《積云數(shù)值模擬》課件

《積云數(shù)值模擬》課程簡(jiǎn)介本課程旨在深入探討積云數(shù)值模擬的基本原理和實(shí)踐方法。通過(guò)學(xué)習(xí)相關(guān)氣象理論、數(shù)值模擬技術(shù)以及案例分析,幫助學(xué)生全面理解積云的形成機(jī)制和演化規(guī)律,掌握應(yīng)用數(shù)值模擬手段進(jìn)行積云預(yù)報(bào)的能力。byhpzqamifhr@課程目標(biāo)1增強(qiáng)理解深入了解積云形成機(jī)理和發(fā)展過(guò)程2掌握建模學(xué)習(xí)積云數(shù)值模擬的基本方程和參數(shù)化方法3提高技能熟練運(yùn)用積云數(shù)值模擬的網(wǎng)格設(shè)置、時(shí)間步長(zhǎng)等技術(shù)4應(yīng)用能力培養(yǎng)積云數(shù)值模擬的應(yīng)用分析和驗(yàn)證評(píng)估能力本課程旨在幫助學(xué)習(xí)者深入理解積云形成過(guò)程,掌握積云數(shù)值模擬的基本原理和技術(shù)方法,提高運(yùn)用積云數(shù)值模擬進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)和氣候研究的實(shí)踐能力。課程內(nèi)容涵蓋積云數(shù)值模擬的基本方程、初邊條件、參數(shù)化方案、數(shù)值算法以及輸出可視化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)者將通過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練,全面提升積云數(shù)值模擬的理論和應(yīng)用水平。積云形成機(jī)理空氣上升由于太陽(yáng)加熱地表,地面溫度升高,帶動(dòng)空氣上升。當(dāng)空氣上升到一定高度時(shí),溫度下降至飽和點(diǎn)，出現(xiàn)水汽凝結(jié)形成小水滴。水汽凝結(jié)持續(xù)的上升運(yùn)動(dòng)使水汽凝結(jié)成云滴,這些云滴在重力作用下下墜,但上升氣流又將其帶上。云滴在上升下落之間不斷增大。對(duì)流發(fā)展隨著上升氣流強(qiáng)度和水汽量的增加,云滴不斷成長(zhǎng),最終形成強(qiáng)烈對(duì)流,發(fā)展成積云。對(duì)流過(guò)程中會(huì)釋放大量潛熱,進(jìn)一步推動(dòng)積云發(fā)展。積云發(fā)展過(guò)程1積云的形成積云的形成始于對(duì)流層下層的水汽匯聚和上升運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)輻射使地表加熱,地表熱量傳導(dǎo)到對(duì)流層,產(chǎn)生溫度梯度和濕度梯度,推動(dòng)了水汽的上升。2積云的發(fā)展隨著上升運(yùn)動(dòng)的繼續(xù),水汽冷凝形成云droplets,釋放潛熱進(jìn)一步推動(dòng)了上升運(yùn)動(dòng)。云量和云高逐漸增加,最終形成發(fā)展旺盛的積云。3積云的衰竭當(dāng)上升運(yùn)動(dòng)不再能持續(xù)供應(yīng)水汽時(shí),積云開(kāi)始消散。云量和云高逐漸減少,最終演變?yōu)闇\層積云或消失。積云數(shù)值模擬的基本方程1基本流體方程質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒2微物理過(guò)程水汽相變、凝結(jié)、冰晶生長(zhǎng)3湍流過(guò)程湍流動(dòng)力學(xué)、亞網(wǎng)格參數(shù)化積云數(shù)值模擬的基本方程包括基本的流體動(dòng)力學(xué)方程、微物理過(guò)程方程和湍流過(guò)程方程。流體方程描述質(zhì)量、動(dòng)量和能量的守恒過(guò)程;微物理過(guò)程方程描述水汽相變、凝結(jié)和冰晶生長(zhǎng)等過(guò)程;湍流過(guò)程方程描述亞網(wǎng)格尺度的湍流動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這些方程相互耦合,共同描述了積云內(nèi)部的復(fù)雜物理過(guò)程。積云數(shù)值模擬的初邊條件1初始條件積云數(shù)值模擬的計(jì)算從初始時(shí)刻開(kāi)始，需要給定溫度、濕度和風(fēng)場(chǎng)等氣象場(chǎng)。2邊界條件需確定模擬區(qū)域的側(cè)邊界和頂邊界條件，以及地表邊界條件。3外部強(qiáng)制需考慮太陽(yáng)輻射加熱、地形特征以及其他外部因素的影響。積云數(shù)值模擬的初邊條件是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確合理的關(guān)鍵。需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的初始狀態(tài)和邊界條件,同時(shí)考慮外部強(qiáng)迫因子對(duì)模擬結(jié)果的影響。