青藏高原大气边界层高度对高原涡影响的数值模拟

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利用欧洲中心ERA-20C资料和基于ERA-Interim资料客观识别的高原涡数据集,对1981年~2010年青藏高原边界层高度进行日变化的气候特征分析、并在此基础上对高原涡在1981年~2010年的日变化特征进行统计分析,通过相关性分析等方法进一步探讨了夏季青藏高原边界层高度对高原涡生成的影响,并利用WRF3.7.1模式加以验证。本文的主要研究成果如下:(1)青藏高原BLH大值区在海拔大于5000m的地区,其中尼玛等地为边界层高度大值区的扩散源地。地方时09时到12时BLH增幅达948.67m/3h;15时到18时降幅达760.02m/3h,15时为最大值,30年平均最大值可达1982.764m,日变化最大值可达2901.21m,昼高夜低。高原西坡BLH在春秋季最大,腹地在冬季最大,东坡BLH低,变化幅度小。春季高原腹地处于积雪融化时期,带走地表热量,春季地表气温更低,边界层高度春季与地表气温呈负相关,同时夏季相对湿度为波状分布,相对湿度梯度最小值与边界层顶相对应,边界层高度在春季比夏季更高。边界层高度发展最高时,高原边界层内通常为上升运动与下沉运动交替,为边界层发展提供一定的动力条件。(2)不同时刻高原涡的生成与消散具有明显的不同,高原涡生成最多的时刻为地方时18时与地方时21时,总占比为72.36%;高原涡消散最多的时刻为地方时06时与地方时12时,总占比为63.49%。高原涡主要生成源地为藏北高原以北,西藏北部地区尤为集中。高原涡生成频数最多的地方时18时恰好与边界层高度在降低最快的时刻相对应,且生成源地最多的藏北高原北部刚好对应边界层高度下降最为急速区。由此可见,边界层高度与高原涡的生成对应明显的负相关关系。根据位涡守恒定理,当边界层高度降低,大气柱高度增加,涡度相应增加。一方面天气过程的出现会打散边界层的发展,另一方面边界层高度在傍晚后急速降低,对流过程急速减弱,大气处于稳定状态,更有利于中尺度天气系统生成与发展。(3)利用WRF3.7.1对2016年一例典型东移型高原涡进行数值模拟。控制实验可以很好的模拟出高原涡的生成、发展与消散,并模拟出在高原涡发展期间的降水情况。增加临界Ri指数可以增加边界层高度,且边界层高度在白昼增加的高度相比于夜间增加的高度更小。高原涡在夜间生成,发展成熟,达到涡度大值;而在白昼边界层高度发展较高的对流期,高原涡即使在发展成熟过程中也有涡度轻微降低的情况。高原涡移动路径在同一时刻下尽可能选取边界层高度相对较低的区域移动。控制实验中高原涡涡区表现为深厚的低层辐合高层辐散,并伴有强上升运动,有利于高原涡发展,消散过程相反。边界层高度增加后,高原涡在生成时的低层辐合高层辐散表现并不明显且没有明显的垂直运动过程,在发展成熟期低层辐合高层辐散浅薄,垂直运动表现为复杂的上升与下沉运动,并不利于高原涡的发展。实验证明边界层高度增加会破坏低层辐合高层辐散的散度分布,并且边界层内伴有复杂的上升下沉运动,抑制高原涡的发展。
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