文摘

本研究探讨了浅和深对流两种截然不同的稳定条件下的沙漠地区使用大涡模拟的数值输出100水平分辨率。数值实验建立在理想化的条件下的水平统一基本状态均匀,平坦的表面,这是旨在代表不少对流情况在戈壁沙漠。空间光谱使用为了检查小尺度是复制的,代表尺度如何出现在不同的高度。从频谱分析的结果,一个网格规模需要正确代表浅和深对流convection-resolving模拟确认。指出浅和深对流的适当的表示是至关重要的在模拟运输在对流条件下的尘埃气溶胶。

1。介绍

航空运输的材料,如矿物灰尘、花粉、人为污染物和放射性物质强烈受大气条件和天气干扰的影响。从全球规模和天气尺度的角度来看,全球发行量,热带和温带气旋、冷/热/固定方面,中尺度发行量的空间规模大于100公里的顺序扮演主要角色在决定这样大气的传输路径。相比之下,角色扮演的湍流漩涡,边界层对流,积云对流,积雨云成为关键在示踪剂运输规模的对流不稳定条件下10公里或更少。自对流诱发垂直运动比由于全球范围更大,天气尺度和中尺度环流,对流上升气流和下降气流主要影响示踪剂的垂直运输。认为,发达的行星边界层(PBL),导致形成的积云,扮演一个角色在控制传输的路径向上高于PBL (1]。

对流运动在不同空间尺度上的水平和垂直方向,也就是说,浅对流边界层对流和low-topped积雨云)和深对流(高帮积雨云和积雨云),普遍存在现象尤其是在干旱和半干旱地区自地面强烈热在白天。考虑到地面的表面在干旱和半干旱地区富含丰富的矿物尘粒和全球,这些地区沙尘气溶胶的来源(2,3),垂直运动由于对流的影响应充分评估检查运输矿物粉尘气溶胶不仅在当地的尺度,也在全球范围内。因此,至关重要的代表过程由于浅和深对流的数值模拟粉尘在沙漠地区交通。本研究旨在调查浅和深对流的数值表示的空间分辨率100的顺序为应用程序传输模拟1公里。

有研究指出对流尺度的重要性在考虑大气中灰尘运输。罗等。4]表明,粉尘动员和浓度的日变化,主要是由于对流活动,占总数的20 - 80%颞可变性根据地理区域。科赫和雷诺5理论上评估,边界层对流运动贡献约35%的全球尘埃预算。这样的对流活动被证明占气溶胶的跨太平洋运输从东亚北美西海岸的垂直注入PBL (6]。Yasui et al。7,8]研究了沙尘气溶胶的垂直廓线从数据获得的激光雷达观测在戈壁沙漠的昼夜变化表明,低层大气中的尘埃内容PBL的变化密切相关。由于深人外周血厚度在沙漠地区(9,10)、灰尘从大气边界层的免费运输被认为是有效处理对流运动。

虽然对流尺度的重要性考虑尘埃运输在沙漠地区是公认上面提到的以前的研究,也在全球建模研究[11,12],convective-scale流程不正确代表大多数的数值模拟研究尘埃运输在全球和区域尺度。这主要是由于计算成本的限制。另一方面,它被认为是至关重要的代表和/或参数化建模的微尺度涡流对流和传输现象进行定量评估的排放,平流、扩散,沉积的航空材料。

Convection-resolving模拟一直追求以充分代表各种大气条件下对流尺度包括对流不稳定状态不仅在研究社区还在运营预测社区。Convection-resolving模拟最初旨在明确解决对流云团和执行水平网格间距通常的1公里(13]。这样的决议应至关重要的考虑不仅对流天气现象也迁移现象在对流条件,例如,灰尘在沙漠地区分布。

convection-resolving模拟中的网格间距的选择被认为是基于认为规模应该足以解决对流云团的尺度的10公里。韦斯曼et al。14]表明,电网规模的上限可以表示对流特性的中尺度对流系统大约4公里nonhydrostatic动力学的观点。

