云微物理过程处理方法.ppt

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第五章云微物理过程处理方法,参考:

黄美元，徐华英.云和降水物理.科学出版社，1999,洪延超,积层混合云的数值模拟研究（）模式及其微物理过程参数化,气象学报,1996,54,544-557洪延超,三维冰雹云催化数值模式,气象学报,1998,56（6）,641-653,暖云和冷云,暖云:

把由液相粒子,即水滴构成的云称为暖云,一般处于温度大于0的空间里。

见黄美元”云和降水物理”,冷云：

包含有冰相粒子的云称为冷云。

包括冰晶云和混合云。

5.1云微物理过程5.2微物理过程参数化方法5.3微物理过程的非参数化方法（分档方法）,第五章云微物理过程处理方法,5.1云微物理过程,见下图,1.简单暖雨过程:

或称暖云过程,也称水云过程,指粒子尺度的增长过程.可分为:

简单暖雨过程,简单冰相过程,混合相过程.,一.正过程,即水汽凝结产生云滴,云滴凝结增长形成大云滴,启动碰并增长形成雨滴,2.简单冰相过程,水汽凝华形成冰晶,再经过凝华增长成雪晶,雪晶间又可攀附形成雪团,产生降雪（冷雨）,冰晶之间,冰雪晶之间也可以碰并形成聚合体,3.混合相过程,冰晶凇附过冷云滴而长大,贝吉隆过程,其它液固粒子间的并合增长,二.反过程,雨滴的破碎,冰晶的繁生,冰雹湿生长过程中多余过冷水的剥落,水滴的蒸发,升华,三.其它过程,冰相粒子的融化,云滴冻结形成冰晶,过冷雨滴的冻结,在云数值模拟中，云微物理过程的处理方法：

有两种1、参数化方法2、详细描述方法,在云中是群粒子经历这些过程,在云数值模拟中,处理这些过程要考虑其群体效应,5.1云微物理过程5.2微物理过程参数化方法5.3微物理过程的非参数化方法（分档方法）,第五章云微物理过程处理方法,5.2微物理过程参数化方法,把云雨粒子分为若干类，如云滴、雨滴、冰晶、雪、霰、雹等，以微物理总体特征量为预报量，例如，某类粒子的比水量、比数浓度。

以J类粒子的比水量qJ为例，预报方程为,降落项,源汇项,其中uJ为群体落速,一.方法介绍,粒子的下落末速度往往与其尺度有关,例如雨滴,（Manton和Cotton（1977）的公式）,直径为D的单个雨滴质量为mr,其蒸发率为,许多云微物理过程也与其尺度有密切关系,例如,各类粒子都是一群具有一定尺度范围的粒子，求源汇项PJ和群体落速uJ都需要粒子的尺度谱分布,需要研究粒子谱分布密度函数,雨滴谱,需要假定粒子谱分布密度函数，不同模式使用不同的分布，其中使用较多的为Gamma分布,为直径为D的J类粒子数浓度,谱密度函数中有三个参数:

截距,形状因子,斜率,若n为整数,则,注意:

若n为分数,则查表或编程计算,关于Gamma函数详见一类书,形状参数取0时，称为M-P分布，设雨滴谱分布为M-P分布，则,通常对某类粒子固定形状参数,例如,在大气所三维冰雹云模式中,（见洪延超.三维冰雹云催化数值模式.气象学报.1998,56（6）:

641653）可用谱参数表示比水量,比数浓度,利用谱参数与比质量、比数浓度之间的关系，可把水物质转换量PJ和群体落速uJ表示为与比质量、比数浓度之间的关系，使预报方程闭合。

以群速为例,群体落速uJ,例如,雨滴,若只令一个谱参数是未知的，通常令N0r为常数，则只需一个预报量，一个预报方程,在某类粒子的谱分布函数中,若令两个谱参数是未知的，则需要两个总体特征量作为预报量，从而出现两个预报方程.,参数化方法：

单参数化方法、双参数化方法,把云雨粒子分为若干类，如云滴、雨滴、冰晶、雪、霰、雹等，以微物理总体特征量为预报量，例如，某类粒子的比水量、比数浓度。

对各类粒子预先假定粒子谱分布密度函数,在某类粒子的谱分布函数中,若令两个谱参数是未知的，称为对该粒子使用了双参数化方法（方案）,若只令一个谱参数是未知的,称为单参数化方法（方案）,二.云微物理过程参数化方法小结,利用谱参数来表示群速,各云微物理过程,这种方法称为云微物理过程参数化方法,三.源汇项的参数化表示,这里只是举例,到具体模式中会有所差别,此处假设:

把水质粒划分为:

