1、第三章第三章 对流云数值模拟对流云数值模拟v3.2 三维云模式三维云模式概述概述一、国内著名三维云模式一、国内著名三维云模式二、大气所三维冰雹云模式二、大气所三维冰雹云模式3.1 对流云的宏观特征对流云的宏观特征 空间尺度、生命期、气流、温度、空间尺度、生命期、气流、温度、含水量含水量3.3 大气所三维雹云数值模式的大气所三维雹云数值模式的 动力学框架动力学框架 一、模式控制方程组一、模式控制方程组二、湍流参数化二、湍流参数化次网格尺度混合项次网格尺度混合项D三、边界条件三、边界条件四、初始条件四、初始条件3.4 大气所三维雹云数值模式的大气所三维雹云数值模式的 微物理过程参数化方案（略）微物
2、理过程参数化方案（略）3.5 该模式程序结构和运行方法该模式程序结构和运行方法3.6 实习内容和安排实习内容和安排3.1 对流云的宏观特征对流云的宏观特征一.对流云的空间尺度对流云的空间尺度对流云高度因纬度对流云高度因纬度,气团属性气团属性,发展阶段发展阶段而异而异一般而言,处于相同发展阶段的对流云,中低纬高,高纬低;海洋性气团中的高于大陆性气团中的1.高度高度3.1 对流云的宏观特征对流云的宏观特征3.垂直厚度垂直厚度H与水平宽度与水平宽度L具有同一量级具有同一量级2.水平尺度水平尺度一般一般,在淡积云阶段为数百米到在淡积云阶段为数百米到1km量级量级;气团性浓积云或积雨云单体为气团性浓积云
3、或积雨云单体为几几km至十几至十几km二二.对流云的生命期对流云的生命期不同尺度的对流云不同尺度的对流云,生命期是不一样的生命期是不一样的.同一尺同一尺度的对流云度的对流云,其生命期也因地有很大差异其生命期也因地有很大差异.根据我国九江地区的观测结果根据我国九江地区的观测结果,频数中值生命频数中值生命期期,无降水的浓积云为无降水的浓积云为12min,降水性浓积云为降水性浓积云为25min,雷雨云为雷雨云为65min海洋性晴海洋性晴天积云同天积云同一高度多一高度多次穿云飞次穿云飞行结果行结果三三.对流云中的垂直气流对流云中的垂直气流小尺度湍流小尺度湍流:水平尺度水平尺度L小于小于100-200米
4、米(在一些积雨云研究中定为在一些积雨云研究中定为400-500米米)的的垂直运动垂直运动系统性垂直气流系统性垂直气流:将将L大于上述临界尺度大于上述临界尺度的垂直运动称为系统性垂直气流的垂直运动称为系统性垂直气流.分类分类:飓风系统积雨云中上升和下沉气流飓风系统积雨云中上升和下沉气流合计的水平尺度频数分布图合计的水平尺度频数分布图众数直径为众数直径为1-2km1.系统性垂直气流的尺度系统性垂直气流的尺度热带浓积云中垂直气流的水平尺度可达热带浓积云中垂直气流的水平尺度可达1-2 km.积雨云中上升气流的平均积雨云中上升气流的平均”直径直径”为为1.5 km,下沉气流的平均下沉气流的平均”直径直径
5、”为为1.2 km2.系统性垂直气流区的相对面积系统性垂直气流区的相对面积发展中的晴天积云的中下部发展中的晴天积云的中下部,上升气流占据上升气流占据云区的云区的70%-80%,只在边缘部位有下沉气流只在边缘部位有下沉气流发展旺盛的浓积云中发展旺盛的浓积云中,上升气流区的体积上升气流区的体积约占云体积的约占云体积的40%.在各类对流云的上部在各类对流云的上部,上升气流速度较上升气流速度较小小,占据的范围不超过云体积的占据的范围不超过云体积的30-40%,其余部分是高湍流性的其余部分是高湍流性的3.垂直气流的大小垂直气流的大小澳大利亚东海岸活跃和成熟期积云垂直气流的平均值一般为几米垂直气流的平均值
