全拉格朗日平流方案在云模式中的研究与应用

The cloud droplet spectra play an important role in particle growth and the formation of precipitation. The calculation of particle spectrum growth is based on Eulerian advection scheme in current cloud models, which will lead to the spurious droplet spectrum broadening. In order to solve the problem of false diffusion, we develop a new Lagrangian advection scheme. In the new Lagrangian advection scheme, the object of spatial discretization is interpacel moving with the stream field, making it possible to track the cloud droplet growth and evolution. Furthermore we coupled the new Lagrangian advection scheme into a high resolution cloud bin model, the simulation results indicate that the new scheme can restrain the broadening of droplet spectrum greatly. Simultaneously, we may apply larger time step compared with Eulerian advection scheme, saving computational resources.

云滴谱拓宽在粒子生长和降水的形成中起重要作用。目前使用的云模式中,粒子谱增长的计算通常是基于欧拉模型,欧拉平流方案会产生一定的数值扩散,导致粒子谱拓宽。本项目的主要研究对象是发展了一个新的全拉格朗日平流方案，并耦合到高分辨率云模式里。平流方案是复杂的云模式中重要的一环，新的全拉格朗日平流方案里,空间离散的对象是随流场移动的云滴。在大气环流模式的全拉格朗日平流算法的基础上结合云微物理特征,发展了一个适合云物理模式的全拉格朗日平流算法,再把这个新的全拉格朗日方案耦合到已有的1.5维高分辨分档云模式中,替代现有的计算云滴凝结增长的欧拉平流算法;在垂直和水平平流中云滴谱分档数要小于云滴凝结增长模拟过程的。新的方法可以解决云滴凝结增长过程中的虚假增长现象,同时也解决了欧拉严格的时间步长限制。

云滴谱拓宽在粒子生长和降水的形成中起重要作用。本研究从云和降水物理学角度出发，根据云物理学科推导出合适的公式，发展了一个新的全拉格朗日方案适合于云模式的平流方案，利用简单的气块模式和一维半高分辨率气溶胶云分档模式验证该方案；为了解决虚假扩散，再把这个新方案耦合到已有的1.5维高分辨分档云模式中, 替代现有的计算云滴凝结增长的欧拉平流算法。选取了一次深对流云降水过程个例，利用新发展的适合云微物理过程的全拉格朗日方案，进行模拟研究，通过调整模式参数,和原有的欧拉方案模拟结果进行分析比较，新的全拉格朗日方案模拟的结果更具科学性。