文|史说百家
编辑|史说百家
【前言】在大气边界层形成的云，在地球的能量平衡中起着至关重要的作用，因为它们会影响辐射转移、表面能通量和水文循环。
特别是浅云已被确定为气候预测中不确定性的主要来源之一，降水改变了边界层的空间结构，导致大规模的组织。
因此，对浅层积云对流的精确模拟对于改进气候模型和减少未来预测中的不确定性至关重要,大涡模拟（LES）是大气边界层研究的主要研究工具，LES是一种“湍流求解”模型，可在大尺度上对空间变异性进行物理一致的描述。
那么在浅积云对流过程的研究中，LES中的域大小会显著影响模拟的云场和边界层结构吗？
【浅积云对流】增加域大小可能导致形成更大的对流结构，本研究考察了计算域大小对信风降水浅积云对流典型案例平衡状态的影响,本研究是先前工作对稳态边界层的扩展。
该研究的一个重要悬而未决的问题是水平长度尺度是否会继续增长或达到稳定状态，以前的LES研究表明，反馈会影响域均值属性的介尺度变异性，并且“需要非常大的计算才能获得有意义的云统计数据”。
为了帮助实现这一目标，增加了一个前所未有的域大小组合和精细网格分辨率进行。
LES模型用于模拟信风大气边界层中的浅层对流，LES模型以数值方式积分了 f 平面上运动方程的非弹性近似。
使用Seifert和Beheng的两矩体温雨参数化对暖雨过程进行参数化，使用浮力调整拉伸涡流亚网格尺度（SGS）模型对湍流传输进行参数化。
浮力调整拉伸涡流模型是最先进的结构湍流闭合，它解释了SGS流的各向异性和密度分层效应,动量，液态水势温度和总混水率平流项近似于四阶中心完全保守方案，微物理变量平流项采用单调通量限制方案离散化，以确保水质量守恒。
模拟与海洋浅积云降雨（RICO）观测活动相对应的理想化情况，初始探测具有典型的信风积云顶边界层结构。
大规模强迫包括恒定时间地转风、沉降、平流趋势和清空辐射冷却，使用恒定海面温度（SST）体积参数化动态计算表面通量。
进行域大小逐渐增大的模拟,所有域在水平方向上都是正方形的，即域大小长度相等边界条件在水平方向上是双重周期性的。
模拟是在水平平移参考系中进行的，大致为域平均风[−6,−4]ms−1,模拟运行36h以达到统计上平稳的状态，预计在之后会出现统计稳定的状态T>30h，案例设置不包括任何昼夜循环效应，并且在整个运行过程中强迫是恒定的。
两个运行C和D是相当大的计算，最大的模拟由8亿个网格单元组成,大型组织发展后T>16h，而在模拟的第一部分中（T<16h）均匀分散的积云发育并逐渐加深。
较小的域足以捕获T<16h,因此，运行D基于运行C输出在T=16h，以节省计算时间,运行C的输出在每个方向域上跨越两倍的模式D.在最低时添加随机温度和湿度扰动200m以帮助随机化周期模式。
最后T>30h运行D与运行C解除关联，模型验证和对模型参数的敏感性在中讨论,此外，目前的模拟产生了云模式，包括其水平维度，类似于其他模型结果的观测结果，在目前的网格分辨率下Δx=40m，LES生成与电网无关的结果。
表1.大涡模拟的细节
【对流组织】图1和图2通过绘制云-液态水路（LWP）和雨水路（RWP）场的等值线，对流的组织可视化T=36h,所有四个LES域都显示在每个图中，直接显示了每个域的区域覆盖率差异。
图1.LES域大小和运行结束时的云液态水路径
浅层降水对流与冷池、云弧和偶尔的层状云砧的特征结构，类似于观测和先前的建模，在最大的域中是明确的。
LWP和RWP场之间的比较显示了层状云砧的位置，这些层状云砧主要记录在LWP场中，但不在RWP中记录，因为降水主要在对流云中发展,大多数降雨发生在长积云簇中，这些积云簇在冷池的主要边界形成云弧。
图2.雨水路径（RWP）T=36h,轴刻度对应于50公里的间隔。
结构长度小于100公里在边界层中形成,在两个最大的域C和D中，云弧之间的间距相似。较小的域，特别是域A，与运行C和D的云弧和冷池结构相比非常小,较小的域不能实际表示云弧和冷池结构的大小和间距。
【域平均湍流统计】图3 显示了计算域体积上平均的边界层统计信息,面板对应于湍流动能垂直积分的时间演变，（t）=12∫0〈′2+′2+′2〉,云液（LWP、悬浮冷凝水）和雨水（RWP）路径、云统计数据（云顶）。
游程C和D之间的迹线在小时25时显示可见差异，在小时30后显示更大的差异,模拟数据T<30h与相同。
图3.垂直积分湍流动能（VTKE）云液水路（LWP）雨水路径（RWP）云底的演变云顶高度反转高度云量和地表降水率
运行C和D在域平均统计方面表现出良好的一致性,C和D之间的云顶高度差异是意料之中的，因为跟踪云顶部的域最大值。