6、一般为几米/秒秒,最大垂直速度可最大垂直速度可达达30-40米米/秒秒,甚至也出现过甚至也出现过63米米/秒秒 的最大上升的最大上升气流速度气流速度了解对流云中的垂直气流的空间分布和时间演变特征很重要4.垂直气流随高度的分布垂直气流随高度的分布一般来说一般来说,上升速度随高度的分布曲线近似为抛物线型上升速度随高度的分布曲线近似为抛物线型上升速度随高度的分布(苏联)但不同部位上升气流的垂直分布有区别但不同部位上升气流的垂直分布有区别5.垂直气流的水平分布垂直气流的水平分布浓积云中飞机穿云观测事实上,对流云中垂直气流的分布非常复杂,与云发展阶段具有密切联系.三三.对流云中的湍流对流云中的湍流湍流可
7、伸展到对流云外,当然,云内湍流还是强于云外.当环境盛行风存在垂直切变时,对流云周围的湍流分布就不再对称,而是顺着风向向下延伸,但湍流强度却是迎风面的大.四四.对流云中的温度对流云中的温度一般来说一般来说,温度的正距平和上升运动配置在温度的正距平和上升运动配置在一起一起,负距平则和下沉运动相联系负距平则和下沉运动相联系.1-2 4(甚至甚至6-10)0-1 正距平随对流发展阶段的演变:一般情况一般情况对流云中温度的分布存在着起伏水平分布水平分布垂直分布垂直分布对流云内温度的垂直递减率比湿绝热递减率要大,它与云外的空气温度递减率相近五五.对流云的含水量对流云的含水量对流云中的含水量随时间,地点和云
8、的发展阶段而异1.含水量数值含水量数值与云底温度和环境空气湿度以及云内与云底温度和环境空气湿度以及云内外空气的混合程度有关外空气的混合程度有关.苏联,雷雨云中一般为4-7g.m-3,最大值达20g.m-3 美国,最大值也达20g.m-3 2.含水量影响因子含水量影响因子云底温度云顶部位最大含水量湖南地区浓积云飞机观测结果(1962-1963)3.含水量的垂直分布含水量的垂直分布极大值位于云的中上部4.含水量的水平分布含水量的水平分布含水量高值区往往与升速较大的云泡相对应Warner概括出”大礼帽”式的水平分布形式.含水量在云边急剧上升,在云体内分布平缓在不同高度上,含水量的水平起伏不一样,云的
9、下部变化小,而云的中上部变化大值得一提的是对流云中含水量的空间分布是十分复杂的.发展旺盛的对流云中常有多个极大值中心,最大值中心未必位于云中心,有时在云边缘含水量可急剧增加到很大.七七.对流云宏观特征小结对流云宏观特征小结1.垂直厚度垂直厚度H与水平宽度与水平宽度L具有同一量级具有同一量级 尺度从几百米到十几尺度从几百米到十几km2.生命期生命期几几min到几到几h3.气流气流 包含有系统性上升气流区包含有系统性上升气流区,系统性上升气流区系统性上升气流区,湍流区湍流区.上升气流区和下沉气流区的水平尺度众数为上升气流区和下沉气流区的水平尺度众数为1-2km 垂直气流的平均值一般为几米垂直气流的
10、平均值一般为几米/秒秒,最大垂直最大垂直速度可达速度可达30-40米米/秒秒,甚至也出现过甚至也出现过63米米/秒秒 的的最大上升气流速度最大上升气流速度一般来说一般来说,上升速度随高度的分布曲线近似为抛物线型上升速度随高度的分布曲线近似为抛物线型积云中的湍流交换系数达积云中的湍流交换系数达102m2/s一般来说一般来说,温度的正距平和上升运动配置在一起温度的正距平和上升运动配置在一起,负负距平则和下沉运动相联系距平则和下沉运动相联系.正正,负距平可达甚至超过负距平可达甚至超过44.温度温度对流云内温度的垂直递减率比湿绝热递减率要对流云内温度的垂直递减率比湿绝热递减率要大大,它与云外的空气温度
