第四章中尺度模式的物理过程2
(完整版)强对流天气的中尺度分析
700hPa湿度场 •干线（露点锋） ：相邻 两站的露点温度相差10℃ 以上时，沿湿度梯度最大 处分析干线 •显著湿区：T-Td≤5℃， 从1℃开始 •干舌
以2013年3月23日南方强对流天气为例
700hPa中尺度分析综合图
以2013年3月23日南方强对流天气为例
850hPa（925hPa）分析
➢ 风场：切变线（辐合线） 、低空急流、 显著流线 ➢ 温度场：暖脊（温度脊）、T850-T500大值区 ➢ 湿度场：干线（露点锋）、湿舌
850hPa风场 •最大风速带（急流） •辐合区（切变）
以2013年3月23日南方强对流天气为例
低空急流（LLJ） •12-13m/s,有弱对流 •13-17m/s,有中等对流 •18m/s以上,有强对流
•显著湿区：T-Td≤5℃
•湿舌
•干线：相邻两站的露 点温度相差10℃以上时， 沿湿度梯度最大处分析 干线（露点锋）。
低空湿度（露点）
•≤8℃,有弱对流
•9-12℃,有中等对流
•＞12℃,有强对流
850hPa中尺度分析综合图
以2013年3月23日南方强对流天气为例
700hPa分析
➢ 风场：低空急流、 切变线（辐合线）、 显著流线
7．不满足静力平衡
在强烈发展的对流云附近，静力学关系不适用。在云中，特别是上升 气流和下沉气流强的地方，静力学关系更不能用。
强对流天气的定义
强对流天气定义(美国)：
直径1.9cm以上的冰雹、除了水龙卷之外的所有龙卷、 阵风25.7m/s以上的雷暴大风;
极端强对流天气：5cm以上冰雹，F2级以上龙卷， 33m/s以上雷暴大风；
展望
天 中短期预报
中尺度对流系统物理过程
中尺度对流系统物理过程【原创版】目录一、引言二、中尺度对流系统的概念和特征1.概念2.特征三、中尺度对流系统中的物理过程1.对流参数化方案2.对流动量传输（CMT）3.CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的作用四、结论正文一、引言中尺度对流系统是指在对流层内，水平尺度在 100-1000km，垂直尺度在 1-10km 的大气系统。
这些系统在气象学中具有重要的地位，因为它们与天气尺度系统和积云对流之间起着至关重要的连接作用。
对流系统物理过程的研究有助于我们深入了解大气运动和天气演变的机制。
二、中尺度对流系统的概念和特征1.概念中尺度对流系统是在气象学中研究的一种大气系统，主要涉及对流层内的大气运动。
这些系统在水平和垂直方向上的尺度都比天气尺度系统小，但比积云对流大。
中尺度对流系统可以包含多种对流形态，如层云、积雨云、雷暴等。
2.特征中尺度对流系统具有以下特征：（1）水平尺度在 100-1000km 之间；（2）垂直尺度在 1-10km 之间；（3）系统内的对流过程较为复杂，包含多种对流形态；（4）在气象学研究中具有重要的地位，因为它们与天气尺度系统和积云对流之间起着至关重要的连接作用。
三、中尺度对流系统中的物理过程1.对流参数化方案在对流系统中，对流参数化方案是描述对流过程的重要方法。
传统全球模式（GCM）的对流参数化方案基于云的深对流结构，因此产生的对流动量传输（CMT）只有降尺度的效果。
有组织的对流通过水平动量的垂直传输，与大尺度环境流场交换能量的过程，称为对流动量传输（CMT），它在天气尺度系统和积云对流之间起着至关重要的连接作用。
2.对流动量传输（CMT）对流动量传输（CMT）是指有组织的对流通过水平动量的垂直传输，与大尺度环境流场交换能量的过程。
CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的作用尤为重要，因为它可以通过垂直传输过程将能量从次网格向大尺度传播，出现在有组织的深对流中。
3.CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的作用通过一个给定的切边环境场的数值模拟研究，可以看到 CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的升尺度（upscale）过程。
中尺度 复习资料
1.背风波：当风速随高度增大时，则可在背风坡出现波动气流，这种波动成为背风波。
2.多单体雷暴：由一些处于不同发展阶段的生命期短暂的对流单体组成，是具有统一环流的雷暴系统3.龙卷风暴：产生龙卷的强风暴系统称为龙卷风暴。
4.温带飑线：为—种带(或线)状中尺度系统,是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线)。
其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速、气压、温度等突变的狭窄强对流云带。
