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第1页，共39页，编辑于2022年，星期五 一、数值模式中云的微物理过程 动力学方程组中与微物理过程有关的项有： 1）运动方程中的拖带力。 2）热量方程中相变过程的热力作用。 3）水汽方程中相变过程改变了水汽的含量。 第2页，共39页，编辑于2022年，星期五 微物理过程处理的方法 1）参数化方法：考虑云中粒子的总体特征 2）详细描述方法：各种粒子分档 第3页，共39页，编辑于2022年，星期五 微物理过程参数化 基本概念： 云雨粒子分类：云滴、雨滴、冰晶、霰、雪、雹。 第4页，共39页，编辑于2022年，星期五 微物理过程参数化 比含量定义 式中，mJ 为某种粒子的质量；ma 空气的质量。类似比湿的定义 优点：在模式计算中，避免了空气密度的计算。 第5页，共39页，编辑于2022年，星期五 微物理过程参数化 守恒方程 第6页，共39页，编辑于2022年，星期五 云中粒子的定义 暖云： 云滴（D<100μ）；雨滴（D?100μ） 冷云： 云滴（ D<100μ）；雨滴（D?100μ） 冰晶（ D<100μ）；霰、雪、雹（D?100μ） 第7页，共39页，编辑于2022年，星期五 粒子间相互转化的物理过程 水汽 云水 雨水 降水 凝结 蒸发 自动转化 碰并 蒸发 冰晶 活化 凝华 升华 雪霰雹 自动转化 碰并 升华 淞附 冻结 融化 淞附 碰并 冻结 融化 第8页，共39页，编辑于2022年，星期五 粒子谱分布 云滴：?c＝2 雨滴：?R＝0 雹、霰：?g＝0 冰晶：?i＝2 第9页，共39页，编辑于2022年，星期五 若雨水比含量为qr 单参数法：给出N0R，由qR的含量决定谱型，简单，有误差。 双参数法： N0R不给定，给出总浓度N的预报方程，由N0R和qR共同决定谱型。 第10页，共39页，编辑于2022年，星期五 粒子下落末速度 单个雨滴 单个霰、雹 第11页，共39页，编辑于2022年，星期五 群滴下落末速度 质量加权末速度；MDJ为直径D的单个的J类粒子质量；NJ为谱分布 第12页，共39页，编辑于2022年，星期五 凝结、蒸发过程 1、云滴： 单滴凝结公式谱积分求解的缺陷：水汽含量下降很快，潜热释发增温，导致不饱和。 解决方法：平衡处理法： 第13页，共39页，编辑于2022年，星期五 平衡处理法 在凝结、蒸发计算前，温度为T* 比湿为q*；凝结水量为?后，达到平衡。 有关系式 Teten公式 可得： 第14页，共39页，编辑于2022年，星期五 平衡处理法 设L/(cp?)是小量，对qvs(T*+ L/(cp?))做泰勒展开，取一阶近似有： 精确解可以用迭代法求解 第15页，共39页，编辑于2022年，星期五 平衡处理法 ?为空气过饱和时通过凝结过程使得空气中水汽达到饱和时所凝结出的水汽量 当?<0，空气不饱和，? ? ? 为通过蒸发过程使得空气达到饱和时所需要蒸发的液水量 当云水qc < ?时， qc＝0，即云水全部蒸发 第16页，共39页，编辑于2022年，星期五 雨滴的蒸发 雨滴浓度比云滴小的多，尺度比云滴大很多。 雨滴不计算凝结过程，在不饱和空气中，若云、雨共存，先计算云滴蒸发，云滴完全蒸发后，再计算雨滴蒸发。 第17页，共39页，编辑于2022年，星期五 单个雨滴的蒸发公式 群雨滴的蒸发公式 霰、雹等，凝华增长远小于碰并增长，故只考虑升华过程 第18页，共39页，编辑于2022年，星期五 冰晶的凝华增长 质量mi形状为C的冰晶 加上淞附热量平衡 有： 第19页，共39页，编辑于2022年，星期五 碰併过程 只考虑各类粒子下落来速度不同而发生的重力碰併。 1）雨滴碰併云滴的生长 单个雨滴在云水含量qc的云中下落时，其质量增加率为： Erc为碰并效率（系数） 第20页，共39页，编辑于2022年，星期五 雨滴碰併云滴的生长 不足之处，Erc为定值使的碰併的云水量过大，不真实。 第21页，共39页，编辑于2022年，星期五 冰晶结凇增长 冰晶对过冷云滴的碰併 实验发现，结凇对冰晶的尺度有要求，也与过冷水含量有关 临界淞结尺度： D>200μ qc>10-5 第22页，共39页，编辑于2022年，星期五 霰、雹结凇增长 干生长：雹块处于较冷，过冷水滴较少的云中，冻结潜热很快散失，形成雹块的不透明层。增长率由碰併水量来决定。（不考虑热量平衡问题） 同理可以计算雹对冰晶的碰并率 对与对于霰碰併雨滴，应考到不同雨滴大小霰粒子之间的相对运动 。 第23页，共39页，编辑于2022年，星期五 霰、雹结凇增长 湿增长：雹块处于较暧且液水丰富的云中，有一部分收集到的液水不会冻结而保持液体状态，在雹块中形成透明层，此时要考虑热量平衡。 假定：在一个格点上，只存在一种