论文总字数：17309字

目 录

1 引言…………………………………………………………………1

2 超级单体穿越对流层顶的数值模拟………………………………2

2.1个例介绍…………………………………………………………3

2.2模式及模拟方案……………………………………………………4

2.3超级单体的模拟……………………………………………………4

3 卷云羽模拟…………………………………………………………5

3.1跳跃式卷云羽…………………………………………………………6

3.2过冲式卷云羽…………………………………………………………7

4 云顶塌陷后卷云羽形成过程分析…………………………………9

4.1跳跃式卷云羽……………………………………………………9

4.2过冲式卷云羽……………………………………………………9

5 结论与讨论…………………………………………………………12

参考文献………………………………………………………………12致谢……………………………………………………………………14

超级单体以卷云羽方式向平流层输送水汽过程的

数值模拟

孙永

,China

Abstract：In this paper, we analyze the process of water vapor transport in the stratosphere by the form of cirrus plume by using the WRF numerical simulation results of the CCOPE supercell. The results show that not all genting collapse will have cirrus plume formation, under the collapsed cloud is updraft which benefits the formation of cirrus plume; formation of overshooting cloud plume has correlation with instability of genting position caused by turbulent mixing between in and out genting.

Key words:supercell、Water vapor transport、cirrus plume、turbulence

1 引言

平流层水汽含量和分布影响辐射和臭氧含量 (Solomon, 1999; Ravishankara, 2012)^[1]-[2]。而平流层水汽含量具有明显的长期变化趋势 (Oltmans和Hofmann, 1995; 毕云等, 2008; 陈月娟等, 2009)^[3]-[5]。因此，平流层水汽是全球地面气温变化和平流层臭氧恢复的一个影响因子。虽然平流层水汽含量相比对流层的低几个量级，但是平流层水汽的源汇问题由于与全球气候变化相关联而引起人们的关注。 近地面是平流层水汽的源头之一，近地面水汽可以借助深对流-大气大尺度联合输送方式 (Fueglistaler等, 2005，陈斌等，2012) 或深对流直接输送方式(Dessler, 2002; Gettelman等, 2002)进入平流层^[6]-[9]。虽然气候模拟中无法直接考虑深对流这种小尺度过程的细节，但仍然需要被参数化并深入研究，这不仅有助于理解云过程的作用，而且可以为气候模式中关于深对流向平流层直接输送水汽过程的参数化提供基础（Gettelman和Birner, 2007)^[10]。

目前认为，深对流向平流层的水汽直接输送都与过冲式（overshooting）深对流云有关，并且先后提出了冻干脱水机制和升华加湿机制。早期研究者认为过冲深对流云会使平流层变干，他们的理由是：因为超过平衡高度的过冲对流云内部的温度低于环境温度，空气能被快速脱水。这是因为在深对流云塔中上升的空气冷却使得水汽发生相变，而所转化的冰相粒子大部分沉降从而使空气脱水（Sherwood and Dessler, 2000, 2001）^[11]-[12]。相比云外空气的进入，过冲对流云顶部被脱水空气的进入会使平流层更干。这就是所谓的冻干脱水机制。后来的一些观测 (Corti等，2008；Khaykin et al., 2009;Iwasaki et al., 2010) 发现了与深对流相联系的平流层在一段时间内、局部的加湿现象，一些数值模拟结果（Chaboureau et al.，2007;Grosvenor et al., 2007;Chemel et al., 2009; Liu et al., 2010；Chen and Yin,2011）也模拟出了加湿现象，同时在平流层也观测和模拟到了冰晶，认为冰晶升华导致的水汽增加量超过了水汽的直接输送量^[13]-[20]。这是目前该领域不少研究者所主张的升华加湿机制。至于平流层冰晶的来源，除了平流层局地生成以外，目前认为：一个是在过冲式深对流云穿透（penetrate）对流层顶时进入平流层，另一个来源是通过卷云羽方式进入平流层（Wang，2003；Wang等，2011；Hassim and Lane，2010；Jain等，2013)^[21]-[24]。