云滴、雨滴、冰晶、霰（雹）,云滴的数浓度为常数，比质量作为预报量，单参数方案；其它粒子双参。

雨滴、霰（雹）数浓度谱密度函数服从M-P分布；冰晶的形状参数取2；,，,，,，,，,，,注：

洪延超方案中,1.凝结和蒸发,凝华和升华2.碰并3.自动转化4.冻结和融化5.繁生和破碎,1.凝结和蒸发过程,

（1）利用平衡法计算凝结量,所以,当空气过饱和时,凝结率为,若想求更精确的解,则可采用一些迭代公式,当空气不饱和时,蒸发率为,

（2）云滴的凝结和蒸发率,（3）雨滴的凝结和蒸发,直径为D的单个雨滴质量为mr,其蒸发率为,K和Df分别为空气中水汽扩散系数和导热系数,根据单个雨滴的蒸发率计算公式,用雨滴谱分布积分,可得,也有人使用了不同的蒸发率公式,在云雨共存条件下,云水优先蒸发,假如云水全部蒸发后,还未饱和,则雨水开始蒸发,（4）霰（雹）的升华,在模式中一般只考虑它们的升华作用,升华率为,其中Ag，见教材,（5）霰（雹）的融化蒸发,当TT0且qvqvs时，融化霰（雹）还发生蒸发，类似雨水蒸发率计算，可导出融化霰（雹）的比含水量蒸发率,（6）冰晶的凝华增长Svi,单个冰晶的凝华增长率公式为：

当空气对冰面过饱和时，冰晶凝华增长，但当冰晶对过冷云滴的凇附率较大时，可能使上式小于0，此时不发生凝华增长，此时模式中应当规定上式等于0,当空气对冰面不饱和时，应当为升华过程，但当云滴不存在时才发生升华过程。

此时过冷云滴的凇附率为0,对单个冰晶按其谱积分，便得冰晶比含水量的凝华/升华率,1.凝结和蒸发,凝华和升华2.碰并3.自动转化4.冻结和融化5.繁生和破碎,2.碰并过程,各类水质粒之间的相互碰并而引起它们之间质量的转换过程称为碰并过程,这里仅考虑重力碰并,

（1）雨滴碰并云滴的生长,一个直径为D以末速ur（D）下落的雨滴在含水量qc云中碰并云滴的质量增加率为,Kessler（1969）,单位质量湿空气中雨滴的碰并增长率为,设Erc为常数,将ur（D）和Nr（D）代入上式积分得到,

（2）冰晶结凇增长Cci,冰晶的结凇率就是冰晶对过冷云滴的碰并增长率,结凇现象需要满足一定条件才发生.,若,则单个冰晶的结凇率为,Riming:

Theprocessbywhichicecrystalsgrowthroughthecollision,collection,andfreezingofsupercooledwaterdroplets.（FredRemer）,Theoriginalicecrystalcannolongerbedistinguished.,graupel,Icecrystal,Time,雹,冰雹的形状,有圆球、扁圆球、椭球、扁椭球、圆锥、苹果形、盘形和不规则形。

最常见的冰雹是圆球、圆锥和椭球三种。

（3）霰（雹）碰并过冷水滴,雨滴和冰晶的增长,按照霰（雹）碰并收集的液水是否能全部冻结而划分为干生长和湿生长过程.,干生长:

收集的液滴全部冻结形成雹块的不透明层.,条件是当雹块处于较冷且液水少的云中,碰并的过冷液滴冻结释放的潜热可以很快散失,使其收集的液滴全部冻结.,湿生长:

收集的液滴有一部分不会冻结而保持液水状态,形成透明层.,条件是当雹块处于较暖且液水丰富的云中.,模式中通常假定,在一个网格元中只存在一种生长方式,处理方法:

分别按干,湿增长方式计算增长率,然后取其小者为当前增长方式,（a）假如为干增长,则有,其中,Ecg=1,Kcg是与qc以及Ecg的大小有关的系数,详见黄教材,同样导出霰/雹对冰晶的碰并增长率,霰/雹对冰晶的捕获系数Ecg=0.1,所以Kig=0.1Kcg,上面推导霰/雹对云滴和冰晶的碰并时都忽略了被碰粒子的下落速度.但在与过冷雨滴的碰并时,应考虑雨滴的落速.,干增长Cdry为,（b）假如为湿增长,则有,雹块湿增长的速率受到雹表面热量平衡关系的制约,设一个直径D的雹块对过冷云水,雨水和冰晶的总碰并湿收集率为,则有如下热平衡方程,由此解出单个雹块的湿收集率,对雹谱积分,可得到雹比含水量的总湿增长率,（c）比较Cdry和Cwet,选取小的一种作为当前增长方式,（4）过冷雨滴碰并冰晶形成冻滴而转化为霰,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,雨水碰并冰晶转化为霰的转换率为,3.自动转换过程,云滴凝结增长形成雨滴胚胎的过程称为云雨自动转换过程,它是在云中出现雨滴的起始过程,只有通过自动转换出现雨水以后,才会发生雨水碰并等其它雨水增长过程.,类似地冰晶长大为霰也可称为自动转换,注:

该过程只是模式中才有,不属于自然中实际存在的过程,1）Kessler（1969）云雨自动转化公式,大气所模式（见word文档）,2）冰晶自动转化为霰,Kessler方案,Cotton方案,Kessler方案:

Cotton（1972）方案:

4.核化、冻结与融化,1）冰晶的核化,Fletcher（1969）公式,自然界活化冰核浓度与温度的关系为,2）雨滴的冻结,冻结机率,Bigg（1953）,3）冰晶和霰的融化,零度以上冰晶瞬间融化,（5）繁生与破碎,碰撞机械破碎冰粒在凇附较大云滴时引起碎冰屑脱落，称为H-M机制大过冷水滴在冻结过程中发生破碎,微物理过程的非参数化方法,NJ为第J档的数浓度,