《积云数值模拟》课件

《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模拟的关键。积云数值模拟的湍流参数化理解湍流对积云发展的重要性湍流在积云内部循环、云粒子生长过程等方面发挥关键作用。准确描述湍流对流场的影响至关重要。常用湍流参数化方案如一阶紊流动能-紊流耗散速率模式、湍流闭合模式等，都可用于积云数值模拟。需根据实际情况选择合适方案。湍流参数化的数学表达湍流参数化涉及诸多经验函数和常数的确定，需要通过观测资料和大涡模拟等进行校准与验证。湍流参数化对积云模拟的影响湍流参数化直接影响对流强度、云水含量、降水过程等关键积云过程的模拟结果。需要进行敏感性分析。积云数值模拟的微物理过程1核化过程冷凝核生成和成长2云滴过程云滴汇聚和沉降3冰晶过程冰晶成核和生长4相互作用粒子间的相互作用积云数值模拟中需要考虑复杂的微物理过程,包括核化过程、云滴过程和冰晶过程等。这些过程涉及云凝结核的生成与成长、云滴的汇聚和沉降、冰晶的成核和生长,以及粒子之间的相互作用。准确模拟这些微物理过程对于提高积云数值模拟的精度至关重要。积云数值模拟的边界层参数化1边界层结构的模拟准确模拟边界层结构是积云数值模拟的关键,包括地表摩擦引起的湍流以及稳定层结的表征。需要采用适当的参数化方案来描述这些物理过程。2地表特性的表达地表粗糙度、土壤湿度、植被覆盖等地表特性会显著影响积云的发展,需要精准地表达这些特征并与边界层参数化耦合。3外推边界条件为了完整描述边界层过程,需要将模拟区域外部的大尺度环流合理地外推到计算区域边界上,为内部的积云发展提供恰当的边界条件。积云数值模拟的辐射过程1辐射传输方程描述太阳辐射和地球长波辐射在大气中的传播2短波辐射参数化考虑云、水汽、气溶胶等对短波辐射的影响3长波辐射参数化考虑温室气体和云层对长波辐射的吸收与发射4辐射能量收支评估大气和地表辐射收支平衡积云数值模拟中的辐射过程是一个关键的物理过程。它涉及描述太阳短波辐射和地球长波辐射在大气中的传播、吸收和发射等过程的参数化。通过对这些辐射过程的合理表征,可以更好地反映积云对大气辐射能量收支的影响,提高模拟结果的可靠性。积云数值模拟的地表过程1土壤热通量积云数值模拟需要考虑地表热量传输过程,包括太阳辐射加热、长波辐射冷却、感热通量和潜热通量,以准确捕捉地表与大气的热量交换。2土壤水文过程地表水分循环,如降水、蒸发、渗透等过程会显著影响积云的发展,模型需要精准描述这些过程。3地表参数化积云模拟需要输入地表组分的参数,如粗糙度、反照率、植被覆盖等特征,以刻画地表对大气过程的调节作用。积云数值模拟的数值算法控制方程求解利用有限差分或有限体积的数值算法,求解包括动量、热量和含水量在内的积云动力学控制方程,模拟积云的形成和发展过程。网格设计根据模拟的物理过程,采用柯西格点、交错网格或非结构化网格等不同的网格设计方案,以提高计算精度和效率。时间推进采用显式或隐式的时间离散格式,如中心差分、Runge-Kutta或Adams-Bashforth方法,进行时间推进,保证数值稳定性和收敛性。湍流参数化采用不同的湍流参数化方案,如K-εModel、Smagorinsky模式等,描述亚网格尺度湍流过程对网格尺度的影响。积云数值模拟的并行计算1数据分区将计算域划分为多个子域，分别在不同处理器上进行并行计算。2通信协调在子域之间进行边界信息的交换和同步。3负载均衡确保各处理器的计算负载基本平衡。4资源利用充分利用高性能计算机集群的算力资源。积云数值模拟需要大量的计算资源，采用并行计算是提高计算效率的关键。通过将计算域划分为多个子域、在子域之间进行通信协调、实现负载均衡以及充分利用高性能计算资源等措施，可以大幅提高积云数值模拟的并行计算效率。积云数值模拟的输出与可视化多样化的输出变量积云数值模拟可以输出诸如温度、湿度、风场、云量等多种物理量,为后续分析和应用提供数据支撑。动态可视化模拟过程采用图形和动画手段可以动态展示积云的发展过程,从而洞察其演化机理。丰富的可视化工具通过分层次的可视化手段,如等值线、云图、散点图等,可以对模拟结果进行全面展示和分析。积云数值模拟的验证与评估积云数值模拟是一个复杂的过程,需要对模拟结果进行严格的验证和评估。这包括模型的初边条件设置、参数化方案、物理过程的表述以及数值算法的选择等各个方面。