11、递减率相近它与云外的空气温度递减率相近5.含水量含水量平均值约为几平均值约为几g.m-3,最大可超过最大可超过10 g.m-33.2 概述概述云数值模拟最早可追溯到五十年代中期云数值模拟最早可追溯到五十年代中期,建立了各建立了各种一维、二维云模式。种一维、二维云模式。直到直到70年代以后随着计算机性能的提高，三维云模年代以后随着计算机性能的提高，三维云模式才得以建立。式才得以建立。一、国内著名三维云模式一、国内著名三维云模式:1、中科院大气所、中科院大气所孔凡铀孔凡铀1990：完全弹性三维冷云单参数模式：完全弹性三维冷云单参数模式洪延超洪延超1998：三维弹性冰雹云催化模式：三维弹性冰雹云催化
12、模式 在以上模式基础上，对云微物理过程的在以上模式基础上，对云微物理过程的处理进行了改进，并结合进催化剂的核化过处理进行了改进，并结合进催化剂的核化过程，可以用来研究催化防雹技术。程，可以用来研究催化防雹技术。郭学良郭学良2001：三维冰雹分档强对流云模式：三维冰雹分档强对流云模式2、中国气象科学研究院、中国气象科学研究院刘玉宝刘玉宝1992：双向套网格、变网格距准弹性中：双向套网格、变网格距准弹性中-大气模式大气模式胡志晋胡志晋2000：三维层状云模式：三维层状云模式胡志晋胡志晋2000：三维对流云模式：三维对流云模式3、总参大气所、总参大气所许焕斌等许焕斌等1990：三维冰雹云模式：三维冰
13、雹云模式这门课里主要以大气所的三维冰雹云模式为例，这门课里主要以大气所的三维冰雹云模式为例，学习三维云模式的运转和结果分析学习三维云模式的运转和结果分析v二、大气所三维冰雹云模式二、大气所三维冰雹云模式 1998年洪延超研究员保留孔的对流云模式中年洪延超研究员保留孔的对流云模式中的动力学框架（包括初始条件、边界条件、启动的动力学框架（包括初始条件、边界条件、启动云发展方法在内），对云微物理过程参数化方案云发展方法在内），对云微物理过程参数化方案进行了比较大的改进，主要是对水物质的进行了比较大的改进，主要是对水物质的类别类别分分得更细（得更细（5类类-8类），数浓度类），数浓度谱函数谱函数假定为
14、假定为GAMMA函数（孔假定为函数（孔假定为M-P分布函数），采用分布函数），采用双参数双参数方案（孔的为单参数方案）。方案（孔的为单参数方案）。据不完全统计，到目前为止，利用该模式据不完全统计，到目前为止，利用该模式发表研究论文发表研究论文11篇，而且一直有人对该模式进篇，而且一直有人对该模式进行改进当中，除了大气所还有南大都有人在不行改进当中，除了大气所还有南大都有人在不断改进该模式。改进主要体现在：断改进该模式。改进主要体现在：1、对流启、对流启动方式；动方式；2、参数化方案；、参数化方案；3、与化学模式耦合、与化学模式耦合3.3 三维雹云数值模式的三维雹云数值模式的 动力学框架动力学框
15、架一、模式控制方程组一、模式控制方程组1、假设、假设1）大气为无粘性可压缩流体）大气为无粘性可压缩流体2）忽略地转偏向力）忽略地转偏向力3）任一时刻预报变量场）任一时刻预报变量场A可以分解为：可以分解为：)t,z,y,x(a)t,z,y,x(a)z(a)t,z,y,x(a)t,z,y,x(a)t,z,y,x(A 4）云滴完全随气流运动，其他水成物质粒均具）云滴完全随气流运动，其他水成物质粒均具有相对空气的沉降运动。有相对空气的沉降运动。将将Navier-Stokes运动方程对网格元进行雷诺运动方程对网格元进行雷诺平均，并运用对流近似处理，再用无量纲气压扰动平均，并运用对流近似处理，再用无量纲气
