moist dynamics and orographic precipitation
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Moist dynamics and orographic precipitation. Jiang, Q., 2003, Tellus, 55A, 301–316. 簡介. 山嶽對於全球的氣候來說,是一個很重要的控制變因,主要的影響是會影響到降水,以及水氣的傳輸變化。 近十年來的研究成果,對於地形降水的機制依舊是很難了解的,且對於山區的降水預測這目標也很難達到準確的預測。因為其中包含了許多的挑戰因素,譬如:多重尺度的複雜地形、地形以及氣流的相互影響、潛熱造成的增溫或冷卻的複雜因素,以及雲物理的複雜機制。 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Moist dynamics and orographic precipitation
Jiang, Q., 2003, Tellus, 55A, 301–316.
簡介• 山嶽對於全球的氣候來說,是一個很重要的控制變因,
主要的影響是會影響到降水,以及水氣的傳輸變化。
• 近十年來的研究成果,對於地形降水的機制依舊是很難了解的,且對於山區的降水預測這目標也很難達到準確的預測。因為其中包含了許多的挑戰因素,譬如:多重尺度的複雜地形、地形以及氣流的相互影響、潛熱造成的增溫或冷卻的複雜因素,以及雲物理的複雜機制。
• 本篇研究的重點則放在於,受到一上升坡的影響下所造成的動力機制與降水的改變,而研究目標則在於研究一濕氣流的淤塞程度,以及其氣流的淤塞所造成的上升坡層狀降雨的分佈以及強度。
簡介• 此篇研究中,所使用的模式有: a no-dynamics-no-microphysics slab 模式 a no-precipitation (NP) 模式 a no-microphysics perfect precipitation (PP) 模式 a no-latent-heat (NLH) 模式 with bulk microphysics a no-latent-heat perfect precipitation (NLH_PP) 模式 a full nonhydrostatic mesoscale (ARPS) 模式 with bu
lk
microphysics
模式數值設定• 此篇研究中主要所使用的模式為 ARPS ,而模式中的地
形設定,則為一個獨立的 Gaussian-shaped 圓形山嶽,並且位在模擬的區域中心,山嶽的地形以下列方程描述:
• 水平解析為 0.2a ,區域大小為 20a*20a ,垂直方向則有33 層,此研究中所使用的氣流參數為:
T0 = 270K , RH = 95%, N0 = 0.011, 0.015s-1, U0 = 10, 15ms-1(uniform wind)
h (x , y) = hm e -(x2+y2)/a2
hm :山頂的高度 a :山嶽半幅寬
濕氣流的阻塞程度
lee slope windward slope
潮濕氣流下,風速以及山的半幅寬的大小變化,對 M 值的影響並不明顯。改變 Nd 時,M 值有較明顯的改變。
利用 Nw 作逼近• 為了了解潮濕氣流的動力機制,必須使用一 Nw值來取代乾空氣的
動力機制下所使用的 Nd值。• Nw以下列式子表示:
• (3)
• qw = qv + qc
(4)
Nw 值的分佈
藉由低層氣流的阻塞所引起
由重力波引起的凝聚Nd = 0.011s-1 ,U0 = 10ms-1 , hm = 800m
Nw0 是在方程式 (3) 中將 ql = qc + qi + qs =0 i.e. qw = qv 然後代入方程式中求出來的 Nw 值,在此用 Nw0 來求 Mw 值
降水影響• 降水可能透過許多方法來影響氣流的動力機制的變化,
譬如:可能改變環境中水含量的分佈,或是減少由於蒸發以及昇華所造成的 latent cooling。
• latent heating/cooling rate
heating
cooling
U0 = 10 m/s a = 10 km
Nd = 0.011 s-1 hm = 1000 m