另一方面,它最近被认为convection-resolving模拟可能并不总是足够解决对流运动但略微解决这些鳞片。数值模拟,略微解决对流尺度被称为对流允许(15- - - - - -19]。在大多数cloud-resolving模型,subgrid-scale (SGS)湍流模型如Smagorinsky [20.),礼来公司(21],Deardorff [22)是用于参数化湍流混合的影响。Klemp和Wilhelmson23)使用一种Deardorff SGS模型(22]代表悬而未决的湍流混合的影响在他们的云模型的网格间距1公里。应该提到,他们认出了subgrid-scale湍流混合建模需要的存在惯性子范围内电网规模和还指出,网格分辨率的要求不满足。一般来说,SGS模型应该使用网格尺度的湍流模拟湍流内惯性子范围。布莱恩et al。15]研究飑线模拟的敏感性水平网格间距通过检查功率谱特性。他们认为,为了让SGS convection-resolving湍流模型模拟来适当地执行作为一个涡粘性网格间距的100需要模拟。Takemi和Rotunno24)检查SGS涡流粘度的影响,数值扩散对流模拟和显示数值扩散有更强的影响比常见的涡流粘度convection-resolving模型的网格间距1公里。换句话说,convection-resolving仿真解决方案的可能显著副作用的影响数值扩散。这些研究讨论了理想化的模拟扩散效应。

Skamarock [25)检查的影响(即空间过滤器。,diffusion) that are both numerical and physical on the shortest model-resolved scales using kinetic energy spectra and showed that the spectral distribution is useful in identifying filtering effects. He then proposed that an effective resolution in which models can well represent physics is much larger than the grid scale (),主要是在6 - 7由于各种规模模型过滤器。如果网格间距1公里为对流模拟,模型可以充分解决规模可能在于6 - 7公里。这种规模的代表每个对流云显然是不合适的。因此,认为仿真网格间距在1公里的顺序并不是实际对流解决。

另一方面,最近在计算技术进步和资源使我们能够进行大涡模拟(LES)浅和深积云对流(26- - - - - -29日]。这样的高分辨率模拟确保对流云层足够明确和解决。因此,LES-type高分辨率数值实验研究是有用的微尺度对流和动力学过程,包括浅和深对流。此外,高分辨率模拟可用于诊断性能的物理参数化和进一步发展中新的参数化。

摘要本研究以浅和深对流两种截然不同的稳定条件下的沙漠地区使用数值模拟输出通过Takemi [28]。数值模拟是莱斯在100水平分辨率,与一个理想化的模型进行设置,也就是说,一个横向均匀基本状态在一个统一的平面;因此我们可以忽视表面非均质性的影响,会产生小规模的漩涡对应表面变化的规模。通过这种建模的设置,模拟能够通过实验调查的初始稳定性之间的关系,表示对流运输和关联尘埃。使用空间光谱为了检查如何复制和小规模代表尺度出现在各种高度。从频谱分析的结果,我们讨论一个网格规模所需convection-resolving模拟浅和深对流。此外,交涉的结果浅和深对流模拟粉尘运输进行了探讨。

2。模型建立和数值实验

在目前使用的数值模型分析是一个nonhydrostatic大气模型,先进的区域预测系统(ARPS) [30.,31日]。物理模型包括全参数化,云粒子物理学,SGS湍流混合、陆地表面物理和辐射传输(31日]。Takemi[描述的数值实验的细节28];简要总结以下的实验。

为了实现高分辨率数值实验,明确解决微型涡流,本实验采用LES模型Deardorff [22SGS湍流混合参数化的。动荡的长度取决于规模稳定和有相同的价值在水平和垂直方向。

在一个理想化的方式配置的模型Takemi et al。32)为了专注于浅和深对流的重要动力。这里的情况下检查是个不能共患难的条件在一个干旱的地区在中国,这是根据观察检查Yasui et al。7]。这种情况下被选中,是因为重要的昼夜变化被认为和水平均匀性的假设被认为是一个好的近似。水平均匀的基本状态是决定使用一个在中国的一个沙漠站点。科里奥利力控制方程中忽略了,因为它的次要影响微尺度和意图使问题简单。

