜热配合增强了环流。因而微物理过程对环流起到了正反馈的作用,环流的加强反过来又促进了水粒子之间的转换,进而增加了雨水的产生。Bulk方案的单体触发高度比bin方案要高,且具有更强的水粒子潜热和冷却作用,导致了更强的雨水。
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