《积云数值模拟》PPT课件.ppt
积云数值模拟积云数值模拟一、一、数值模式中云的微物理过程数值模式中云的微物理过程 动力学方程组中与微物理过程有关的项有：动力学方程组中与微物理过程有关的项有：1 1）运动方程中的拖带力。）运动方程中的拖带力。2 2）热量方程中相变过程的热力作用。）热量方程中相变过程的热力作用。3 3）水汽方程中相变过程改变了水汽的含量。）水汽方程中相变过程改变了水汽的含量。微物理过程处理的方法微物理过程处理的方法 1 1）参数化方法：考虑云中粒子）参数化方法：考虑云中粒子的总体特征的总体特征2 2）详细描述方法：各种粒子分）详细描述方法：各种粒子分档档 微物理过程参数化微物理过程参数化 基本概念：云雨粒子分类：云滴、雨滴、冰晶、霰、雪、雹。微物理过程参数化微物理过程参数化比含量定义比含量定义 式中，mJ 为某种粒子的质量；ma 空气的质量。类似比湿的定义优点：在模式计算中，避免了空气密度的计算。微物理过程参数化微物理过程参数化1.守恒方程 云中粒子的定义云中粒子的定义暖云：暖云：云滴（云滴（D100）；雨滴（）；雨滴（D 100）冷云：冷云：云滴（云滴（D100）；雨滴（）；雨滴（D 100）冰晶（冰晶（D100）；霰、雪、雹（）；霰、雪、雹（D 100）粒子间相互转化的物理过程水汽水汽云水云水雨水雨水降水降水凝结凝结蒸蒸发发自动自动转化转化碰并碰并蒸蒸发发冰晶活化凝华升华雪霰雹雪霰雹自动转化碰并升华淞附冻结融化淞附碰并冻结融化粒子谱分布粒子谱分布云滴：云滴：c2雨滴：雨滴：R0雹、霰：雹、霰：g0冰晶：冰晶：i2若雨水比含量为若雨水比含量为qr 单参数法单参数法：给出：给出N0R，由，由qR的含量决定谱型，的含量决定谱型，简单，有误差。简单，有误差。双参数法双参数法：N0R不给定，给出总浓度不给定，给出总浓度N的预报的预报方程，由方程，由N0R和和qR共同决定谱型。共同决定谱型。粒子下落末速度粒子下落末速度单个雨滴单个雨滴 单个霰、雹单个霰、雹群滴下落末速度群滴下落末速度质量加权末速度；质量加权末速度；M MDJDJ为直径为直径D D的单个的单个的的J J类粒子质量；类粒子质量；N NJ J为谱分布为谱分布凝结、蒸发过程1、云滴：单滴凝结公式谱积分求解的缺陷：水汽含量下降很快，潜热释发增温，导致不饱和。解决方法：平衡处理法：平衡处理法在在凝凝结结、蒸蒸发发计计算算前前，温温度度为为T*T*比比湿湿为为q*q*；凝结水量为；凝结水量为 后，达到平衡。后，达到平衡。有关系式有关系式Teten公式公式可得：可得：平衡处理法设设L/(cp)是是小小量量，对对qvs(T*+L/(cp)做做泰勒展开，取一阶近似有：泰勒展开，取一阶近似有：精确解可以用迭代法求解平衡处理法为空气过饱和时通过凝结过程使得空气中水汽达到饱和时所凝结出的水汽量当0，空气不饱和，为通过蒸发过程使得空气达到饱和时所需要蒸发的液水量当云水qc 200 qc10-5霰、雹结凇增长干生长：雹块处于较冷，过冷水滴较少的云中，冻结潜热很快散失，形成雹块的不透明层。增长率由碰併水量来决定。（不考虑热量平衡问题）同理可以计算雹对冰晶的碰并率对与对于霰碰併雨滴，应考到不同雨滴大小霰粒子之间的相对运动。霰、雹结凇增长湿增长：雹块处于较暧且液水丰富的云中，有一部分收集到的液水不会冻结而保持液体状态，在雹块中形成透明层，此时要考虑热量平衡。假定：在一个格点上，只存在一种增长方式，比较干湿增长率的大小，选取取值小的一种增长方式为当前增长方式；在暖区，还应考虑正在融化的冰雹对云水的碰併过程并且脱落成为雨水的过程设直径为D的雨滴在直径为Di，浓度为Ni的冰晶空间扫过，单位时间内捕获一个冰晶的概率为：可得：过冷雨滴碰併冰晶形成冻滴转为霰 自动转化过程自动转化过程云滴自然长大到雨滴尺度所形成雨水的过程同理，冰晶长大到霰和雹 Kessler云雨自动转换公式云雨自动转换公式经验公式经验公式：Acr=K(qc-a)qca,K0;qcb,K0;qib,K=0 阈值阈值b根据结果进行调试根据结果进行调试 转换率转换率 K=10-3exp(T-T0)，与温度有关，与温度有关核化、冻结与融化）冰晶的核化）冰晶的核化 :自然界中活化冰模浓度与温度的关系（经验、观测）给出冰晶的初始质量mi0=10-12kg,相当于D16.3m）雨滴的冻结 Bigg给出的：水滴自发形成冰相胚胎的机率与水滴的体积成正比 T0时时冰晶瞬时全部融化成云水；冰晶瞬时全部融化成云水；霰、雹有有热量平衡过程控制霰、雹有有热量平衡过程控制对单个出，然后对全谱积分。对单个出，然后对全谱积分。繁生与破碎对冰相而言，有三类重要的繁生机制。a.冰晶与霰、雨及其它冰晶相碰发生断裂。（浓度的增加）b.冰粒子在凇附较大云滴时引起破碎冰层脱落。（质量转移）c.大过冷滴在冻结过程中发生破碎而产生次生冰晶。（质量转移）雨滴破碎，改变谱型和浓度，无种类间质量转移。微物理过程的非参数方法 云微物理数值模拟最早开展（1959）的工作，粒子划分为许多档。计算各档粒子浓度的演变。早期：拉格朗日模式，水滴跟随气块移动近期：欧拉模式：水滴大小分档 凝结核0.03m；小云滴12m，雨滴13mm在相同的尺度间隔内，粒子浓度差别最大可达10个量级，小粒子多，大粒子少。标准云雨滴尺度Berry指数分档rI=r0exp(I-1)/I0 xI=x0exp3(I-1)/I0r0,x0第一档的半径和质量I0由总档数或间隔大小来确定 r0 考虑盐核到雨滴的生长过程，r00.03m已有的积云模式已有的积云模式 气泡模式（气泡模式（0维模式）维模式）一维非定常模式一维非定常模式一维半非定常模式一维半非定常模式二维柱对称非定常模式二维柱对称非定常模式二维面对称非定常模式（流体力学模式）二维面对称非定常模式（流体力学模式）三维模式完全弹性模式三维模式完全弹性模式存在的问题存在的问题 微物理过程的处理微物理过程的处理动力框架结构动力框架结构数值计算方法数值计算方法不同问题，用不同模式不同问题，用不同模式
