PDF《关于发展人工影响天气数值模式的一些问题》

2 人工影响天气模式的特点 人工影响天气数值模式的特点是由人工影响天 气对模式功能的要求决定的.人工影响天气中期望 得到伴随天气系统的云系( 体) 结构( 初始状态) 及演 化路径( 变化进程和终态) , 在此基础上视情况来施 加人工影响使其向减灾增益方向转化.而云系结构 和演化路径是云系( 体) 宏观动力学与云 降水物理 学相互作用的结果, 因而数值模式应该具有对宏、 微 观过程及相互反馈的描述接近自然的能力.需要强 调的是这里所说的云系结构及演化是直接细致的描 述, 不是云 降水过程的总体效应.在气候模式中最 关心的是云的辐射效应和水凝物相变潜热多少和垂 直分布, 可以不关心空中云的具体状况, 只要把握好 总体效应即可.然而, 一般天气模式关心的是降水 量, 并不一定要掌握空中云状况, 只要把握好地面降 水强度和分布就行. 综上所述, 人工影响天气数值模式有其自身特 点, 与其他数值模式( 天气、 气候、 环境、 单一云 降水 微物理模式) 有显著的差别.其他模式通常只关注 云场、 地面降水、 云微物理、 潜热加热廓线等, 而人工 影响天气模式需关心云场的结构、 空中云 降水粒子 场, 追踪云粒子场的结构及演化路径等.因此, 人工 影响天气模式需要显式描述云.然而, 云的结构和 演变是云宏观场与云微物理场相互作用的结果, 不85 崂 樽崞笱П

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1 ) 能靠简单或者固定的参数化来描述.因此, 这对人 工影响天气模式动力 热力框架和云 降水物理的显 式描述功能要求更加严格.

3 对人工影响天气模式功能的总体要求 对大气精细结构的描述需要准确又保真的动力 描述功能来支撑.即需要完全的三维动力方程组、 保真的差分计算格式、 高时空分辨率适配的物理过 程、 合适的初边条件、 在分叉点有智能辨别演变途径 的云 降水物理过程等功能, 这些是人工影响天气数 值模式的关键点. 云中水凝物的相态和空间分布是人工影响天气 重点观察的重要参数.因此, 人工影响天气模式应 该能够合理地反映水凝物的主要演变特征, 同时能 够提供最佳撒播的定量条件和追踪撒播云的演变. 此外, 模式能够提供丰富的诊断物理量, 为撒播效果 的检验和评估提供参考.

4 实现总体要求的具体内容 4.

1 完全的三维动力方程组 大气运动是三维的, 所以数值模式中大气运动 也应当是三维的.由于计算机能力的限制, 数值模 式发展早期通常采用了一维( ) 和二维( , ) 模式. 然而, 这种考虑计算量问题所做的降维处理会引起 一系列的歪曲.不能正确地考虑风场, 歪曲了水平 气流的辐合作用.一维模式难以考虑水平气流的作 用, 二维模式也只能描述一个正反方向上的水平运 动, 不能描述水平转动流, 且二维模式限制了环境风 场与对流环流的能量交换.因此, 要正确地描述大 气的各种现象, 数值模式应当采取三维结构.如上 所述, 大气现象通常是三维的, 在云尺度强对流现象 的研究中尽可能多的考虑大气的 可压 缩性 是有 益的, 发展一套可压缩大气的三维云尺度模式是十分 必要的.因此, 模式方程组应当是尽量不再简化( 或 非为提高功能而进行的转化) 的、 完全的、 含有三相 水物质的大气运动方程组. 大气运动方程可以采用欧拉式和拉格朗日式两 种表达方式.选用哪种形式更好些呢?自然云的图 像应当是在宏观动力、 热力、 水汽场框架下, 一群水 凝物粒子一边运动一边增长.水凝物粒子群运行状 态由动力流场和粒子的运动特征( 末速和影响末速 的质量、 形状、 表面粗糙度等) 决定, 而增长状态则由 水汽、 水凝物场和热力场决定.虽然粒子是成群存 在的, 但每个粒子的运动是由粒子本身的物性来控 制的.大粒子的运动主要受自身属性和环境场的影 响, 而小粒子还可能受到大粒子运动的影响, 但粒子 间近距离相互作用在计算物理和实验测量上都是难 题.一般情况下, 假定单个粒子的运动不受周围同 类粒子的约束.尽管 水 凝物 粒 子场 是一个不 连续场, 但不是一个动力断裂场, 不会阻拦云中宏、 微观 场的相互作用.为了尽可能地使数值模式结果接近 实际大气运动的物理图像, 可以做下列的选择: 云的 宏观场, 用欧拉式来描述, 对于可作为连续场处理的 云水粒子背景场用半拉格朗日式来描述, 而对降水 性粒子群用全拉格朗日式来描述( 许焕斌等,