這些都要經(jīng)過(guò)細(xì)致的研究和測(cè)試才能得到最優(yōu)的數(shù)值模擬。積云數(shù)值模擬的網(wǎng)格設(shè)置1網(wǎng)格類型積云數(shù)值模擬通常采用三維笛卡爾網(wǎng)格或極坐標(biāo)網(wǎng)格,根據(jù)模擬對(duì)象的幾何特點(diǎn)選用合適的網(wǎng)格類型。2網(wǎng)格分辨率網(wǎng)格分辨率直接影響模擬精度,通常需要在計(jì)算能力和所需精度之間尋求平衡。一般采用水平分辨率1-3公里,垂直分辨率數(shù)百米的網(wǎng)格設(shè)置。3網(wǎng)格坐標(biāo)設(shè)置根據(jù)模擬區(qū)域的地理位置、地形特點(diǎn)等確定合適的網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng),如地理坐標(biāo)系或局地坐標(biāo)系。同時(shí)需要設(shè)置合理的邊界條件。積云數(shù)值模擬的時(shí)間步長(zhǎng)1確定時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)模擬物理過(guò)程的特征時(shí)間尺度2穩(wěn)定性要求滿足CFL條件的時(shí)間步長(zhǎng)3計(jì)算效率在滿足穩(wěn)定性的前提下盡量大的時(shí)間步長(zhǎng)積云數(shù)值模擬的時(shí)間步長(zhǎng)的確定是一個(gè)需要平衡多方面因素的過(guò)程。首先需要根據(jù)模擬物理過(guò)程的特征時(shí)間尺度來(lái)選取初始時(shí)間步長(zhǎng)。然后需要滿足CFL條件以確保數(shù)值方案的穩(wěn)定性。最后需要在滿足穩(wěn)定性要求的前提下選擇盡可能大的時(shí)間步長(zhǎng)以提高計(jì)算效率。這需要對(duì)模擬中涉及的物理過(guò)程特征時(shí)間尺度、模型參數(shù)和數(shù)值算法等多方面因素進(jìn)行綜合考慮。積云數(shù)值模擬的參數(shù)化邊界條件參數(shù)化積云數(shù)值模擬需要設(shè)置合理的下邊界條件,如地表溫度、濕度、地面粗糙度等,對(duì)模擬結(jié)果有很大影響。微物理參數(shù)化積云內(nèi)部各種微物理過(guò)程如水汽凝結(jié)、冰晶生長(zhǎng)等,需要用參數(shù)化方案進(jìn)行描述和模擬。湍流參數(shù)化積云內(nèi)部存在復(fù)雜的湍流流動(dòng),需要采用合適的湍流參數(shù)化方案來(lái)模擬湍流對(duì)流和擴(kuò)散過(guò)程。輻射傳輸參數(shù)化積云的形成和發(fā)展受到大氣輻射過(guò)程的影響,需要設(shè)置合理的輻射參數(shù)化方案。積云數(shù)值模擬的物理過(guò)程1積云動(dòng)力學(xué)包含對(duì)流、湍流、壓力差等驅(qū)動(dòng)積云形成和發(fā)展的基本物理過(guò)程2積云微物理包括水汽凝結(jié)、雨水冰晶的生長(zhǎng)與消耗等過(guò)程3積云輻射過(guò)程包括吸收和發(fā)射的長(zhǎng)短波輻射過(guò)程4積云邊界層包括地表的感熱潛熱通量、粗糙度對(duì)積云影響的參數(shù)化積云數(shù)值模擬涉及的物理過(guò)程包括對(duì)流動(dòng)力學(xué)、微物理過(guò)程、輻射傳遞以及邊界層過(guò)程等方面。這些過(guò)程相互耦合,共同決定了積云的形成發(fā)展特征。對(duì)這些物理過(guò)程的合理參數(shù)化是積云數(shù)值模擬的關(guān)鍵。積云數(shù)值模擬的湍流參數(shù)化理解湍流對(duì)積云發(fā)展的重要性湍流在積云內(nèi)部循環(huán)、云粒子生長(zhǎng)過(guò)程等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。準(zhǔn)確描述湍流對(duì)流場(chǎng)的影響至關(guān)重要。常用湍流參數(shù)化方案如一階紊流動(dòng)能-紊流耗散速率模式、湍流閉合模式等，都可用于積云數(shù)值模擬。需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適方案。湍流參數(shù)化的數(shù)學(xué)表達(dá)湍流參數(shù)化涉及諸多經(jīng)驗(yàn)函數(shù)和常數(shù)的確定，需要通過(guò)觀測(cè)資料和大渦模擬等進(jìn)行校準(zhǔn)與驗(yàn)證。湍流參數(shù)化對(duì)積云模擬的影響湍流參數(shù)化直接影響對(duì)流強(qiáng)度、云水含量、降水過(guò)程等關(guān)鍵積云過(guò)程的模擬結(jié)果。需要進(jìn)行敏感性分析。積云數(shù)值模擬的微物理過(guò)程1核化過(guò)程冷凝核生成和成長(zhǎng)2云滴過(guò)程云滴匯聚和沉降3冰晶過(guò)程冰晶成核和生長(zhǎng)4相互作用粒子間的相互作用積云數(shù)值模擬中需要考慮復(fù)雜的微物理過(guò)程,包括核化過(guò)程、云滴過(guò)程和冰晶過(guò)程等。