MM5中新显式云物理方案的建立和数值模拟

摘要

MM5中的Reisner2方案是一种含霰的复杂混合相显式云物理方案,该方案包含了云水、雨水、冰晶、雪和霰的混合比预报方程,同时对冰晶的数浓度作了预报.该方案将雪的M-P分布谱参数截距Nos表达为雪的比含水量的函数,建立了Nos的诊断预报方程.该方案采用的是单变参数方案,降水物粒子的谱分布一律是M-P分布.从本质上说,该方案预报的仅仅是粒子的比含水量.在MM5动力框架内,在其中的Reisner2方案基础上采用双变参数方案,增加了云水、雨水、雪和霰的数浓度预报方程.除了对初始自动转化形成降水的作用外,云滴数浓度的预报对云化学和辐射传输有特别重要的意义.对降水物粒子引入Γ分布谱函数,采用了与之相适应的微物理过程计算公式.云中凝结核CCN的数浓度采用超几何函数表示;云水向雨水的自动转换过程采用Grabowski(1999)的公式,考虑了云滴谱的特征和发展变化对该过程的影响,而不是采用原方案给定阈值的方法描述该过程;对连续碰并方程不再将粒子落速差作为常量提出积分号外,而是直接作为粒子直径函数在积分号内求解,这样处理可以回避使用粒子群的平均落速带来的误差;增加了霰和雪、霰和冰晶的碰并微物理过程.通过增加新预报量的计算和输出程序,在MM5显式方案中新增加了一个可选方案,以下称之为新方案.利用新方案模拟了一次层状云降水过程,新旧方案降水模拟结果的对比表明新方案的降水预报效果有所改进.模拟给出了云的合理微观结构,揭示了层状云的一些特征,增强了MM5研究微观云物理的能力;通过单站微物理过程分析,揭示了降水过程的可能形成机制.说明新方案可以为层状云的宏微观结构特征、降水物理过程和人工影响研究提供一定依据.

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

§1.1云和降水的数值模拟

§1.2云数值模式的发展

§1.3中尺度大气数值模式发展

§1.4本文研究内容

第二章MM5中显式云物理方案

§2.1中尺度数值模式中显式云物理方案和分类

§2.2 MM5中可选显式云物理方案

§2.3 MM5中显式云物理方案的改进

第三章中尺度数值模式MM5动力框架简介

§3.1 MM5的系统特征

§3.2模式的背景知识

§3.3静力控制方程

§3.4非静力控制方程

第四章MM5中新显式云物理方案的建立

§4.1新显式云物理方案的水凝物粒子分布谱和微物理过程框架

§4.2新方案中微物理过程参数化表达式

§4.3微物理量预报方程

§4.4新方案与MM5模式程序的融合过程

第五章MM5中新显式云物理方案的数值模拟研究

§5.1新方案的模拟个例

§5.2新方案的模拟设计和降水模拟结果

§5.3新方案模拟的云微物理结构

§5.4新方案模拟的单站云微观结构和微物理过程分析

第六章结论

致谢

参考文献

附表

附图