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Moist dynamics and orographic precipitation

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。

alyssa
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Moist dynamics and orographic precipitation

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Presentation Transcript

  1. Moist dynamics and orographic precipitation Jiang, Q., 2003,Tellus, 55A, 301–316.

  2. 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。

  3. 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 bulk microphysics

  4. 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

  5. 濕氣流的阻塞程度 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。 lee slope windward slope

  6. 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)

  7. 由重力波引起的凝聚 藉由低層氣流的阻塞所引起 Nw值的分佈 Nd = 0.011s-1 ,U0 = 10ms-1 , hm = 800m

  8. 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

  9. cooling heating 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 U0 = 10 m/s a = 10 km Nd = 0.011 s-1 hm = 1000 m

  10. 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。 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。

  11. 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 )

  12. 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。

  13. 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。

  14. 降水強度與山高 ARPS slab_20 model

  15. 降水以及阻塞的影響 Nd = 0.011s-1 U0 = 10 ms-1 T0 = 270k RH= 95% flow-over hm = 800m marginal hm = 2000m flow-around hm = 3000m slope is the steepest flow-over hm = 800m slab PP

  16. NLH ARPS flow-over

  17. flow-around hm = 3000m slab PP

  18. NLH flow-around ARPS

  19. eddies 近地表的風場與垂直速度 flow-over flow-around

  20. flow-around convergence reversed flow incoming flow

  21. 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。

  22. 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。

  23. 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。

  24. 報告結束 感謝聆聽!!

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