《积云数值模拟》课件.pptxVIP

《积云数值模拟》课程简介本课程旨在深入探讨积云数值模拟的基本原理和实践方法。通过学习相关气象理论、数值模拟技术以及案例分析,帮助学生全面理解积云的形成机制和演化规律,掌握应用数值模拟手段进行积云预报的能力。byhpzqamifhr@

课程目标1增强理解深入了解积云形成机理和发展过程2掌握建模学习积云数值模拟的基本方程和参数化方法3提高技能熟练运用积云数值模拟的网格设置、时间步长等技术4应用能力培养积云数值模拟的应用分析和验证评估能力本课程旨在帮助学习者深入理解积云形成过程,掌握积云数值模拟的基本原理和技术方法,提高运用积云数值模拟进行天气预报和气候研究的实践能力。课程内容涵盖积云数值模拟的基本方程、初边条件、参数化方案、数值算法以及输出可视化等关键环节。学习者将通过系统学习和实践训练,全面提升积云数值模拟的理论和应用水平。

积云形成机理空气上升由于太阳加热地表,地面温度升高,带动空气上升。当空气上升到一定高度时,温度下降至饱和点，出现水汽凝结形成小水滴。水汽凝结持续的上升运动使水汽凝结成云滴,这些云滴在重力作用下下坠,但上升气流又将其带上。云滴在上升下落之间不断增大。对流发展随着上升气流强度和水汽量的增加,云滴不断成长,最终形成强烈对流,发展成积云。对流过程中会释放大量潜热,进一步推动积云发展。

积云发展过程1积云的形成积云的形成始于对流层下层的水汽汇聚和上升运动。太阳辐射使地表加热,地表热量传导到对流层,产生温度梯度和湿度梯度,推动了水汽的上升。2积云的发展随着上升运动的继续,水汽冷凝形成云droplets,释放潜热进一步推动了上升运动。云量和云高逐渐增加,最终形成发展旺盛的积云。3积云的衰竭当上升运动不再能持续供应水汽时,积云开始消散。云量和云高逐渐减少,最终演变为浅层积云或消失。

积云数值模拟的基本方程1基本流体方程质量、动量、能量守恒2微物理过程水汽相变、凝结、冰晶生长3湍流过程湍流动力学、亚网格参数化积云数值模拟的基本方程包括基本的流体动力学方程、微物理过程方程和湍流过程方程。流体方程描述质量、动量和能量的守恒过程;微物理过程方程描述水汽相变、凝结和冰晶生长等过程;湍流过程方程描述亚网格尺度的湍流动力学过程。这些方程相互耦合,共同描述了积云内部的复杂物理过程。

积云数值模拟的初边条件1初始条件积云数值模拟的计算从初始时刻开始，需要给定温度、湿度和风场等气象场。2边界条件需确定模拟区域的侧边界和顶边界条件，以及地表边界条件。3外部强制需考虑太阳辐射加热、地形特征以及其他外部因素的影响。积云数值模拟的初边条件是确保模拟结果准确合理的关键。需要根据实际情况设置相应的初始状态和边界条件,同时考虑外部强迫因子对模拟结果的影响。这些都要经过细致的研究和测试才能得到最优的数值模拟。

积云数值模拟的网格设置1网格类型积云数值模拟通常采用三维笛卡尔网格或极坐标网格,根据模拟对象的几何特点选用合适的网格类型。2网格分辨率网格分辨率直接影响模拟精度,通常需要在计算能力和所需精度之间寻求平衡。一般采用水平分辨率1-3公里,垂直分辨率数百米的网格设置。3网格坐标设置根据模拟区域的地理位置、地形特点等确定合适的网格坐标系统,如地理坐标系或局地坐标系。同时需要设置合理的边界条件。

积云数值模拟的时间步长1确定时间步长根据模拟物理过程的特征时间尺度2稳定性要求满足CFL条件的时间步长3计算效率在满足稳定性的前提下尽量大的时间步长积云数值模拟的时间步长的确定是一个需要平衡多方面因素的过程。首先需要根据模拟物理过程的特征时间尺度来选取初始时间步长。然后需要满足CFL条件以确保数值方案的稳定性。最后需要在满足稳定性要求的前提下选择尽可能大的时间步长以提高计算效率。这需要对模拟中涉及的物理过程特征时间尺度、模型参数和数值算法等多方面因素进行综合考虑。

积云数值模拟的参数化边界条件参数化积云数值模拟需要设置合理的下边界条件,如地表温度、湿度、地面粗糙度等,对模拟结果有很大影响。微物理参数化积云内部各种微物理过程如水汽凝结、冰晶生长等,需要用参数化方案进行描述和模拟。湍流参数化积云内部存在复杂的湍流流动,需要采用合适的湍流参数化方案来模拟湍流对流和扩散过程。辐射传输参数化积云的形成和发展受到大气辐射过程的影响,需要设置合理的辐射参数化方案。

积云数值模拟的物理过程1积云动力学包含对流、湍流、压力差等驱动积云形成和发展的基本物理过程2积云微物理包括水汽凝结、雨水冰晶的生长与消耗等过程3积云辐射过程包括吸收和发射的长短波辐射过程4积云边界层包括地表的感热潜热通量、粗糙度对积云影响的参数化积云数值模拟涉及的物理过程包括对流动力学、微物理过程、辐射传递以及边界层过程等方面。这些过程相互耦合,共同决定了积云的形成发展特征。对这些物理过程的合理参数化是积云数值