1观测数据验证利用实测的云量、云类型、云顶高度等数据对模拟结果进行对比和评估2过程分析验证分析模拟过程中云层的发展、对流强度、降水形成等过程,确保物理过程描述的合理性3灵敏度分析系统分析各种参数对模拟结果的影响,优化参数化方案此外,还需要对模拟结果的统计特性、空间分布等方面进行全面评估,以确保积云数值模拟具有较高的可靠性和应用价值。积云数值模拟的应用1天气预报准确预测积云发展，提高天气预报精度2气候模拟研究积云对气候变化的影响3航空气象预测积云引起的湍流和冰雹等危险天气4农业气象评估积云对农作物生长的影响积云数值模拟在天气预报、气候研究、航空气象和农业气象等领域都有广泛应用。它可以帮助我们更准确地预测积云的发展过程，了解积云对气候变化和农业生产的影响。同时也可以为航空业提供关键的积云信息,提高飞行安全。积云数值模拟是一个应用前景广阔的重要技术。积云数值模拟的前沿进展1高分辨率模拟近年来,计算能力的快速提升使得积云数值模拟能够达到更高的空间分辨率,从而更准确地捕捉积云中复杂的动力和微物理过程。2偶极子对流理论新的理论框架如偶极子对流理论正在被用于改进积云参数化方案,以更好地描述积云-对流尺度相互作用。3机器学习应用机器学习技术被广泛应用于积云参数化、物理过程参数确定以及模式输出校正等方面,显著提高了积云数值模拟的准确性。积云数值模拟的挑战与展望数值算法的发展随着计算能力的不断提升,积云数值模拟需要更复杂、更精细的数值算法来描述复杂的物理过程。设计高效、稳定的数值算法是一大挑战。参数化方案的完善积云过程涉及多种物理过程的耦合,如湍流、微物理、辐射等,需要进一步完善参数化方案以更好地描述这些过程。计算资源的需求积云数值模拟需要大量的计算资源,特别是高分辨率模式下。如何利用并行计算、GPU加速等技术提高计算效率是关键所在。模型验证和评估积云数值模拟涉及大量复杂的过程,如何有效验证模型并评估其性能成为一个重要的研究方向。应用前景广阔随着模拟能力的提高,积云数值模拟将在天气预报、气候研究、农业气象等领域发挥越来越重要的作用。积云数值模拟的典型案例分析1热带对流案例分析赤道地区强对流系统的积云数值模拟,探讨热带对流的动力过程和微物理过程如何通过数值模拟得以体现。2中纬度锋面案例研究中纬度锋面系统伴随的积云活动,分析数值模拟如何捕捉锋面上的垂直运动和相关的热量、动量和湿度输送。3高原地区案例探讨高原地区复杂地形对积云发展的影响,评估数值模拟在捕捉地形诱发对流、云-辐射-地面反馈等过程方面的表现。积云数值模拟的软件工具1专业软件ARPS、WRF、GRAPES等气象数值模式2可视化工具NCL、VAPOR、ParaView等可视化软件3优化性能并行计算、GPU加速、优化算法积云数值模拟需要专业的数值天气预报模式软件作为基础。同时还需要强大的可视化处理工具,用于分析和展示模拟结果。为了提高计算性能,可以采用并行计算、GPU加速以及优化算法等方法。此外,还有一些针对特定应用的专门软件工具可供选择。积云数值模拟的数据资源1气象观测数据包括地面、上层大气、卫星遥感等2试验观测数据积云物理过程参数、实验室数据等3数值模拟结果大涡模拟、云解析模型等输出开展积云数值模拟需要大量的输入数据资源,包括来自实际观测的气象数据、各类试验观测数据,以及以往积云模拟所产生的数值模拟结果。这些数据资源为模型构建、参数化、验证提供了必要的基础信息。近年来,随着观测手段和数值模拟技术的不断进步,这些数据资源越来越丰富,为积云研究提供了坚实的数据支撑。积云数值模拟的教学资源1文献资料包含积云建模和数值模拟的相关期刊论文、专著和报告2数值模拟软件如WRF、COSMO、ICON等常用的天气预报和气候模式3案例数据集提供不同气候区域和天气条件下的积云观测数据4教学视频有关积云物理过程和数值模拟方法的教学视频资源对于从事积云数值模拟教学和研究的师生而言,拥有丰富的教学资源是非常重要的。这些资源包括积云物理过程和数值模拟方法的文献资料、常用的数值模拟软件工具、观测数据案例以及相关的教学视频等。通过充分利用这些资源,可以大大提高积云数值模拟的教学效果。积云数值模拟的学习建议1系统学习理论知识通过认真学习相关的气象学、物理学等基础理论知识,奠定扎实的理论基础,为后续的积云数值模拟学习打下良好的基础。2练习动手编程能力积云数值模拟需要大量的编程实践,建议学习者多动手撰写代码,熟练掌握相关