獨立出降水的影響• 使用 NP 以及 PP 模式,其中 NP 模式將水滴的終端速度
定為零,因此在 NP 模式中不會有降水產生,所有不同型態的水會被帶到背風處,然後昇華或是蒸發。在 PP模式中,凝聚的水則會很迅速的降至地表,不會有蒸發以及昇華產生,也就是在背風處不會有 latent heating/cooling 產生。
為 mountain drag
從 Table 2. 中發現降水對 Drag 的值有輕微的影響,且降水會減弱迎風坡面風速的減速效果。
動力與降水• 控制地形降水的最主要因素為上升的坡度,上升的坡度
可以決定讓多少水氣達到飽和而形成降水。而地形的抬昇影響可以改變氣流的型態,如: flow-over 或者 flow-around 。
• 接下來的部份將著重在,在山嶽氣流的動力的影響下,降水的分佈以及強度的變化。並且利用 5 種複雜的降水模式做模擬研究。 ( 使用模式有: ARPS、 PP、 NLH、NLH_PP、 Slab modle )
降水模式• ARPS: 模式中將地表溫度給定為低於冰點的溫度,也
考慮沒有對流的情況發生,只有少量的 Hail,因此可以凝結成雨的只剩下 snow。 (Lin et al. 1983 )
• PP:為一激烈的降水狀態,降水效率為 100%,也就是只要有降水粒子可以凝聚成水滴,就會降下形成降雨。
• NLH:將潛熱釋放在背風處對地形降水的影響去除。模式則是將 ARPS 中的潛熱項去除。 (ie. 熱動力方程中 L=0)
• NLH_PP:在 PP 模式中考慮 L=0。
降水模式• Slab model:考慮氣流無切變,流線在每個高度層皆相
同,氣流為飽和狀態,則在迎風坡面的局部降水率 (R)可以以下式表示:
• 此研究中考慮進來的氣流為單一方向 以及 Gaussian shaped 的地形,則 R 可以改寫為:
• 由上式可發現到降水率與風速 U0、水氣常數 q0以及山高hm成正比。
降水強度與山高
ARPS
slab_20 model
降水以及阻塞的影響
slab PP
Nd = 0.011s-1 U0 = 10 ms-1 T0 = 270k RH= 95%
flow-over hm = 800m
marginal hm = 2000m
flow-around hm = 3000m
flow-over
hm = 800m
slope is the steepest
NLH ARPSflow-over
slab PP
flow-around
hm = 3000m
NLH ARPSflow-around
近地表的風場與垂直速度flow-over flow-around
eddies
flow-around
incoming flowreversed flow
convergence
潛熱在上昇坡面對降水的影響
•no-latent-heat 模式模擬出較弱較寬廣的降水型態•在 flow-over 的例子中, ARPS 預測出較 NLH 小的 Pmax 值,然而 PP 模式預測出較 NLH_PP 大的 Pmax 值,因此認為與雲物理有相關,進而造成的影響。
總結• 在各參數的變化的研究下,發現氣流速度的減弱以及氣
流的阻塞,對於山的半幅寬的變化是比較不敏感的,對於大氣的穩定度則是比較敏感的;但是在此研究中,是不考慮地球自轉的影響下所做的研究結果。
• 降水對於氣流流速的減弱,以及氣流的阻塞,在此篇研究中較沒有顯著的影響。但是降水會減弱在背風處垂直方向以及水平方向的蒸發冷卻的量。
• 潛熱的去除,會減弱最大降水率,並且會增加在迎風坡面降水的區域面積。然而潛熱對於地形降水的貢獻,是依靠地形的輪廓、水氣在空氣中的分佈,以及 in-flow的穩定度而有所改變,研究中並沒有考慮到,因此也是未來研究所需進一步了解的工作。
總結• 對於高的山嶽,氣流阻塞會在迎風面產生輻合的效果,
並且在迎風面上具有抬昇作用,例如在高的山嶽情況下,會產生迎風面上的氣流翻轉,並且伴隨著二次的環流產生,而在此二次環流情況下在迎風面的降水,將會比靠近山頂的降水還要強。
• 模擬研究中,在無限多的參數中,要依照參數的重要性來當作模擬實驗的基本狀態場,來當作一開始的假定。
報告結束
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