雨滴下落过程谱分布演变数值模拟

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 8次 | 上传用户:aiyouxizhiwojian
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本文基于1982年7月9日在宁夏取得的空中和地面雨滴谱资料,利用一维雨滴分档模型,考虑雨滴下落过程中蒸发、碰并和破碎过程,模拟出云以后的雨滴谱下落演变过程,详细讨论了各种过程和机制对雨滴谱下落演变的影响。模拟中各层的温度、露点温度、气压作为初始背景场,由实际观测结果得到,不讨论这三个参量对模拟的影响;模拟中没有考虑各层中的水平风。模型中使用质量分档方案,共将分为34档。对影响模拟结果的参数进行讨论,包括第一层初始雨滴谱形式的选用、云底高度、空气密度、上升气流4个重要参数,分析相应的模拟结果,可以发现:(1)根据观测结果,分别使用M-P分布和Gamma分布,对1500m高度处雨滴谱进行拟合,得到用于模型第一层雨滴谱的输入值,结果表明,使用Gamma分布能更好的模拟小雨滴(D≤0.3mm)的情况,但是使用M-P分布模拟,结果更稳定。(2)模拟中将云底高度从1500m增加到4000m后,模拟形成稳定降水(地面出现全谱雨滴谱)所用的时间变长;雨滴谱中最大数密度峰值变小,而小雨滴部分的数密度峰值个数变多,较大雨滴的数量变少。(3)分别使用标准大气密度(1.23 kg/m3)和宁夏当地大气密度(0.97 kg/m3)进行模拟,发现较小的空气密度使得模拟雨滴谱的峰值数密度变小;对于形成稳定降水的时间没有明显影响。(4)上升气流可以延缓小雨滴降落到地面的时间,上升气流速度越大,延缓的时间越长,但是对大雨滴到达地面的时间没有明显影响;可以减小雨滴谱数密度的峰值。(5)模拟结果中,雨滴数密度的峰值都集中在小于1mm的区域,尤其是小于0.3mm的区域;各种参数的改变对模拟60分钟的结果中大于1mm的雨滴谱谱型的演变基本没有影响。以宁夏飞机观测获得的空中雨滴谱和边界层气象要素廓线作为初始背景场,利用一维雨滴分档模式对雨滴出云后下落过程中的演变进行了模拟研究,并将模拟结果与地面和空中的实测雨滴谱进行对比。并基于模式的敏感性试验结果,详细分析了蒸发和碰撞破碎机制对雨滴谱谱型演变的影响。结果表明该分档模型对雨滴下落过程中的蒸发、碰并和破碎机制有较好的模拟能力,模拟的滴谱呈多峰分布。蒸发作用对小雨滴的消耗作用较大雨滴明显,中等大小雨滴的数目有所增多,但整体上不改变雨滴谱的谱型和分布;而碰撞和破碎机制可以增大滴谱的谱型变化,并在大滴端出现第二个峰值。对模拟结果中雨滴谱特征量演变分析,结果表明,蒸发作用使雨滴谱的平均直径变小,谱宽变窄,数浓度减小,造成雨强减小;而碰撞破碎作用使得雨滴谱的平均直径变大,谱宽变宽,数浓度减大,造成雨强变大。总体而言,本模式对考虑了蒸发、碰并和破碎机制的雨滴出云下落过程进行了模拟,能够较好地再现出雨滴下落过程中谱型的变化。
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