16、压扰动量量和位温和位温分别代替气压分别代替气压P和温度和温度T，即可导出模，即可导出模式运动方程组。此外，还有位温预报方程、质量连式运动方程组。此外，还有位温预报方程、质量连续方程、水物质预报方程。续方程、水物质预报方程。2、控制方程、控制方程,pppdCR0设T,)608.01(vvqqt 是液、固态水总比质量是液、固态水总比质量uvpDxcdtduvvpDycdtdvwtvvpD)q-q0.608(gzcdtdwDSdtdMMMDS)MV(z1dtdM其中，其中，M=qx,nx，下标，下标 x=v,c,r,i,s,g,f,h,a,8类水物质变量和催化剂，除水汽和云滴只用类水物质变量和催化剂
17、，除水汽和云滴只用比质量外，其他都包含比质量和比数浓度两比质量外，其他都包含比质量和比数浓度两类变量。类变量。另外，上式中右边第一项为粒子降落项。另外，上式中右边第一项为粒子降落项。DdtdccxucR)u(xccdtdv2vp2jjvdjvj2vp2上式中，上式中，VdvpVdvp2RccTRccc共共20个预报方程，共个预报方程，共20个预报量个预报量二、湍流参数化二、湍流参数化次网格尺度混合项次网格尺度混合项D)(annnnnnqqqqqqqqwvuDhfgsirhfgsircv、有如下表达式：有如下表达式：wzvyuxD为了闭合模式方程组，必须用网格元平均场量来为了闭合模式方程组，必须
18、用网格元平均场量来表示上式中的次网格湍流通量。表示上式中的次网格湍流通量。该模式采用一阶湍流粘性闭合参数化方案，该模式采用一阶湍流粘性闭合参数化方案，并考虑了大气稳定度的贡献以及水成物拖曳影响，并考虑了大气稳定度的贡献以及水成物拖曳影响，湍流脉动相关量可以表示为湍流脉动相关量可以表示为z kwykvxku其中其中k为湍流交换系数，为湍流交换系数，该模式分热量和动量两种，该模式分热量和动量两种，具体计算方法略。具体计算方法略。三、边界条件三、边界条件1、侧边界条件、侧边界条件 雹云模式属于有限区域模式，必须人雹云模式属于有限区域模式，必须人为建立模拟域的侧边界和给出相应的侧边为建立模拟域的侧边界
19、和给出相应的侧边界条件。较好的侧边界条件应当是能够允界条件。较好的侧边界条件应当是能够允许模拟域内外的各种波动和平均流自由穿许模拟域内外的各种波动和平均流自由穿过侧边界。就小尺度雹云模式而言，最主过侧边界。就小尺度雹云模式而言，最主要的是要让区域内对流活动等激发的各种要的是要让区域内对流活动等激发的各种扰动通过侧边界向外传出，而只产生最低扰动通过侧边界向外传出，而只产生最低限度的反射。限度的反射。本模式对侧边界的法向速度本模式对侧边界的法向速度un采用如下辐射边界条件采用如下辐射边界条件0nU)CU(tUnnn上式中上式中n为侧边界法向，为侧边界法向，C*相当于域内优势重力内相当于域内优势重力
20、内波指向域外的水平固有相速。该模式取波指向域外的水平固有相速。该模式取30m/s.2、上下边界条件、上下边界条件模式的上、下边界首先限定模式的上、下边界首先限定0,0TzzwZT为模拟域顶高。只要模式上界取得距云顶为模拟域顶高。只要模式上界取得距云顶有足够距离，以上限定还是合理的。有足够距离，以上限定还是合理的。在上下边界以内在上下边界以内z/2处，方程中的垂直湍流处，方程中的垂直湍流混合项取零值，这个条件可使初始平均状态混合项取零值，这个条件可使初始平均状态廓线在边界附近的垂直梯度不受到湍流混合廓线在边界附近的垂直梯度不受到湍流混合作用的歪曲。作用的歪曲。四、初始条件四、初始条件0 xxnq
21、1、模式方程组初始条件、模式方程组初始条件在初始时刻，令在初始时刻，令0w)z(uu)z(vv（不包括比湿）（不包括比湿）)z()z(vvvqqq)z(vq,v,u ,和其中是模式水平均匀初始环境场是模式水平均匀初始环境场由探空资料确定，并在整个模拟时段内保由探空资料确定，并在整个模拟时段内保持不变。持不变。是位温初始扰动场，用以启动对流，是位温初始扰动场，用以启动对流，其具体形式与对流启动方式有关。其具体形式与对流启动方式有关。2、对流启动方式、对流启动方式热泡、湿泡、湿热泡低层冷空气出流热泡、湿泡、湿热泡低层冷空气出流辐合四种启动方式辐合四种启动方式设设(,)是扰动场中心坐标是扰动场中心坐
