三維云模式解析課件

1、第三章 對流云數(shù)值模擬3.2 三維云模式概述一、國內(nèi)著名三維云模式二、大氣所三維冰雹云模式3.1 對流云的宏觀特征 空間尺度、生命期、氣流、溫度、 含水量3.3 大氣所三維雹云數(shù)值模式的 動力學(xué)框架 一、模式控制方程組二、湍流參數(shù)化次網(wǎng)格尺度混合項D三、邊界條件四、初始條件3.4 大氣所三維雹云數(shù)值模式的 微物理過程參數(shù)化方案（略）3.5 該模式程序結(jié)構(gòu)和運行方法3.6 實習(xí)內(nèi)容和安排3.1 對流云的宏觀特征一.對流云的空間尺度對流云高度因緯度, 氣團(tuán)屬性,發(fā)展階段而異一般而言,處于相同發(fā)展階段的對流云,中低緯高,高緯低;海洋性氣團(tuán)中的高于大陸性氣團(tuán)中的1. 高度3.1 對流云的宏觀特征3.

2、垂直厚度H與水平寬度L具有同一量級2. 水平尺度一般, 在淡積云階段為數(shù)百米到1km量級;氣團(tuán)性濃積云或積雨云單體為幾km至十幾km二. 對流云的生命期不同尺度的對流云,生命期是不一樣的.同一尺度的對流云,其生命期也因地有很大差異.根據(jù)我國九江地區(qū)的觀測結(jié)果,頻數(shù)中值生命期,無降水的濃積云為12min,降水性濃積云為25min,雷雨云為65min海洋性晴天積云同一高度多次穿云飛行結(jié)果三. 對流云中的垂直氣流小尺度湍流: 水平尺度L小于100-200米(在一些積雨云研究中定為400-500米)的垂直運動系統(tǒng)性垂直氣流: 將L大于上述臨界尺度的垂直運動稱為系統(tǒng)性垂直氣流.分類:颶風(fēng)系統(tǒng)積雨云中上升

3、和下沉氣流合計的水平尺度頻數(shù)分布圖眾數(shù)直徑為1-2km1. 系統(tǒng)性垂直氣流的尺度熱帶濃積云中垂直氣流的水平尺度可達(dá)1-2 km. 積雨云中上升氣流的平均”直徑”為1.5 km,下沉氣流的平均”直徑”為1.2 km2. 系統(tǒng)性垂直氣流區(qū)的相對面積發(fā)展中的晴天積云的中下部,上升氣流占據(jù)云區(qū)的70%-80%,只在邊緣部位有下沉氣流發(fā)展旺盛的濃積云中,上升氣流區(qū)的體積約占云體積的40%.在各類對流云的上部,上升氣流速度較小,占據(jù)的范圍不超過云體積的30-40%,其余部分是高湍流性的3.垂直氣流的大小澳大利亞東海岸活躍和成熟期積云垂直氣流的平均值一般為幾米/秒,最大垂直速度可達(dá)30-40米/秒, 甚至也

4、出現(xiàn)過63米/秒 的最大上升氣流速度了解對流云中的垂直氣流的空間分布和時間演變特征很重要4. 垂直氣流隨高度的分布一般來說,上升速度隨高度的分布曲線近似為拋物線型上升速度隨高度的分布(蘇聯(lián))但不同部位上升氣流的垂直分布有區(qū)別5. 垂直氣流的水平分布濃積云中飛機穿云觀測事實上,對流云中垂直氣流的分布非常復(fù)雜,與云發(fā)展階段具有密切聯(lián)系.三. 對流云中的湍流湍流可伸展到對流云外,當(dāng)然,云內(nèi)湍流還是強于云外.當(dāng)環(huán)境盛行風(fēng)存在垂直切變時,對流云周圍的湍流分布就不再對稱,而是順著風(fēng)向向下延伸,但湍流強度卻是迎風(fēng)面的大.四. 對流云中的溫度一般來說, 溫度的正距平和上升運動配置在一起,負(fù)距平則和下沉運動相聯(lián)