這些過(guò)程涉及云凝結(jié)核的生成與成長(zhǎng)、云滴的匯聚和沉降、冰晶的成核和生長(zhǎng),以及粒子之間的相互作用。準(zhǔn)確模擬這些微物理過(guò)程對(duì)于提高積云數(shù)值模擬的精度至關(guān)重要。積云數(shù)值模擬的邊界層參數(shù)化1邊界層結(jié)構(gòu)的模擬準(zhǔn)確模擬邊界層結(jié)構(gòu)是積云數(shù)值模擬的關(guān)鍵,包括地表摩擦引起的湍流以及穩(wěn)定層結(jié)的表征。需要采用適當(dāng)?shù)膮?shù)化方案來(lái)描述這些物理過(guò)程。2地表特性的表達(dá)地表粗糙度、土壤濕度、植被覆蓋等地表特性會(huì)顯著影響積云的發(fā)展,需要精準(zhǔn)地表達(dá)這些特征并與邊界層參數(shù)化耦合。3外推邊界條件為了完整描述邊界層過(guò)程,需要將模擬區(qū)域外部的大尺度環(huán)流合理地外推到計(jì)算區(qū)域邊界上,為內(nèi)部的積云發(fā)展提供恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。積云數(shù)值模擬的輻射過(guò)程1輻射傳輸方程描述太陽(yáng)輻射和地球長(zhǎng)波輻射在大氣中的傳播2短波輻射參數(shù)化考慮云、水汽、氣溶膠等對(duì)短波輻射的影響3長(zhǎng)波輻射參數(shù)化考慮溫室氣體和云層對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收與發(fā)射4輻射能量收支評(píng)估大氣和地表輻射收支平衡積云數(shù)值模擬中的輻射過(guò)程是一個(gè)關(guān)鍵的物理過(guò)程。它涉及描述太陽(yáng)短波輻射和地球長(zhǎng)波輻射在大氣中的傳播、吸收和發(fā)射等過(guò)程的參數(shù)化。通過(guò)對(duì)這些輻射過(guò)程的合理表征,可以更好地反映積云對(duì)大氣輻射能量收支的影響,提高模擬結(jié)果的可靠性。積云數(shù)值模擬的地表過(guò)程1土壤熱通量積云數(shù)值模擬需要考慮地表熱量傳輸過(guò)程,包括太陽(yáng)輻射加熱、長(zhǎng)波輻射冷卻、感熱通量和潛熱通量,以準(zhǔn)確捕捉地表與大氣的熱量交換。2土壤水文過(guò)程地表水分循環(huán),如降水、蒸發(fā)、滲透等過(guò)程會(huì)顯著影響積云的發(fā)展,模型需要精準(zhǔn)描述這些過(guò)程。3地表參數(shù)化積云模擬需要輸入地表組分的參數(shù),如粗糙度、反照率、植被覆蓋等特征,以刻畫地表對(duì)大氣過(guò)程的調(diào)節(jié)作用。積云數(shù)值模擬的數(shù)值算法控制方程求解利用有限差分或有限體積的數(shù)值算法,求解包括動(dòng)量、熱量和含水量在內(nèi)的積云動(dòng)力學(xué)控制方程,模擬積云的形成和發(fā)展過(guò)程。網(wǎng)格設(shè)計(jì)根據(jù)模擬的物理過(guò)程,采用柯西格點(diǎn)、交錯(cuò)網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格等不同的網(wǎng)格設(shè)計(jì)方案,以提高計(jì)算精度和效率。時(shí)間推進(jìn)采用顯式或隱式的時(shí)間離散格式,如中心差分、Runge-Kutta或Adams-Bashforth方法,進(jìn)行時(shí)間推進(jìn),保證數(shù)值穩(wěn)定性和收斂性。湍流參數(shù)化采用不同的湍流參數(shù)化方案,如K-εModel、Smagorinsky模式等,描述亞網(wǎng)格尺度湍流過(guò)程對(duì)網(wǎng)格尺度的影響。積云數(shù)值模擬的并行計(jì)算1數(shù)據(jù)分區(qū)將計(jì)算域劃分為多個(gè)子域，分別在不同處理器上進(jìn)行并行計(jì)算。2通信協(xié)調(diào)在子域之間進(jìn)行邊界信息的交換和同步。3負(fù)載均衡確保各處理器的計(jì)算負(fù)載基本平衡。4資源利用充分利用高性能計(jì)算機(jī)集群的算力資源。積云數(shù)值模擬需要大量的計(jì)算資源，采用并行計(jì)算是提高計(jì)算效率的關(guān)鍵。通過(guò)將計(jì)算域劃分為多個(gè)子域、在子域之間進(jìn)行通信協(xié)調(diào)、實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡以及充分利用高性能計(jì)算資源等措施，可以大幅提高積云數(shù)值模擬的并行計(jì)算效率。積云數(shù)值模擬的輸出與可視化多樣化的輸出變量積云數(shù)值模擬可以輸出諸如溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)、云量等多種物理量,為后續(xù)分析和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。動(dòng)態(tài)可視化模擬過(guò)程采用圖形和動(dòng)畫手段可以動(dòng)態(tài)展示積云的發(fā)展過(guò)程,從而洞察其演化機(jī)理。