22、标,(r,r,r)分别是扰动区在三个坐标方向的半径分别是扰动区在三个坐标方向的半径,=(,)是中心最大扰动位温值是中心最大扰动位温值,、0分别为饱和混合比和初始水汽混合比。分别为饱和混合比和初始水汽混合比。1）热泡启动方式）热泡启动方式湿热泡内位温偏差由下式确定湿热泡内位温偏差由下式确定:2)湿泡启动方式湿泡启动方式 在湿泡内，水汽混合比由下式给出在湿泡内，水汽混合比由下式给出:3.4 大气所三维雹云数值模式的大气所三维雹云数值模式的 微物理过程参数化方案微物理过程参数化方案v参见下列文献参见下列文献3)湿热泡启动方式湿热泡启动方式洪延超洪延超,积层混合云的数值模拟研究积层混合云的数值模拟研究
23、()模式及其微物理过程参数化模式及其微物理过程参数化,气象学报气象学报,1996,54,544-557洪延超洪延超,三维冰雹云催化数值模式三维冰雹云催化数值模式,气象学报气象学报,1998,56（6）,641-6533.5 该模式程序结构和运行方法该模式程序结构和运行方法dname nd wi0FF33W4d.F9indatatmodel.inpu90.190.90.90.50090.190.490.90.90.2490.90.2490.90.FTURBFMOVEMESHFFLUFSEEDRYIFBSEEDWRFdMICROIocFMICROWFFLUSUBFLUXFUVWPFDYFTIMEF
24、DYFFIRSTFBSTATEDEF.domainFM33wc.F90 二、运行方法二、运行方法第一步：准备好探空资料（第一步：准备好探空资料（indata,wind），），设设 定格点数（定格点数（domain.DEF）对流扰动等参数（对流扰动等参数（model.input）第二步：把第二步：把include文件、主程序和所有有文件、主程序和所有有关子程序编译、链接、运行关子程序编译、链接、运行第三步：处理输出结果第三步：处理输出结果dname所对应的文件所对应的文件 Tiwi岛岛(130.0-131.55 E，11.16-11.95 S)由两块相对平坦的小岛由两块相对平坦的小岛组成，海拔最
25、高为组成，海拔最高为120米。米。Tiwi岛东西长约岛东西长约150km，南北约，南北约50km。岛上大多数区域覆盖着岛上大多数区域覆盖着桉树林和红树林。桉树林和红树林。湿季里，对流频繁湿季里，对流频繁 3.6 所模拟强风暴的大体情况所模拟强风暴的大体情况2.2 模式控制试验模式控制试验强雷暴在地方时强雷暴在地方时14:20达到最达到最强强,中心中心54-58dBz,右边的单体右边的单体很快消散很快消散11:30,出现初始回波出现初始回波见见CooK(2004)17时对流云主体消失时对流云主体消失卷云持续到卷云持续到19时以后时以后2003年年11月月23日日18时的红外卫星云图时的红外卫星云
26、图.伸展约伸展约300km图图2 对流云主体移动方向和云砧伸展方向对流云主体移动方向和云砧伸展方向Fig.2 Directions of the storm motion and cirrus outflowAustralia图图1 2003年年11月月23日飞机观测日飞机观测飞行路线图飞行路线图Fig.1 Location of Tiwi Islands and the flight tracks on 23rd November 2002 2.2 模式控制试验模式控制试验v中科院大气所三维完全弹性强风暴模式中科院大气所三维完全弹性强风暴模式(IAP-CSM3D)v包含了水汽、云水、雨水、冰