5、系.1-2 4(甚至6-10) 0-1 正距平隨對流發(fā)展階段的演變:一般情況對流云中溫度的分布存在著起伏水平分布垂直分布對流云內(nèi)溫度的垂直遞減率比濕絕熱遞減率要大,它與云外的空氣溫度遞減率相近五. 對流云的含水量對流云中的含水量隨時間,地點和云的發(fā)展階段而異1. 含水量數(shù)值與云底溫度和環(huán)境空氣濕度以及云內(nèi)外空氣的混合程度有關(guān).蘇聯(lián),雷雨云中一般為4-7g.m-3, 最大值達(dá)20g. m-3 美國,最大值也達(dá)20g. m-3 2. 含水量影響因子云底溫度云頂部位最大含水量湖南地區(qū)濃積云飛機觀測結(jié)果(1962-1963)3. 含水量的垂直分布極大值位于云的中上部4. 含水量的水平分布含水量高值區(qū)往

6、往與升速較大的云泡相對應(yīng)Warner概括出”大禮帽”式的水平分布形式.含水量在云邊急劇上升,在云體內(nèi)分布平緩在不同高度上,含水量的水平起伏不一樣, 云的下部變化小,而云的中上部變化大值得一提的是對流云中含水量的空間分布是十分復(fù)雜的.發(fā)展旺盛的對流云中常有多個極大值中心,最大值中心未必位于云中心,有時在云邊緣含水量可急劇增加到很大.七. 對流云宏觀特征小結(jié)垂直厚度H與水平寬度L具有同一量級 尺度從幾百米到十幾km2. 生命期幾min到幾h3. 氣流 包含有系統(tǒng)性上升氣流區(qū),系統(tǒng)性上升氣流區(qū),湍流區(qū). 上升氣流區(qū)和下沉氣流區(qū)的水平尺度眾數(shù)為1-2km 垂直氣流的平均值一般為幾米/秒,最大垂直速度可

7、達(dá)30-40米/秒, 甚至也出現(xiàn)過63米/秒 的最大上升氣流速度一般來說,上升速度隨高度的分布曲線近似為拋物線型積云中的湍流交換系數(shù)達(dá)102m2/s一般來說, 溫度的正距平和上升運動配置在一起,負(fù)距平則和下沉運動相聯(lián)系.正,負(fù)距平可達(dá)甚至超過44. 溫度對流云內(nèi)溫度的垂直遞減率比濕絕熱遞減率要大,它與云外的空氣溫度遞減率相近5. 含水量平均值約為幾g.m-3, 最大可超過10 g.m-33.2 概述云數(shù)值模擬最早可追溯到五十年代中期, 建立了各種一維、二維云模式。直到70年代以后隨著計算機性能的提高，三維云模式才得以建立。一、國內(nèi)著名三維云模式:1、中科院大氣所孔凡鈾1990：完全彈性三維冷云

8、單參數(shù)模式洪延超1998：三維彈性冰雹云催化模式 在以上模式基礎(chǔ)上，對云微物理過程的處理進(jìn)行了改進(jìn)，并結(jié)合進(jìn)催化劑的核化過程，可以用來研究催化防雹技術(shù)。郭學(xué)良2001：三維冰雹分檔強對流云模式2、中國氣象科學(xué)研究院劉玉寶1992：雙向套網(wǎng)格、變網(wǎng)格距準(zhǔn)彈性中-大氣模式胡志晉2000：三維層狀云模式胡志晉2000：三維對流云模式3、總參大氣所許煥斌等1990：三維冰雹云模式這門課里主要以大氣所的三維冰雹云模式為例， 學(xué)習(xí)三維云模式的運轉(zhuǎn)和結(jié)果分析二、大氣所三維冰雹云模式 1998年洪延超研究員保留孔的對流云模式中的動力學(xué)框架（包括初始條件、邊界條件、啟動云發(fā)展方法在內(nèi)），對云微物理過程參數(shù)化方案