为破坏力严重的灾害性天气。
5.对流复合体（MCC）：指由若干对流单体或孤立对流系统及其衍生的层状云系所组成的对流系统，其空间尺度和时间尺度具有幅度很广的谱。
最简单的是二维的线状对流系统，最大而复杂的是一种具有近于圆形团状结构的MCC这两种系统位于对流复合体波谱的两端。
6. 对称不稳定：在流体静力、地砖平衡且具有水平切变的情况下，浮力和旋转会共同起作用，这两种效应会导致一种新的浮力惯性不稳定，即对称不稳定，对称不稳定是中尺度雨带与雨团形成的主要不稳定机制。
7.条件性不稳定:对干空气是静力稳定的，而对饱和湿空气静力不稳定的情况。
8.对流性不稳定：不论气层原先的层结性如何，在其被抬升达到饱和后，如果是不稳定的则称对流性不稳定。
9.第二类条件性不稳定：大尺度流场通过摩擦边界层的抽吸作用，为积云对流提供了必须的水汽辐合与上升运动，反过来积云对流释放凝结潜热又成为驱动大尺度扰动所需要的能量，于是小尺度积云对流和大尺度流场通过相互作用，相辅相成的都得到了发展。
这种通过不同尺度运动的相互作用使对流和大尺度流场不稳定增长的物理机制称为第二类条件性不稳定。
10. 超级单体风暴：直径达20~40km 以上，生命期达数小时以上，即比普通的成熟单体雷暴更巨大、更持久、天气更猛烈的单体强雷暴系统。
它具有近于稳定的、高度有组织的内部环流，并且连续地向前传播可达数百公里。
11. .暖输送带：在槽前辐合区的边界上通常可以看到一支狭长的云带。
第4章 尺度分析与方程组的简化
（2） 准静力平衡；
（3） 准不可压（即准三维无辐散）流体；
（4） 准定常运动；
（5） 惯性力和水平气压梯度力起主要作用，水平科氏力相对不重要。
2. 一级简化方程组 一级简化：不仅保留方程组中量级最大项，而且还保留比最大项小一个量级的项，更小的项仍舍 去。
2.1 大尺度一级简化方程组 由（4.5）～（4.9）式，根据一级简化的定义，得：
3. 特征尺度 同一类型的大气运动的同一物理量具有大致相同的数量级，用它去度量该物理量，差不多为 1，
则称该物理量的数量级为其特征尺度，简称尺度（以 10 的次方表示）
1
编著、主讲：成都信息工程学院大气科学系 李国平教授 制作：地球信息系统软件工作室 徐进明、李国平
各种特征尺度的记号： 水平尺度：L（对波动，L 取为 1/4 波长；对涡旋，取为半径或直径） 垂直尺度：Z（取为系统厚度）
⋅ m−1
，
Ρ=105 Pa = 103 mb (hPa)，
大尺度运动： O (ω ) = 10−1 Pa ⋅ s−1 = 10−3 hPa ⋅ s−1 ， O (ζ ) = 10−5 s−1 ； O ( D) = 10−6 s−1 。
5. 尺度分析法 基本假定： （1）速度（水平和垂直）变化尺度与速度尺度相同，即：
中尺度天气系统的特征
26
END
27
10
1. 早期的经验分类
天气系统——大尺度、中尺度和小尺度 空间尺度分别为：106m、105m和104m 时间尺度对应为：105s、104s和103s
11
2. 依据物理本质对天气系统进行分类
（动力学分类方法）
• Emanuel（1983）依据无量纲数罗斯贝数Ro和拉格朗日
时间尺度T的尺度分类，其中 Ro 2 fT
在西风切变环境中典型涡 管与对流单体相互作用的 示意图
(a) 初始阶段：此时涡管在上 升气流的作用下形成一对涡偶
(b) 分裂阶段：此时分裂的上 升气流使得涡管向下倾斜， 形 成下沉气流，出现两对涡偶。
其中左上角图示为环境风分布、 柱状箭头表示风暴相对气流的 方向，粗实线代表涡线，环状 箭头表示旋转，阴影箭头表示 促使上升气流和下沉气流发展 的外力，垂直方向上的虚线区 为降水区。
1) 空间尺度范围广，生命周期跨度大； 2) 气象要素梯度大； 3) 散度、涡度与垂直速度； 4) 非地转平衡和非静力平衡； 5) 质量场和风场的适应； 6) 小概率和频谱宽、大振幅事件
16
中尺度大气运动的基本特征
1）空间尺度范围广，生命周期跨度大 按照Orlanski的划分标准，中尺度系统的水
平尺度在2km～2000km之间，时间尺度为几十分钟 至几天之间。
着重要作用。
23
§1.4 中尺度运动方程组
du 1 p fv
dt x
•
运动方程：
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g
dt z
Hale Waihona Puke 忽略湍流扩散的 大气动力学和热 力学基本方程组
• 连续方程： d ( u v w) 0
(完整版)4-2014-09-中尺度-重力波G
3）纬向气流制造项
西风：在不均匀的地转偏 向力作用下转变为带辐合 的北风；
力向内，制造辐 负涡度：在地转偏向力的 东风：在不均匀的地转偏
合；
作用下转变为辐合气流； 向力作用下转变为带辐散
的南风；