卷云羽在高分辩率可见光云图上表现为羽毛状(或称烟羽状)，它与局地水汽凝华所形成的卷云在形状上有明显的差别，后者的形状通常象一团细丝。最早发现深对流之上卷云羽的是 Fujita (1982,1989)。他在强风暴的上面进行飞机观测时，发现过冲云顶塌陷时，在其后部跳出向上升的卷云，后来这种卷云被Wang等 (2011) 称为跳跃式卷云羽 (jumping cirrus plume)。之后，Setvák and Doswell (1991)以及Levizzani and Setvák (1996)在卫星云图上也观测到卷云羽。Levizzani and Setvák研究表明，卷云羽通常在云砧之上1-3km。如果云砧顶已经在对流层顶，那么卷云羽必然在平流层了。他们说的卷云羽应该属于跳跃式卷云羽。Wang (2003)利用云模式模拟出了卷云羽，他不仅模拟出了类似Fujita所观察到的跳跃式卷云羽，而且还模拟出了直接从过冲云顶喷射出来的水物质形成的所谓的过冲卷云羽(overshooting cirrus plume)。

人们开始以为卷云羽只是一种偶尔出现的现象，但后来发现它并非那么稀有 (Wang等, 2011)。Wang等（2011）和Jain等（2013）甚至认为卷云羽升华加湿现象相比穿透升华加湿更加普遍。Fujita (1982,1989) 在飞机上的观察结果以及Wang（2003）和Wang等（2011）的数值模拟结果都表明，这些卷云羽是在过冲云顶塌陷后形成的。但目前不太清楚云顶塌陷和卷云羽形成之间的内在联系，对卷云羽形成过程的细节、形成条件及输送量等的认识也非常有限。

项目组将利用WRF-Supercell模块对美国中纬度Montana地区在CCOPE（Cooperative Convective Precipitation Experiment）试验期间发生的一次超级单体过程进行了数值模拟，本文将利用该数值模拟结果通过分析云顶塌陷和卷云羽形成之间的内在联系，理解卷云羽形成过程的细节，从而估计卷云羽形成的有利条件。

2 对超级单体的数值模拟情况

2.1个例介绍

本次研究选择的深对流是1981年8月2日经过美国Montana市东南部CCOPE(Coopera-

tive Convective Precipitation Experiment)观测中心的超级单体个例 (Knight,1982)，该超级单体是一个发生在美国高原上的典型个例^[25]。Wang（2003）利用Wisconsin Dynamical/Microphysical Model (WISCDYMM) 云模式模拟了该超级单体，并研究了超级单体向平流层的水汽输送。本文所使用的探空资料与Wang（2003）中的相同，利用WRF-Supercell模式对该超级单体进行数值模拟。所使用的当日1746 MDT (Mountain Daylight Time) 的CCOPE试验探空数据，来自超级单体前方90km左右的Montana市的Knowlton观测站点。Wang（2003）分析指出，在自由对流高度 (LFC=685mb) 与平衡高度 (EL=195mb) 间的相对浅层的对流有效势能 (CAPE) 为3312 J kg^-1，说明在8月2日穿过Montana东部的气团十分不稳定，非常有利于强对流的发生。此外，低层有强的风垂直切变，粗理查逊数（BRN数）为25，由WK理论（Weisman and Klemp, 1982) 可知，非常有利于超级单体的产生^[26]-[27]。

对于本研究而言，确定对流层顶是必不可少的工作。辛玉姣和田文寿（2011）介绍了几种对流层顶的定义^[28]。一般而言，使用高度或气压来表征对流层顶要简便一些（施春华等，2015)^[29]。但在研究对流层-平流层相互交换的细节时，也使用位温来定义对流层顶。 由图1可知，最冷点高度和位温分别为15.3km和402K，最干点高度和位温为17.9km 和490K。Chen 和 Yin（2011）使用了最冷点高度和位温，Liu等（2010）采用了最干点对流层顶。本文将采用最冷点位温，原因是考虑到最冷点对流层顶更广泛地被使用。需要说明的是本文中高度均为距离地面高度。

图1 所模拟个例环境场在11.5km以上高度的气温 (实心矩形；单位：K) 和水汽混合比 (空心矩形；单位：ppm) 垂直廓线

Fig.1 Vertical profiles of temperature (solid squire; unit: K) and water vapor mixing ratio (hollow square; unit: ppm) for the simulated case above 11.5 km altitude

2.2模式及模拟方案

WRF模式(Weather Research and Forecasting Model)是美国多所科研机构的科学家们在1997年共同研发出的新一代高分辨率中尺度数值模式系统，极大地促进了对中尺度天气的预报以及模拟研究（王晓君和马浩，2011)^[30]。

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