9、進(jìn)行了比較大的改進(jìn)，主要是對水物質(zhì)的類別分得更細(xì)（5類-8類），數(shù)濃度譜函數(shù)假定為GAMMA函數(shù)（孔假定為M-P分布函數(shù)），采用雙參數(shù)方案（孔的為單參數(shù)方案）。 據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止，利用該模式發(fā)表研究論文11篇，而且一直有人對該模式進(jìn)行改進(jìn)當(dāng)中，除了大氣所還有南大都有人在不斷改進(jìn)該模式。改進(jìn)主要體現(xiàn)在：1、對流啟動方式；2、參數(shù)化方案；3、與化學(xué)模式耦合3.3 三維雹云數(shù)值模式的 動力學(xué)框架一、模式控制方程組1、假設(shè)1）大氣為無粘性可壓縮流體2）忽略地轉(zhuǎn)偏向力3）任一時刻預(yù)報變量場A可以分解為：4）云滴完全隨氣流運動，其他水成物質(zhì)粒均具有相對空氣的沉降運動。 將Navier-Stokes

10、運動方程對網(wǎng)格元進(jìn)行雷諾平均，并運用對流近似處理，再用無量綱氣壓擾動量和位溫分別代替氣壓P和溫度T，即可導(dǎo)出模式運動方程組。此外，還有位溫預(yù)報方程、質(zhì)量連續(xù)方程、水物質(zhì)預(yù)報方程。2、控制方程qt 是液、固態(tài)水總比質(zhì)量其中，M= qx,nx，下標(biāo) x= v,c,r,i,s,g,f,h,a, 8類水物質(zhì)變量和催化劑，除水汽和云滴只用比質(zhì)量外，其他都包含比質(zhì)量和比數(shù)濃度兩類變量。另外，上式中右邊第一項為粒子降落項。上式中，共20個預(yù)報方程，共20個預(yù)報量二、湍流參數(shù)化次網(wǎng)格尺度混合項D有如下表達(dá)式：為了閉合模式方程組，必須用網(wǎng)格元平均場量來表示上式中的次網(wǎng)格湍流通量。該模式采用一階湍流粘性閉合參數(shù)化

11、方案，并考慮了大氣穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)以及水成物拖曳影響，湍流脈動相關(guān)量可以表示為其中k為湍流交換系數(shù)，該模式分熱量和動量兩種，具體計算方法略。三、邊界條件1、側(cè)邊界條件 雹云模式屬于有限區(qū)域模式，必須人為建立模擬域的側(cè)邊界和給出相應(yīng)的側(cè)邊界條件。較好的側(cè)邊界條件應(yīng)當(dāng)是能夠允許模擬域內(nèi)外的各種波動和平均流自由穿過側(cè)邊界。就小尺度雹云模式而言，最主要的是要讓區(qū)域內(nèi)對流活動等激發(fā)的各種擾動通過側(cè)邊界向外傳出，而只產(chǎn)生最低限度的反射。本模式對側(cè)邊界的法向速度un采用如下輻射邊界條件上式中n為側(cè)邊界法向，C*相當(dāng)于域內(nèi)優(yōu)勢重力內(nèi)波指向域外的水平固有相速。該模式取30m/s.2、上下邊界條件模式的上、下邊界首先

12、限定ZT為模擬域頂高。只要模式上界取得距云頂有足夠距離，以上限定還是合理的。在上下邊界以內(nèi)z/2處，方程中的垂直湍流混合項取零值，這個條件可使初始平均狀態(tài)廓線在邊界附近的垂直梯度不受到湍流混合作用的歪曲。四、初始條件1、模式方程組初始條件在初始時刻，令（不包括比濕）是模式水平均勻初始環(huán)境場由探空資料確定，并在整個模擬時段內(nèi)保持不變。是位溫初始擾動場，用以啟動對流，其具體形式與對流啟動方式有關(guān)。2、對流啟動方式熱泡、濕泡、濕熱泡低層冷空氣出流輻合四種啟動方式設(shè) (,)是擾動場中心坐標(biāo), (r,r,r)分別是擾動區(qū)在三個坐標(biāo)方向的半徑,=(,)是中心最大擾動位溫值,、0分別為飽和混合比和初始水汽混