在重力位势中心附近的 气压梯度力（用箭头表 示）的分布
旋转流场中地转偏向 力的分布（地转偏向力 用粗箭头表示）
D 2 f 0
t
t
p
V•
p
C2 p2
R Cp p
dQ dt
0
涡度的变化机理（个别变化）
d fD v f ,
dt
y
1）散度制造项
在地转偏向力的作用下，辐 合流场转化为气旋式旋转流 场（正涡度）；辐散流场转 化为反气旋式旋转流场（负 涡度）
中尺度气象学
Mesoscale Meteorology
（4）
寿绍文 南京信息工程大学大气科学学院
201４.0９
第三章 自由大气中的重力波
§3.1 §3.2 §3.3 重力波的结构及其对天气的影响 §3.4 重力波的发生发展
§3.1 重力波的观测特征及天气背景
重力波是静力稳定大气受到扰动后产生的振荡的传播
g
dz
z zdz 1 g z2
0 dt
z 0
2 z
1 U
2
z 2
1
g
z 2
8 z
2 z
Ri g z 1
U z2 4
热成风调整与重力波的发生发展
V
中小尺度气象学总结
第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。
②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。
（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。
Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。
范围很宽。
性质不同。
（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。
（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。
大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。
大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。
中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。
第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。
3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。
驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。
中尺度数值模拟
一、名词解释差分近似的收敛性：在模式的计算域内，在固定时间n∆t 后，当∆t，∆x→0时，在整个计算域内max{|u i n−u(i∆x,n∆t)|}→0。
混淆误差：指由于有限网格不能正确地分解短波而造成的误差。
计算的稳定性：给定初始值，计算的解随着时间步长（趋于∞时），是有界的。
差分近似的一致性（相容性）：当∆t，∆x→0时，差分系统应等同于微分方程。
模式中的动力框架：包括建立相适应的大气动力方程组、确定垂直坐标系和选择合理的离散化的方法（差分还是谱分析）。
物理过程：主要包括3个，即云物理过程参数化、边界层物理过程参数化和太阳辐射过程参数化。
资料同化：即把不同时刻、不同地区、不同类型的观测资料与常规资料融合，通过一定的预报模式，使之在动力和热力上协调起来，求得质量场和流场基本平衡的理想的初始场。
客观分析：利用模式构造一个背景场，再把测站资料插值到该背景场的格点上，然后做质量检验并对其进行初始化。
是整合检错，质量控制，合理插值的综合过程。
Lax等价性原理：对于一个适定的初值问题和它的一个具有相容性的差分格式，其计算稳定性是收敛性的充分必要条件。
CFL条件：显式格式稳定性的必要要件，c∆t/∆x≤1，其中C为所考虑的最快波的波速。
不同离散方法中模式的精度：对于差分方法，格距越小，分辨率越高；对于谱方法，截断系数越大，分辨率越高。
二、数值模式由哪几个部分组成？1、前处理：包括客观分析等，给主模式一个合理的适应模式的初始条件。
2、动力框架、物理过程3、后处理：模式输出的资料的处理，以供应用。
MM5模式有哪些优点？(1)多重嵌套和移动嵌套功能；(2) 非静力动力模式(3) 四维同化能力；(4) 齐全的物理选项；(5)可以多平台、多系统运行(6) 易操作性。
MM5模式有几个模块组成，各自的主要功能是什么？MM5共有8个模块。
（1）TERRAIN模块：对经纬度网格的地形资料和路面特征参数资料进行插值。
（2）REGRID模块：对分析场资料进行插值，形成标准等压面上的初值场。
