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高云和气溶胶辐射强迫及其边界层响应的数值模拟

邓涛  
【摘要】: 本文利用激光雷达探测兰州上空高云与气溶胶的光学参数,并通过综合模式WRF-ABL,即WRF模式嵌套包含了高云和气溶胶辐射效应的大气边界层模式,进行数值模拟,定量分析高云和气溶胶辐射效应对城市边界层的影响。 (1)首次提出在兰州地区激光雷达探测高云和气溶胶的具体方案,包括标定高度和边界值的确定,高云和大气气溶胶的消光后向散射比的确定,并用上述的方法对采集到的数据进行了初步的处理分析。发现消光系数与微波辐射计得到的相对湿度随高度的变化有较好的一致性,在低空和云内消光系数和相对湿度都会出现极大值。在低层,消光系数和相对湿度随着高度上升而增加,随后随高度上升而减少。气溶胶层主要在2km以下。 (2)采用WRF模式对河谷城市兰州冬季气象场进行模拟试验,模拟结果与观测事实基本一致。WRF模式在水平格距1km情况下,模拟积分稳定,能够较好地模拟兰州地区冬季的大气边界层特征,并可以为边界层模式提供合理的时变侧边界。 (3)白天,高云的存在,使得云下气溶胶短波加热率减少,有云和无云气溶胶加热率的差别在50m处最明显,中午12:00差别最大,为0.109 K/h;地面上差别也比较大,下午16:00最大,为0.089 K/h。夜间,云层反射地面的长波辐射,同时本身放出长波辐射,导致云下冷却率的减少。最大差别值出现在03:00的1500m处,为0.033 K/h。 (4)利用综合模式WRF-ABL,结合激光雷达资料,模拟了有高云的情况兰州地区冬季大气气溶胶辐射效应影响下的大气边界层结构特征。 白天盆地内为弱上升气流,南山坡也为上升气流;夜间盆地内有上升气流,而周围山坡气流则维持下沉运动。模式能较好地模拟出城市热岛效应和山谷风环流的共同作用。 (5)通过数值试验,分离出高云的辐射效应以及高云和气溶胶的共同辐射效应对边界层结构的影响。分析高云的存在,气溶胶辐射效应对边界层的影响程度,同时也分析了高云和气溶胶辐射效应作用5小时后的影响程度。 夜间,在低层和900m以上,高云使得温度增加0.1K~0.8K。在500m以下,高云的作用使得该层风速增加0.02m/s~0.2m/s。600m以上高云使得该层风速降少0.02~0.25m/s;高云和气溶胶的共同辐射效应使得地面温度增加了1.5K。而在100m以上,气溶胶使得该层温度降低,而高云的存在使得降温幅度减少,高云和气溶胶的共同辐射效应使得温度降低0.2K~0.7K。高云和气溶胶的存在使得边界层内水平风速减少,在300m以下减少0.03m/s~0.25m/s,在600m以上减少0.03m/s~0.1m/s。 白天,高云使得1000m以下温度降低0.2K~0.3K,使得1000m以上的温度增加0.2K~0.35K。在500m以下,高云的作用使得该层风速增加0.01m/s~0.05m/s;高云和气溶胶的共同辐射效应,导致地面温度降低1.3K。而在200m以上的中高层,高云下面的气溶胶加热所在的气层,使得温度增加。500m处增温最大,达0.85K。在500m以下,高云与气溶胶的作用使得该层的风速减少0.01m/s~0.35m/s,在500m以上的风速增加0.1m/s~0.12m/s。


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