13、合比。1）熱泡啟動方式濕熱泡內(nèi)位溫偏差由下式確定:2) 濕泡啟動方式 在濕泡內(nèi)，水汽混合比由下式給出:3.4 大氣所三維雹云數(shù)值模式的 微物理過程參數(shù)化方案參見下列文獻(xiàn)3) 濕熱泡啟動方式洪延超, 積層混合云的數(shù)值模擬研究() 模式及其微物理過程參數(shù)化,氣象學(xué)報,1996, 54,544-557洪延超,三維冰雹云催化數(shù)值模式,氣象學(xué)報,1998, 56（6）, 641-6533.5 該模式程序結(jié)構(gòu)和運行方法FM33wc.F90 二、運行方法第一步：準(zhǔn)備好探空資料（indata,wind），設(shè) 定格點數(shù)（domain.DEF） 對流擾動等參數(shù)（model.input）第二步：把include文件

14、、主程序和所有有關(guān)子程序編譯、鏈接、運行第三步：處理輸出結(jié)果dname所對應(yīng)的文件Tiwi島(130.0-131.55E，11.16-11.95S )由兩塊相對平坦的小島組成，海拔最高為120米。Tiwi島東西長約150km，南北約50km。島上大多數(shù)區(qū)域覆蓋著桉樹林和紅樹林。 濕季里，對流頻繁 3.6 所模擬強風(fēng)暴的大體情況2.2 模式控制試驗強雷暴在地方時14:20達(dá)到最強,中心54-58dBz,右邊的單體很快消散11:30 , 出現(xiàn)初始回波見CooK(2004)17時對流云主體消失卷云持續(xù)到19時以后2003年11月23日卷云伸展18時的紅外衛(wèi)星云圖.伸展約300km圖2 對流云主體移動

15、方向和云砧伸展方向Fig.2 Directions of the storm motion and cirrus outflowAustralia圖1 2003年11月23日飛機觀測飛行路線圖Fig. 1 Location of Tiwi Islands and the flight tracks on 23rd November 2002 2.2 模式控制試驗中科院大氣所三維完全彈性強風(fēng)暴模式 (IAP-CSM3D)包含了水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰、凍滴和冰雹等8種水物質(zhì)的微物理過程, 各類粒子的數(shù)濃度分布密度函數(shù)用Gamma函數(shù)表達(dá) 雙參數(shù)，既預(yù)報水質(zhì)粒的比質(zhì)量，也預(yù)報比數(shù)濃度 本文修

16、改了初始擾動方案 雷達(dá)反射率因子的計算方法2.2 模式控制試驗-模擬方案設(shè)計x= y=1.0km, z=0.5km, t=5s, t=1sDomain: 200km200km22kmT=360min最大云滴數(shù)濃度 (unit:cm-3) Ctl 600 (M.O.Andreae等, science,2004,亞馬遜地區(qū))2.2 模式控制試驗?zāi)M總的情況模擬的第250分鐘總含水量Y-Z 垂直剖面圖(單位：g/m3) (units：g/m3) .等值線分別代表 0.001, 0.01, 0.1 and 0. 5 g/m3250min對流結(jié)束云體開始演變?yōu)閷訝钤颇M到90分鐘時, 已經(jīng)形成明顯的云砧. 3.7 實習(xí)目的、內(nèi)容一、目的1、大致了解大氣所三維強風(fēng)暴模式（也叫三維冰雹云模式）2、利用雷達(dá)、衛(wèi)星圖像資料分析強風(fēng)暴演變過程、云砧伸展情況及高度范圍、并利用探空資料解釋強風(fēng)暴的發(fā)生及其特征與環(huán)境條件間的聯(lián)系（例如，靜力穩(wěn)定度與強對流的產(chǎn)生、低空風(fēng)與雷暴移動方向、高空風(fēng)與云砧伸展方向）3、模擬結(jié)果與實測對比 4、對流云主體宏微觀特征模擬二、內(nèi)容1、分析2002年11月23日發(fā)生在澳大利亞Tiwi島上的一次強風(fēng)暴的宏觀演變過程及環(huán)境