计算域的维度40公里(东西,轴)公里(南北,轴)公里(垂直轴)。周期性条件施加侧向边界,而刚性盖子上边界条件实施。的高度上限设置为11公里,因为数值实验是为了模拟春天的气氛的日变化在戈壁沙漠地区在中国,水面海拔高于1000米和对流层顶低于10公里的高度离地面水平。此外,Rayleigh-type阻尼层组高于9公里的高度,以减少不必要的反射的影响重力波的上边界。水平网格间距100米,垂直网格间距是不同高度从20米的最低水平,在2公里,进一步增加到100 130 8公里,多达240在最高水平。虽然水平网格间距可能似乎边际进行莱斯,这被认为是足够的为获取PBL漩涡和组织结构的大小是用于其他LES研究对流28]。

为了保持模拟领域不是除了最初的模型状态,域平均的水平速度和水汽混合比是放松对时间尺度的初始配置文件3和24小时,分别为动力和水分,这是类似于格拉博夫斯基等人的方法。13]。这样做是通过添加放松条件水平动量和水蒸气守恒方程。

一个测深位于中国干旱面积被用来创建水平均匀的基本状态。分析后Yasui et al。7]在戈壁沙漠站点检查垂直配置文件在不少情况下在日中联合研究项目叫做风成尘实验气候影响(ADEC) [33),我们使用银川的测深数据,位于南部的戈壁沙漠,0000 UTC 2002年4月13日(时间对应大约当地时间0600 (LT)相对于当地中午)。这个听起来的数值实验初始化称为EXP1(图1)。EXP1的测深数据表明一个强大表面逆温层封顶的稳定边界层约2公里的高度。水分含量急剧减少与高度,按照温度剖面。低空风切变的强度是相对较弱的比其他情况下同月[7)和严重的风暴在戈壁沙漠地区中国(34]。

除了这个初始的配置文件,我们检查垂直结构通过radiative-convective平衡模拟,这称为初步运行。这个初步运行初始化EXP1概要文件并进行3天之后,一个清晰的昼夜变化表示。这种平衡状态的数值实验初始化(也就是Takemi et al。32)被称为EXP2的资料也在图所示1。初步运行后的垂直结构有很强的表面逆温层深残留层封顶前下午出版广播公司后,由浅逆温层达到约4.5公里的高度。2 - 5公里层的含水率明显大于EXP1概要文件,这是由于以前白天PBL的发展。含水率随高度的降低到4公里水平相对较小。剪切强度不足以诱导组织从个人积云中尺度系统;因此,目前的计算面积40公里10公里被认为是足够的代表深对流低切条件下考虑。

通过使用两个初始稳定性条件,我们检查浅对流的昼夜变化,从浅到深对流和比较浅和深的小尺度对流。

发射,平流、混合和沉积计算了沙尘气溶胶的排放和传输模块由Takemi [35),它是嵌入在ARPS模式。预报方程的尘埃混合比,平流的条款,湍流混合、表面排放通量,重力沉降,湿清除,由于雨水的蒸发和繁殖了灰尘,被添加到控制方程的一组ARPS模式。垂直表面粉尘通量计算方程由刘和韦氏比重(36]垂直通量的摩擦速度的四次方的函数。整个地面被假定为一个沙漠类别和受侵蚀的粉尘排放是否超过临界摩擦速度。刘和韦氏比重(36),粉尘排放的临界摩擦速度是0.6年代⁻¹,这被认为是一个典型的价值为蒙古和中国的沙漠。湿清除由制定的函数关系计算降雨强度(37]。由于目前的模型包括一个bulk-type微观物理学云和降水过程的参数化,雨水混合比出现的降雨强度评估,因此目前尘埃模块占在云和below-cloud扫气。如果被雨水灰尘,灰尘落在雨水的终端速度。因为降雨蒸发低于沙漠地区的云基地很重要(34,38),目前模块考虑雨水的蒸发,抓住灰尘和粉尘的产生的繁殖雨水蒸发在空气中。这个尘埃模块已用于模拟对流运输的尘埃含量(恶劣天气条件33)和不少条件(26,30.,31日]。