豐富的可視化工具通過(guò)分層次的可視化手段,如等值線、云圖、散點(diǎn)圖等,可以對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行全面展示和分析。積云數(shù)值模擬的驗(yàn)證與評(píng)估積云數(shù)值模擬是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,需要對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和評(píng)估。這包括模型的初邊條件設(shè)置、參數(shù)化方案、物理過(guò)程的表述以及數(shù)值算法的選擇等各個(gè)方面。1觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證利用實(shí)測(cè)的云量、云類型、云頂高度等數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估2過(guò)程分析驗(yàn)證分析模擬過(guò)程中云層的發(fā)展、對(duì)流強(qiáng)度、降水形成等過(guò)程,確保物理過(guò)程描述的合理性3靈敏度分析系統(tǒng)分析各種參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響,優(yōu)化參數(shù)化方案此外,還需要對(duì)模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特性、空間分布等方面進(jìn)行全面評(píng)估,以確保積云數(shù)值模擬具有較高的可靠性和應(yīng)用價(jià)值。積云數(shù)值模擬的應(yīng)用1天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)積云發(fā)展，提高天氣預(yù)報(bào)精度2氣候模擬研究積云對(duì)氣候變化的影響3航空氣象預(yù)測(cè)積云引起的湍流和冰雹等危險(xiǎn)天氣4農(nóng)業(yè)氣象評(píng)估積云對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響積云數(shù)值模擬在天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、航空氣象和農(nóng)業(yè)氣象等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。它可以幫助我們更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)積云的發(fā)展過(guò)程，了解積云對(duì)氣候變化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。同時(shí)也可以為航空業(yè)提供關(guān)鍵的積云信息,提高飛行安全。積云數(shù)值模擬是一個(gè)應(yīng)用前景廣闊的重要技術(shù)。積云數(shù)值模擬的前沿進(jìn)展1高分辨率模擬近年來(lái),計(jì)算能力的快速提升使得積云數(shù)值模擬能夠達(dá)到更高的空間分辨率,從而更準(zhǔn)確地捕捉積云中復(fù)雜的動(dòng)力和微物理過(guò)程。2偶極子對(duì)流理論新的理論框架如偶極子對(duì)流理論正在被用于改進(jìn)積云參數(shù)化方案,以更好地描述積云-對(duì)流尺度相互作用。3機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于積云參數(shù)化、物理過(guò)程參數(shù)確定以及模式輸出校正等方面,顯著提高了積云數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。積云數(shù)值模擬的挑戰(zhàn)與展望數(shù)值算法的發(fā)展隨著計(jì)算能力的不斷提升,積云數(shù)值模擬需要更復(fù)雜、更精細(xì)的數(shù)值算法來(lái)描述復(fù)雜的物理過(guò)程。設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定的數(shù)值算法是一大挑戰(zhàn)。參數(shù)化方案的完善積云過(guò)程涉及多種物理過(guò)程的耦合,如湍流、微物理、輻射等,需要進(jìn)一步完善參數(shù)化方案以更好地描述這些過(guò)程。計(jì)算資源的需求積云數(shù)值模擬需要大量的計(jì)算資源,特別是高分辨率模式下。如何利用并行計(jì)算、GPU加速等技術(shù)提高計(jì)算效率是關(guān)鍵所在。模型驗(yàn)證和評(píng)估積云數(shù)值模擬涉及大量復(fù)雜的過(guò)程,如何有效驗(yàn)證模型并評(píng)估其性能成為一個(gè)重要的研究方向。