青藏高原浅对流积云特征分析及其形成机制的大涡模拟研究

The Tibetan Plateau (TP) serves as a role of ‘‘the world water tower’’, which plays an important role in the global atmospheric energy and water cycles. TP is often considered as an atmospheric heat source in the summer. Cumulus (Cu; including shallow cumuli and cumulus congestus) is one of the dominant cloud types in the summer due to the unique dynamic and thermodynamic atmospheric conditions over the TP. The TP cumulus convection could transfer the surface heat, moisture and momentum to the free troposphere, and the water and energy is redistributed in the atmosphere, which can impact the atmospheric circulation regionally and globally. However, from turbulence scale point of view rather than large scale there are still few studies on systematic analysis of the physical mechanism of shallow cumulus convection. In this project, we combine the third TIbetan Plateau EXperiment for atmospheric sciences (TIPEX Ⅲ) observations data in Naqu(include L-band sounding system, millimeter-wave cloud radar, microwave radiometer, etc) with large eddy simulation. The dynamic and thermodynamic structure of boundary layer is analyzed. Quantitative estimation of characteristic variables of the shallow cumulus, and the interaction physical mechanism between turbulent boundary layer with shallow cumulus convection will be proved. The effect of the variations of parameters setting and different physical processes will be discussed through sensitivity tests. The study can provide a scientific basis for the further evaluation and improvement of weather and climate model.

青藏高原作为“世界水塔”对全球气候和能量水分起到关键作用。青藏高原通常被认为是夏季大气热源，其独特的大气动力、热力条件使得积云(淡积云和浓积云)成为高原主要的云型之一。青藏高原上的积云对流使得高原地表热量、水汽和动量向自由大气输送，水汽和能量在大气中再分配，可以影响到区域和全球的大气环流。然而，从湍流尺度而非中尺度和大尺度的角度详细分析高原浅对流积云及其物理过程的研究仍然较少。本项目利用第三次青藏高原大气科学试验那曲地区L波段探空系统、毫米波云雷达、微波辐射计等多种探测资料结合大涡模拟方法，重点分析大气边界层的动力、热力结构，定量估算浅对流积云的特征量，探明边界层湍流与浅对流积云形成的联系及其物理机制。通过敏感性试验，讨论模拟参数设置、不同物理过程的变化对大涡模拟结果的影响，为这一地区天气气候模式评估和改进提供科学依据。

青藏高原上的积云对流将热量、水汽和动量传输到自由大气，这影响了区域和全球的大气环流。之前的研究表明行星边界层过程对于青藏高原下午形成更多的低云起到重要作用。我们重点关注低空气密度条件下大气边界层的动力和热力结构。云下层对流速度尺度方案与LES结果对比发现原有的估值参数值可能并不适用于低相对湿度和云下层热力湍流较弱的情况。青藏高原与中国东部低海拔地区下午低云形成机制上的细节差异仍不清楚。使用站点观测数据、卫星数据和再分析数据，基于理论分析，我们提出了二种机制来解释夏季下午青藏高原相对于中国东部有更多的低云。i) 与中国东部相比，青藏高原上较低的温度对应着更低的抬升凝结高度（给定相对湿度）ii) 低空气密度（给定感热通量）对应着更大的浮力通量，产生更深厚的边界层。这二种机制的共同作用使得青藏高原下午生成更多的低云。使用GPS掩星资料估算边界层高度，通常都是采用折射率梯度最小值方法。当从边界层到自由大气过渡区域存在明显的折射率梯度时，该方法效果较好，然而这通常发生在有明显大尺度下沉运动的副热带海洋上。我们使用全国的探空资料去测试该方法，发现当对流层低层存在多层逆温（主要由于有低云的存在）的时候，该方法高估夏季陆地上边界层高度的数值。我们使用一种结合抬升凝结高度(LCL)的新方法来估算边界层高度，发现新方法可以大幅减小边界层高度的偏差，尤其是在LCL<2km(湿润地区)时效果更加显著。LCL是气块达到饱和的高度，可以近似代表云底高度。新方法有效避免较厚的云顶被错判为边界层高度。随后我们将该方法应用于GPS掩星数据，使用地面自动站数据计算LCL。与探空数据和ERA5再分析数据对比发现，新方法可以给出更加合理的给出夏季白天中国陆地上边界层高度随时间的变化以及边界层高度的空间分布。