EXP1和EXP2模拟始于0600 LT和集成与0.75秒的时间步长时间12小时。初始扰动给出如下随机悔罪的温度扰动分布1公里的高度,最大震级为0.5 K。的分析进行模型输出与300年代间隔。

3所示。结果

整体功能的昼夜变化对流起初了。图2显示的垂直结构的昼夜变化水平平均大气的虚拟潜在温度和湍流动能(TKE)。EXP1情况下潜在的温度的变化表明,强稳定的表层,见图1正逐渐侵蚀由太阳表面加热和对流混合状态然后建立和深化。需要指出的是,在这种情况下没有模拟云的形成。PBL进化由于浅对流活动可以通过TKE明确识别。在良好的协议与潜在的变化温度,上一层的高度与大量的TKE随时间逐渐增加。的深度和强度浅对流,诊断的TKE以及虚拟潜在的温度,不断增加,达到峰值约为1500 LT,之后发生深对流运动明显弱于PBL的运动。尽管目前的理想化的设置,昼夜PBL的进化似乎与观察到的变化在一个公平的协议所示Yasui et al。7]。

EXP2情况下,另一方面,昼夜变化更明显。最初有强烈稳定的表层(见图1在0900年之前),这是完全消失了。一个混合层发展的表面和合并限制剩余中性层快速形成一个深的混合层。混合层对流立即导致深对流云系的发展。深对流后,上层大气变得更加稳定分层。下午,对流云团零星发展;请注意,没有组织更大的深对流系统如中尺度对流系统。这日开发方面还可以看到TKE;然而,TKE进化在EXP1 EXP2明显不同。相比EXP1 TKE进化,深对流的强度相当,甚至比浅对流。由于强烈的深对流,高峰值的TKE PBL EXP1超过两倍的情况。

空间模式的垂直运动领域在表层附近,在PBL, midtropospheric水平检查。图3展示了垂直速度的水平横截面EXP1 200米高度的情况下,2公里,6公里的时候出版广播公司发展(0900 LT)和当PBL发达(1500 LT)。注意,轮廓相互间隔是不同的面板。0900 LT,紊流状态仅在200级别,虽然波浪特性出现在更高的水平。这是由于的结果,显示在图2,混合层的顶部约400 0900 LT。紊流状态的结构似乎弱一致的方向,这可能是由于环境弱西风剪切。2公里波浪模式的主导地位和6公里水平的稳定状态是由于大气混合层以上。

在图3动荡的状态显然是在2公里的水平在200年以及1500 LT当混合层最高达到2.5公里以上(图2)。2公里级别的上升气流速度在1500 LT远强于0900 LT。此外,紊流状态的结构似乎在200级长方向,而结构在2公里级别似乎细胞模式。垂直速度场在6公里级别仍波浪模式类似于在0900 LT,由于对流层上层的稳定性。

的垂直运动字段EXP2情况如图4。在0900 LT紊流状态仅限于200的水平,因为混合层顶的高度不到2公里的高度(图2)。比较之间的上升气流场0900 LT EXP1 EXP2表明,湍流状态是比EXP1 EXP2更加活跃。上层空间模式显示波浪特性在0900 LT。另一方面,在1500 LT活性湍流漩涡似乎主宰所有层次如图4。这是由于两个浅PBL对流的发展和深积云对流(图2)。的整体强度比EXP1 EXP2上升气流较强。200级别的上升气流指示一个小规模的,如EXP1 stream-wise特性,而在2公里级别显示细胞结构,似乎比EXP1更有条理。看到的是地区强劲的垂直运动在200的水平和2公里互相对应好。这表明,垂直相干结构的存在,这是由于组织培养中的对流运动。模式在6公里级别也表明湍流状态,和上升气流强度远强于EXP1。

为了诊断代表水平尺度浅和深对流模拟EXP1 EXP2,我们检查的功率谱空间变化的垂直速度流向的方向(即。,方向)。为了获得功率谱分布,空间谱是首先计算每个变动回水区的垂直速度这些光谱坐标,然后在每一个协调是平均的方向的计算区域。这个过程是完全一样Takemi et al。32]。光谱是在水平的200米,400米,1公里,2公里,6公里,在混合层结构是发展中国家和发达。