應(yīng)用前景廣闊隨著模擬能力的提高,積云數(shù)值模擬將在天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、農(nóng)業(yè)氣象等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。積云數(shù)值模擬的典型案例分析1熱帶對(duì)流案例分析赤道地區(qū)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的積云數(shù)值模擬,探討熱帶對(duì)流的動(dòng)力過(guò)程和微物理過(guò)程如何通過(guò)數(shù)值模擬得以體現(xiàn)。2中緯度鋒面案例研究中緯度鋒面系統(tǒng)伴隨的積云活動(dòng),分析數(shù)值模擬如何捕捉鋒面上的垂直運(yùn)動(dòng)和相關(guān)的熱量、動(dòng)量和濕度輸送。3高原地區(qū)案例探討高原地區(qū)復(fù)雜地形對(duì)積云發(fā)展的影響,評(píng)估數(shù)值模擬在捕捉地形誘發(fā)對(duì)流、云-輻射-地面反饋等過(guò)程方面的表現(xiàn)。積云數(shù)值模擬的軟件工具1專業(yè)軟件ARPS、WRF、GRAPES等氣象數(shù)值模式2可視化工具NCL、VAPOR、ParaView等可視化軟件3優(yōu)化性能并行計(jì)算、GPU加速、優(yōu)化算法積云數(shù)值模擬需要專業(yè)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式軟件作為基礎(chǔ)。同時(shí)還需要強(qiáng)大的可視化處理工具,用于分析和展示模擬結(jié)果。為了提高計(jì)算性能,可以采用并行計(jì)算、GPU加速以及優(yōu)化算法等方法。此外,還有一些針對(duì)特定應(yīng)用的專門軟件工具可供選擇。積云數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)資源1氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)包括地面、上層大氣、衛(wèi)星遙感等2試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)積云物理過(guò)程參數(shù)、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)等3數(shù)值模擬結(jié)果大渦模擬、云解析模型等輸出開(kāi)展積云數(shù)值模擬需要大量的輸入數(shù)據(jù)資源,包括來(lái)自實(shí)際觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)、各類試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù),以及以往積云模擬所產(chǎn)生的數(shù)值模擬結(jié)果。這些數(shù)據(jù)資源為模型構(gòu)建、參數(shù)化、驗(yàn)證提供了必要的基礎(chǔ)信息。近年來(lái),隨著觀測(cè)手段和數(shù)值模擬技術(shù)的不斷進(jìn)步,這些數(shù)據(jù)資源越來(lái)越豐富,為積云研究提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。積云數(shù)值模擬的教學(xué)資源1文獻(xiàn)資料包含積云建模和數(shù)值模擬的相關(guān)期刊論文、專著和報(bào)告2數(shù)值模擬軟件如WRF、COSMO、ICON等常用的天氣預(yù)報(bào)和氣候模式3案例數(shù)據(jù)集提供不同氣候區(qū)域和天氣條件下的積云觀測(cè)數(shù)據(jù)4教學(xué)視頻有關(guān)積云物理過(guò)程和數(shù)值模擬方法的教學(xué)視頻資源對(duì)于從事積云數(shù)值模擬教學(xué)和研究的師生而言,擁有豐富的教學(xué)資源是非常重要的。這些資源包括積云物理過(guò)程和數(shù)值模擬方法的文獻(xiàn)資料、常用的數(shù)值模擬軟件工具、觀測(cè)數(shù)據(jù)案例以及相關(guān)的教學(xué)視頻等。通過(guò)充分利用這些資源,可以大大提高積云數(shù)值模擬的教學(xué)效果。積云數(shù)值模擬的學(xué)習(xí)建議1系統(tǒng)學(xué)習(xí)理論知識(shí)通過(guò)認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)的氣象學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)理論知識(shí),奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ),為后續(xù)的積云數(shù)值模擬學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。2練習(xí)動(dòng)手編程能力積云數(shù)值模擬需要大量的編程實(shí)踐,建議學(xué)習(xí)者多動(dòng)手撰寫代碼,熟練掌握相關(guān)