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

感謝聆聽 !!