在图5的光谱在早晨EXP1表示。0800 LT的谱峰m是发现在1公里范围内。权力与减少波长较小的尺度逐渐减少,并在最短的尺度谱下降变得更清晰(例如低于约500)。这个光谱功率急剧下降被认为是导致数值过滤器嵌入ARPS模式(具体来说,四阶数值扩散)(Durran [39),84页,图2.15;Takemi和Rotunno24])。上级光谱峰值变化向规模更大:1.5公里的规模在400米的高度,4公里规模在1公里的高度,在2公里高度5公里范围内,10公里范围在6公里的高度。在这个高度,流场不动荡,因此在短尺度谱下降不是类似的200场。

0900 LT的尺度谱的峰值在200米和400米的水平日益密切,在1000年及以后的LT不仅光谱峰值,也似乎是彼此相似的光谱形状在200米和400米的水平。在1100 LT光谱形状在1公里级别被认为与那些在较低的水平。可见光谱峰值的空间规模增加而增加1公里以上的高度水平。

图6显示了时序变化的光谱分布EXP2情况。0800 LT - 0900 LT光谱形状在EXP2 EXP1似乎类似,而EXP1 EXP2情况的差异变得明显在1000 LT和之后。这表明光谱形状的演化在EXP2 EXP2比这更快,这是反映了不同的进化的浅和深对流的发展作为显示在图2。由于发展水平的深对流云系范围约10公里或更大,光谱分布在1000 LT和后来表明,有一个重要的权力尺度大于10公里。光谱形状在不同级别1100 LT表明有一个连贯的功能在垂直方向,深对流运动产生的,与PBL浅对流密切夫妇。

PBL的光谱特性在发达的阶段检查。图7比较了光谱在1500 LT EXP1和EXP2病例。在低水平的200米和400米的光谱实验表明,峰值波长在1.5 - 2公里。1 - 2公里波长的光谱分布,光谱大国1公里,2公里的高度相媲美的200米和400米高度。1公里,2公里高度的光谱峰值波长大约在3公里,比那些在较低的水平。约5 - 10公里的权力尺度波长似乎EXP2情况下比在EXP1特别是超过1公里的高度,这是由于深对流运动的存在在前的情况。也看到,根据深对流运动谱的存在力量不仅在最大的尺度也短尺度6公里不到1公里的高度显著EXP1和EXP2之间的不同。这些光谱特性是相当一致的水平结构如图3和4。

显然目前光谱分析表明程度模拟解决各种尺度的湍流和对流运动不仅在大尺度还短尺度约为10(对应于1公里在目前的数值试验)或更小。由于运输的尘埃气溶胶通过浅和深对流的数值表示对流运动了。

图8比较了垂直运输的尘埃EXP1和EXP2之间的内容。图显示的昼夜变化尘含量的垂直分布和垂直粉尘通量平均在每个高度。由于对流运动的差异反映在两个实验中,运输尘埃的数量以及垂直粉尘通量明显更大的强度比EXP1 EXP2情况。此外,垂直运输的程度比EXP1粉尘是EXP2的更深,根据深对流的存在。因此,垂直对流运动强烈程度调节运输粉尘含量不仅在边界层还在自由对流层。

Takemi [28]研究了尘埃对流条件下运输的依赖(这是一样的EXP2)水平网格间距的变化从100到4公里。与粗分辨率显示的发展不仅浅对流也深对流不合理的代表,代表对流运动强烈影响运输尘埃的模拟量。

