【摘 要】
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秦岭作为中国重要的南北地理分界线与南水北调中线工程水源供给地,也是重要的生态环境过渡带和气候变化敏感区,对全球气候变化响应异常明显。然而,长期以来由于高山区降水观测数据的缺乏,限制了人们对秦岭高山气候及水资源的研究。因此,本文利用新一代中尺度数值模拟系统WRF,研究秦岭高山区降水的空间分布及与海拔之间的关系,进一步揭示秦岭地区夏季水汽来源。通过设计不同积云对流参数化方案及水平分辨率的对比试验,定量
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秦岭作为中国重要的南北地理分界线与南水北调中线工程水源供给地,也是重要的生态环境过渡带和气候变化敏感区,对全球气候变化响应异常明显。然而,长期以来由于高山区降水观测数据的缺乏,限制了人们对秦岭高山气候及水资源的研究。因此,本文利用新一代中尺度数值模拟系统WRF,研究秦岭高山区降水的空间分布及与海拔之间的关系,进一步揭示秦岭地区夏季水汽来源。通过设计不同积云对流参数化方案及水平分辨率的对比试验,定量分析了积云对流参数化方案和水平分辨率对降水模拟能力的影响,讨论了高分辨率下最内层是否需要使用积云对流参数化方案,以及能否显式解析积云对流过程。从水分条件和大气不稳定性两方面对其影响降水的机理进行了深入研究,为利用WRF模拟高山降水及优化WRF模拟效果提供重要参考。文章的主要结论如下:(1)与台站及降水产品CGPA进行对比,发现WRF模式能够提供可信度较高的降水模拟结果。与CGPA相比,高分辨率的降水模拟结果能够更好的描绘出降水随大巴山、秦巴谷地、秦岭的地形起伏而发生变化。其中,BMJ方案在秦岭地区的适用性最好,尤其是对降水强度的模拟表现出了明显的优越性,降水模拟结果和观测资料相比,偏差多在1 mm/d范围内。(2)基于最优参数化方案BMJ的模拟结果对秦岭降水的空间分布及其水汽来源进行了研究。结果表明:秦岭夏季降水由南到北具有随纬度变化的分布特征,并且在秦岭主体区33.5°N~34°N范围内存在一条降水大值带,夏季日平均降水量超过了 10 mm/d。在同一海拔高度,由于夏季暖湿气流北上,再加上高大的秦岭对气流的阻隔作用,南坡降水远大于北坡。在秦岭的经向剖面上,降水随地形的起伏而变,雨峰雨谷基本上与山峰山谷一一对应。秦岭夏季水汽主要来自孟加拉湾及西太平洋,其中西南季风主要影响来自孟加拉湾的水汽经青藏高原东北侧及四川盆地的输送强度,东南季风往往会影响西太平洋水汽经长江中下游地区的输送,从而对降水的空间分布产生较大影响。(3)水平分辨率的提升能够显著改善对降水强度的模拟,可分别减少GF方案、KF方案近80%和近60%的模拟降水偏大的现象,BMJ方案模拟的降水平均偏差小于0.2 mm/d。2 km高分辨率条件下,最内层即使不采用积云参数化方案的模拟效果也要优于6 km下所有方案,但是在海拔较高的地方容易有降水极值点的出现,因此需要积云对流参数化的协同作用。(4)通过水分条件及大气不稳定性两方面,探讨不同积云对流参数化方案及水平分辨率对降水模拟的影响机制。结果表明:6 km分辨率条件下,KF方案模拟降水偏多的主要原因在于模拟的对流不稳定性明显强于其他两种方案,激发了过高的对流降水的模拟,从而导致降水结果整体偏高。GF方案则由于模拟的最易发生降水的对流层中下层的大气偏湿,大气环境的不稳定容易刺激网格尺度的水汽达到饱和,导致对网格尺度降水的过高估计。BMJ方案模拟的水汽及大气不稳定性均为最小,因而,模拟的降水量与观测降水最为接近。水平分辨率的提升会减弱对流有效位能及大气各层湿状况,抑制高山区降水极值的出现,从而改善降水模拟,但是水平分辨率的改变对垂直速度变化趋势的影响具有不确定性,可能会加剧个别地区降水值偏大的现象。
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