发展高分辨区域中尺度天气预报模式是改进暴雨落区预报的一个重要途径。区域中尺度模式空间分辨率达到100 m,对当前计算资源提出了严峻挑战。一种可行的解决方案是发展滤除声波的模式替代全弹性模式。滤除声波的模式可以使用较大的时间步长积分,能显著提高积分效率。作者在2018年利用一种声波滤除理论——假不可压理论,初步在地形追随质量坐标系(η坐标系)下建立了假不可压模式。数值试验表明模式的结果是合理可信的,然而关键问题是没有滤除声波。本文改进了假不可压模式,建立新的假不可压模式干动力框架。新动力框架控制方程的关键改进是使用椭圆方程求解扰动气压,理论上保证了声波的滤除。新动力框架的时间积分方案更简洁,不使用时步分裂算法。对比改进的假不可压模式和WRF(Weather Research and Forecasting)模式的干热泡对流数值试验结果,发现假不可压模式获得了与WRF模式相似的动力场和热力场分布,且模拟的气压扰动时间序列平滑,说明声波已被滤除,相比2018版本的假不可压模式,这是较大的改进。
滤除声波的大气运动方程中不包含声波,基于滤除声波方程建立的数值模式可以用较大的时间步长进行数值积分。Durran在1989年提出了一种新的滤除声波的方法,命名为"假不可压"方程,该方程考虑了温度扰动引起的密度变化,忽略了气压扰动引起的密度变化。本文根据Durran提出的假不可压理论,推导出了一组地形追随坐标下的通量形式的假不可压方程。该方程在形式上与WRF(Weather Research and Forecasting)模式中ARW(Advanced Research WRF)动力框架的控制方程非常接近。我们进一步将推导出的假不可压控制方程改写到了WRF模式中,建立了基于WRF模式框架的假不可压模式。用构建的假不可压模式和WRF模式做了两组对比试验:湿热泡对流试验和重力流试验。比较两种模式的模拟结果,可以看出假不可压模式的模拟结果与WRF模式的模拟结果非常接近,说明在WRF模式框架下建立的假不可压模式是合理可信的。
观测和分档方案的数值模拟都证明气溶胶的谱分布特征对云滴谱的演变有直接影响继而作用于降水的发展。目前广泛使用的总体双参数云滴谱方案因为表征云滴谱的预报量不足,在凝结过程中云滴谱呈不正常的拓宽现象。因此在参数化方案中,气溶胶谱对云滴谱的影响未有明确结论。中科学院大气物理研究所(IAP)云降水物理与强风暴重点实验室(LACS)新研发的三参数方案(IAP-LACS)通过增加的预报量克服了云滴谱的拓宽问题,提高了云滴谱模拟的准确性。为了研究在参数化方案中气溶胶谱分布特征对云滴谱的影响,本文采用新方案进行WRF(Weather Research and Forecasting mode)大涡理想性试验,验证了新方案中气溶胶对数正态谱函数中数浓度、几何半径和标准差3个参量对云滴谱演变的影响。针对3个参量的敏感性试验表明新的气溶胶活化方案和三参数云滴凝结增长方案能够描述气溶胶谱对云滴谱演变的影响规律:气溶胶数浓度对云滴谱影响最显著,数浓度越高活化生成的云滴数量越多,云滴半径越小,云滴谱趋向窄谱,气溶胶数浓度低时,云滴数量少、半径大。较大的几何半径使气溶胶谱向大粒径移动,导致大云滴生成,标准差对云滴谱的影响最不显著。
非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。