为了明确演示的重要性表示浅和深对流的数值模拟,列全粉尘含量平均值计算面积计算使用的数据集的数值实验Takemi [28)的情况下= 100米、500米和4公里。图9比较的时间序列列总尘含量目前EXP2模拟和水平的敏感性模拟网格间距500米和4公里。列尘埃EXP2情况表明从1030 LT直到约1600 LT逐渐增加,这反映了对流运动的昼夜进化和由此产生的尘埃交通如图8 (b)。尘含量的时序变化在500 m分辨率情况下也显示逐步增加类似的EXP2案例尽管有一些差异在初始时间的尘埃增加和最后的内容最后的仿真时间。相反,尘埃的昼夜变化内容在4公里分辨率情况下是完全不同于EXP2和500米分辨率的变化情况。尘含量的增加在4公里分辨率情况下只有一个小时内完成在1400年和1500年。这种差异在4公里的演化分辨率情况下是由于缺乏适当的浅和深对流。实际上,4公里分辨率不够好解决对流运动。换句话说,不解决对流运动导致不良的行为表示的尘埃在对流条件下运输。

目前的研究表明,这种依赖水平分辨率密切相关代表空间尺度对流运动的数值模拟。这样,浅和深对流的适当的表示是至关重要的沙尘气溶胶的模拟运输。

4所示。总结和讨论

使用输出浅和深对流的数值实验由Takemi [28],我们检查了对流运动的表征模拟PBL的昼夜变化和自由对流不稳定条件下对流层沙漠地区。数值实验建立在理想化的条件下的水平在均匀统一的基本状态和平坦的表面。理想化的设置是有用的在关注对流运动的基本动力学在沙漠地区和检查固有的涡尺度,浅和深对流。数值模型采用一个SGS湍流模型参数化湍流混合过程。自水平网格间距100米,模拟字段表示湍流特性,数值实验被认为是莱斯。

初始化两个对比鲜明的稳定性条件,代表可共安乐而不能共患难的设置在一个干旱的表面(因此没有预计中尺度对流组织),该模型复制特点昼夜进化取决于最初的稳定。一个案例复制逐渐发展中PBL和相关浅对流,而其他情况下模拟快速发展PBL导致积云和深对流运动。总的来说,浅和深对流运动似乎足够解决网格间距为100米。浅和深对流的发展和演化明显由最初的稳定控制。考虑到对流运动的水平大小随对流的垂直深度的增加,因此对流是由稳定的规模。

为了识别的特征空间尺度对流运动,光谱分析进行了空间变化的垂直速度。所调查的Skamarock [25),检查诊断的光谱分布是一个有用的方式流场的特点,过滤器的影响模型,并解决尺度的表征。代表规模(其光谱功率峰值)随高度变大的开发过程中PBL对流,但不同层次之间的尺度成为类似的相互混合培养。比较的结果中只有浅对流发生在昼夜循环(即。,EXP1)和浅和深对流(即。,EXP2), it was indicated that the shape of the spectra in scales smaller than 5 km looks similar (although there is a difference in power) and that the power in the larger scales is higher in the case with deep convection than in the case with shallow convection only.

从光谱分析,发现大量的光谱功率存在于1.5 - 2公里的空间尺度上的情况只在稍微浅对流和广泛的1.5 3公里在浅和深对流。换句话说,这些鳞片被认为是执行模拟的关键,明确解决浅和深对流。考虑到一个有效的分辨率大约是6(25)由于各种过滤效果嵌入到模型,网格间距可能需要约250 - 500米的成功模拟浅和深对流。这个网格大小巧合地同意该决议要求深对流模拟讨论了布莱恩et al。15]的观点subgrid-scale湍流建模和大涡模拟。

目前的建模是基于理想化的条件设置。因此,有人可能会认为,目前的分析应该依赖于实验条件。然而,由于这种理想化的设置,目前模拟被认为繁殖特征固有的浅和深对流运动本身。表面的异质性将产生湍流漩涡,非常小于生产的目前的设置;然而,即使初始化运动的小规模的漩涡,大气对流将以类似的方式组织提出了研究。模拟中使用网格间距应该明确解决浅和深对流实际上是一个数量级小于用于常见cloud-resolving模拟(13)或cloud-permitting模拟(17- - - - - -19]。

确认

作者要感谢匿名评论者的评论改进原来的纸。这项工作也支持科研拨款从日本社会促进科学。ARPS模式是由中心的分析和预测风暴(帽),俄克拉荷马大学,由美国国家科学基金会和美国联邦航空管理局通过结合格兰特atm92 - 20009。的GFD Dennou库用于绘图的一些数据和计算功率谱密度。