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Due to the complication of the problem, cumulus parameterization still proposes a challenging problem in mesoscale modeling.
To parameterize the interaction between cumulus clouds and their environment, we must determine the relationship between cumulus convection and its larger-scale environment.
Lin, Farley, Orville（1983） Reisner等(1998) Hong,Dudhia,Chen(2004) Thompson,Rasmussen,Manning(2004)等文章。
显式水汽方案（IMPHYS） 可分辨云物理方案、云微物理方案
Klemp and Wilhelmson (1978)
总体微物理参数化(b参数化
对于冷云（cold cloud），有六种物质：水汽（qv）、云水 （qc）、雨水（qr）、云冰（qi）、雪（qs）、霰（qg）。 其中云水、云冰无下落未速；而雨水、雪、霰具有下落未 速。 详细的冷云微物理参数化可参看
Dq v C Dt
Dqc C Dt
其中 C 代表凝结蒸发率，当 C 0 水汽凝结成云水； 当 C 0 云水蒸发成水汽。
总体微物理参数化(bulk)
②有降水的暖云。需要考虑水汽、云水、 雨水三种水物质。 这时更多的云微物理源汇项加到等式的右 边，包括云水的凝结蒸发、雨水的蒸发、 云水自动转化成雨水（autoconversion）、 云水被雨水收集(accretion)等。 此外，雨水方程中还要加上下落项。
1．干（DRY） 不含水汽预报。水汽为0 2．稳定性降水 (Stable Precip) 非对流性降水。移除大尺度的饱和立即形成降雨。不考 虑降水蒸发或是显式云的预报。以前称大尺度凝结法 3．暖雨（Warm Rain） – 运用微物理过程显式预报云和雨水场。没有冰相过程。 4．简单冰（Simple Ice）在不增加内存存储的情况下，把冰相过程加入到上述暖 云方案中。不存在过冷水，在冰冻层以下雪迅速融化。
分档微物理参数化多见于云模式，由于计算量 太大，还没有用于实时数值天气模式。
总体微物理参数化
云水（cloud water） 云冰(cloud ice) 雨水(rain water) 雪(snow) 霰/雹(graupel/hail)
每种水物质有单独的连续方程。 水物质方程的个数反映的不同类型， 如对于暖云，只考虑水汽（qv），云水（qc）和雨水（qr）; 对于冷云，还需要云冰（qi）、雪（qs）、霰（qg）。
（2）KUO方案 Kuo 1965(郭晓岚) Kuo 1974 Anthes 1977
Cumulus Parameterization
Atmospheric heat and moisture/cloud tendencies Surface rainfall
Even though most individual cumulus clouds have horizontal scales smaller than mesoscale model grid mesh, the collective effects of cumulus clouds, such as the convective condensation and transport of heat, moisture, and momentum, on the larger scale environment are essential and need to be represented by grid-scale variables. On the other hand, the large-scale forcing tends to modulate the cumulus convection, which in turn determines the total rainfall rate. The representation of these processes is carried out by the cumulus parameterization schemes. (CPS)
湿过程的处理可分为两类：
1、云微物理参数化。又分为： （a）分档微物理参数化（Spetral or bin） （b）总体微物理参数化（bulk） 2、积云参数化
（spetral or bin） 分档微物理参数化
