SACOL和SGP站卷云时空变化及其与大尺度气象场的关系

作     者：董自香 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：葛觐铭

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：SACOL SGP KAZR云雷达 卷云 大尺度气象 第一主成分 

摘      要：云在地气系统能量收支、水汽循环和大气环流中扮演重要角色,因其物理性质复杂多变,难以对云进行准确的表示和模拟,云反馈的不确定性是气候变化预测的重难点,了解云的物理特性和动力学过程对于改善气候模型中的云参数化至关重要。本文基于兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)和美国能源部大气辐射测量计划南部大平原站(ARM SGP)的Ka波段天顶云雷达(Ka-Band Zenith Radar,KAZR)在2016年8月～2019年7月三年期间的观测资料,对两个中纬度站点观测到卷云的发生频率和物理性质进行统计分析,研究它们与大尺度气象场的关系,得到以下主要结论:(1)卷云的发生频率和垂直分布具有明显的季节变化。暖季的卷云比冷季发生频率较小但出现的海拔更高,卷云的高度位置与对流层顶高度呈现一致的季节性变化。SACOL和SGP站卷云的平均云顶高度和云底高度在夏季最高,冬季最低。全年平均而言,SACOL和SGP站卷云发生频率分别为41.72%、27.23%,卷云厚度分别为2.06km、1.69km,可见,相比于SGP站,SACOL站KAZR观测到的卷云发生频率更大,云层更厚。在日变化的时间尺度上,白天卷云发生频率较低,卷云更薄,在夜间发生得更频繁,云层更厚,但云顶高度和云底高度没有明显的日变化。SACOL站观测到的卷云的日变化在四个季节的差异不明显,而SGP站卷云在夏季有较明显的日变化特征。(2)在SACOL和SGP站,卷云发生频率和物理特性随对流层上层气象要素变化关系是基本相似的。卷云发生频率的大值集中在7～11km ASL(above sea level)之间相对湿度较大、垂直上升运动较强烈、稳定度和温度较低的区域,说明这些条件是支持卷云发生的关键。卷云的物理特性与300h Pa相对湿度(RH)、300h Pa垂直速度(ω)、对流层上层稳定度(UTS)、对流性对流层顶温度(T)四个气象参数的相关性分析结果表明,卷云的厚度、云顶高度、云底高度、红外发射率、反照率、短波辐射强迫和长波辐射强迫与四个气象参数都有不同程度的相关性,且随不同气象要素变化的敏感性有所差异。(3)对RH、ω、UTS、T进行主成分分析(PCA)以找到气象状态的共同变化模式,得到第一主成分PC1和第二主成分PC2的解释方差分别约为40%和20%。卷云发生频率垂直分布随PC1和PC2的变化表明,卷云的发生频率与PC1呈显著的正相关关系,而与PC2的相关性很小。卷云主要集中发生在6～11km ASL之间正的PC1大值区,PC1越大卷云发生得越频繁。卷云发生频率和物理性质与PC1的相关性比与单一气象要素的关系更好,随PC1的变化更敏感。PC1的正值与大的相对湿度、强烈的垂直上升运动、低稳定度、低的对流层上层温度暖平流和正涡度平流相对应。此外,PC1与卷云发生频率有基本一致的日变化趋势。简而言之,PC1代表了多个气象要素共同变化的主要模态,能更好地表征影响卷云发生的大尺度大气状态。