27、晶、雪、霰、包含了水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰、冻滴和冰雹等冻滴和冰雹等8种水物质的微物理过程种水物质的微物理过程,各各类粒子的数浓度分布密度函数用类粒子的数浓度分布密度函数用Gamma函函数表达数表达 v双参数，既预报水质粒的比质量，也预报双参数，既预报水质粒的比质量，也预报比数浓度比数浓度 本文修改了初始扰动方案本文修改了初始扰动方案 雷达反射率因子的计算方法雷达反射率因子的计算方法2.2 模式控制试验模式控制试验-模拟方案设计模拟方案设计vx=y=1.0km,z=0.5km,t=5s,t=1svDomain:200km200km22kmvT=360minv最大云滴数浓度最大云滴数浓度(
28、unit:cm-3)Ctl 600(M.O.Andreae等等,science,2004,亚马逊地区亚马逊地区)2.2 模式控制试验模式控制试验模拟总的情况模拟总的情况模拟的第模拟的第250分钟总含水量分钟总含水量Y-Z 垂直剖面图垂直剖面图(单位：单位：g/m3)(units：g/m3).等值线分别代表等值线分别代表 0.001,0.01,0.1 and 0.5 g/m3250min对流结束云体开对流结束云体开始演变为层状云始演变为层状云模拟到模拟到90分钟时分钟时,已经形成明显的已经形成明显的云砧云砧.3.7 实习目的、内容实习目的、内容一、目的一、目的1、大致了解大气所三维强风暴模式（也
29、叫三维、大致了解大气所三维强风暴模式（也叫三维冰雹云模式）冰雹云模式）2、利用雷达、卫星图像资料分析强风暴演变过程、利用雷达、卫星图像资料分析强风暴演变过程、云砧伸展情况及高度范围、并利用探空资料解释云砧伸展情况及高度范围、并利用探空资料解释强风暴的发生及其特征与环境条件间的联系（例强风暴的发生及其特征与环境条件间的联系（例如，静力稳定度与强对流的产生、低空风与雷暴如，静力稳定度与强对流的产生、低空风与雷暴移动方向、高空风与云砧伸展方向）移动方向、高空风与云砧伸展方向）3、模拟结果与实测对比、模拟结果与实测对比 4、对流云主体宏微观特征模拟、对流云主体宏微观特征模拟二、内容二、内容1、分析、分
30、析2002年年11月月23日发生在澳大利亚日发生在澳大利亚Tiwi岛上岛上的一次强风暴的宏观演变过程及环境条件。（气压、的一次强风暴的宏观演变过程及环境条件。（气压、气温、露点资料用气温、露点资料用02112311中的，风用中的，风用02112311plane）2、对它已经进行好的数值模拟结果与实测资料、对它已经进行好的数值模拟结果与实测资料 对比。对比。模拟方案：模式计算域为模拟方案：模式计算域为20020044，水平格距水平格距1.0，垂直格距，垂直格距0.5。用、分。用、分别表示向东、向北、向下的、轴上的格点序别表示向东、向北、向下的、轴上的格点序数。将经过地面观测值订正的探空资料输入雹云模式，数。将经过地面观测值订正的探空资料输入雹云模式，采用湿热泡方式启动对流云，扰动区中心坐标为采用湿热泡方式启动对流云，扰动区中心坐标为(150，150，2)，最大位温扰动取，最大位温扰动取3.4K。主要是模式计算主要是模式计算(zzem)与实测的雷达反射率因子对比与实测的雷达反射率因子对比 3.利用利用NC600-HNU文件夹中的文件，文件夹中的文件，进行各水成物及降水产生及演变情况分析进行各水成物及降水产生及演变情况分析