每种水物质，有基于每一种的质量守恒方程， 而每种水物质又按它们的大小分成不同档。 Orville（1980），包括50至100个方程； 中科院大气所郭学良将冰雹分成21档； 台湾大学陈正平将暖云分档。
四、Parameterization of Moist Processes 湿过程参数化
四、Parameterization of Moist Processes 湿过程参数化
在微物理和核化过程的参考书： Cotton, Anthes (1989) Houze (1993) Pruppacher and Klett (1997) 积云参数化方面的参考书 Haltiner and Williams （1980） Pielke (2002) Kalnay (2002) 张大林. 各种非绝热物理过程在中尺度模式中的作用[J]. 大气科 学 , 1998,22(04) ，548-561 楼小凤,胡志晋等. 中尺度模式云降水物理方案介绍[J]. 应用气象 学报,2003,(S1).
qv，qc，qr qv，qc(qi)，qr(qs) qv，qc，qr，qi，qs qv，qc，qr，qi，qs，qg qv，qc，qr，qi，qs，qg
Lin,Farley,Orville (1983)
Lin,Farley,Orville (1983)
Rutledge and Hobbs 1984
其中：云水、云冰无下落未速；而雨水、雪、霰具有下落 未速。 参看Orville（1980） Lin（林玉郎）, Farley, Orville（1983）的经典文章。
总体微物理参数化(bulk)
①对于无降水的云，仅考虑水汽（qv）和云水（qc） 由于总水量守恒，水汽（qv）和云水（qc）的 连续方程可写为：
积云参数化
（1）对流调整方案
a）硬调整 Manabe 1965 b）软调整 Mlyakoda etal 1969 Kurihara 1973 c）BM方案 Betts and Miller 1986
（3）Fritsch-chappell 1980 Fritsch & Kain 1993 Kain 2003 （4）Grell 1994 Seaman 1999 Arakawa-Schubert 1974 （5）Seaman 1996 浅对流参数化
Cumulus parameterization schemes may be divided into schemes for large-scale models (x 50km; t O(min)and schemes for ) mesoscale models ( km x 50km; t O(min)) 10 For models having grid spacing less than 10 km, microphysics parameterization schemes are more appropriate and often employed.
All CPS have two basic elements (Molinari and Dudek, 1992).
namely, a cloud model that determines how convection affects the environment and a closure problem that governs how the environment controls the convection. The former requires the creation of sub-grid implicit clouds, which vertically transport heat, water vapor, and other quantities, generally in the absence of grid-scale saturation
显式水汽方案（IMPHYS） 可分辨云物理方案、云微物理方案
5．混合相（Mixed-Phase）（Raisner）把过冷水加入到上述方案中，同时允许雪的缓慢融化。对于 云冰和云雪的计算需要增加内存。没有霰和凇附过程。详细 内容参见Reisner等（1993，1996） 6．Goddard微物理过程 – 包含用于预报霰的附加方程。适用于云分辨模式。详细内容 参见Lin等（JCAM，1983），Tao等（1989，1993）。 7．Reisner霰 – 基于混合相方案，但是加入了霰和冰的数量浓度预报方程。 也适用于云分辨模式。 8．Schultz的微物理过程 – 一个高效的简单方案（基于Schultz 1995，并对其作了一些改 变）。该方案运行较快且宜于在实时预报系统中调试。它包 含了冰和霰/雹过程。
Reisner J, Rasmussen RM, Bruintjes RT (1998)