随着域面积的增加，出现局部更高云顶的实例的可能性更大,逆温上方云的面积分数非常小,因此，高数值不能代表整个区域或湍流层的深度。
【垂直轮廓】图4 显示了以下配置文件T=36h.轮廓是瞬时水平平均值，没有任何时间平均,总水垂直通量另外以十分钟的间隔进行时间平均，以创建更平滑的曲线,湍流通量包括解析尺度和亚电网尺度的贡献。
剖面的时变性很小，因为所有计算域都相对较大，并且水平平均值包括边界层的大部分水平变异性,垂直剖面随时间的变化在附录A中讨论。
图4.aU分量风b潜在温度的剖面c总混水比d云液水混合比e湍流动能fTKE的水平分量g垂直速度方差h垂直总水通量
只有TKE的水平分量在域大小方面表现出较大的差异,容器服务配置文件的差异是由水平组件引起的12(′2+′2),图4e，f的轮廓基本相同。
请注意，图4g的 x 轴刻度（TKE的垂直分量）与图4e，f不同,此外，游程A和B之间水平分量的大多数差异是组件（图4 中未显示）。
除了水分通量，最小的域RunA与图4 中的其他运行差异最大,运行C和D的两个最大域与 u 非常一致，所有运行之间的大多数差异都在逆温层附近观察到，Z≈2公里。
如上一节所述，即使云偶尔会上升到4公里、容器服务、逆温以上的水分通量很小，表明非常深的云具有非常小的面积分数,这与边界层达到稳定状态之前的运行C结果一致。
风的剖面，对于所有域，它们基本上都是相同的,在逆温层附近观察到相对较小的差异（Z≈2公里）在最小域之间（运行A40×40公里）和其余的模拟,在二阶流统计、协方差和TKE中观察到较大的差异。
此外，TKE（图4e）和温度方差（图5b）仅在两个最大的域运行C和D中非常一致,有趣的是，稳态云液体（图4d）没有表现出很大的差异，但温度和湿度方差（图5）曲线显示出更大的差异，特别是在运行A-B和运行C-D之间。
图5.（a）分辨尺度总水混合比，和（b）液态水势温差T=36h对于所有LES域。
图6b显示了另一种有助于理解反转动力学的诊断方法。T=36h最大的计算域（运行D）被划分为8×8水平的子域,每个子域具有与域A相同的水平区域。
在每个运行D子域中，我们计算反演强度和反演高度,这些对在图6b中绘制为开圆，并量化“局部”水平的反演强度，而图6a的线对应于,域平均值在图6b中绘制为一个填充圆，其值与运行D线在T=36h图6b显示反演强度和高度存在较大的域内变异性。
D-run子域中的反演强度值与运行A的反演强度值相似。图6b的 y 轴上的值分布量化了运行D中反演的起伏，该反演在模拟区域内跨越了大约半公里,
由于上升的积云顶部上升气流与信风反转演化之间的反馈，无法从图6b推断反演起伏与边界层深度之间的因果关系。
【光谱和长度尺度】Lamaakel和Matheou研究了RICO案例中横向组织的增长率，在从分散积云向图1所示的中尺度组织的云团过渡期间，量化了特征水平长度尺度的增长。
之间20<30hU、V、的水平特征长度尺度以3的速度增长4公里，这与发展中冷池的增长率一致，在域C中形成的多个冷池相互作用，形成由分散的积云和云弧组成的边界层（图1和图2）。
Lamaakel和Matheou研究了在相当均匀的分散积云场中发展的第一代冷池，目前，我们专注于边界层稳态，其中冷池存在于其生命周期的各个阶段并且它们相互作用,主要问题是特征长度尺度是否达到平衡值。
水平特征长度尺度是根据沿纵向的一维光谱定义的，考虑横向时也获得了类似的结果,对于 u， w，使用 X 方向（区域）,对于 v，使用经向方向,一维预乘光谱如图7所示,光谱由相应的方差归一化。
通过在水平面上执行二维离散傅里叶变换，然后沿波数,所有光谱都在子云层（Z=360m），其中流动是完全湍流的，即三维湍流跨越整个层,在图7 中，x 轴从波数转换为长度刻度，以协助物理解释。
预倍增光谱的局部最大值用于识别含能结构,长度尺度对应于窄波数带，其中光谱能量高于相邻波数。
图7.预倍增一维光谱。
在图7的光谱中，我们对最大值位置的变化以及整体曲线的形状感兴趣。在之后，光谱由高斯滤波器平滑。
垂直速度谱不依赖于域大小，预倍频谱始终具有单个峰,本数据将关于垂直速度预乘光谱的观察扩展到边界层演化的所有阶段，从组织发展到稳态,而且，特征w速度尺度很小，大约1公里，并且不受当前使用的计算域大小的影响。
一般来说，与A和B运行的光谱相比，运行C和D的光谱非常一致,运行A和B的光谱（w 速度除外）在较小尺度（<10公里).考虑到较大的域导致边界层的表示更真实，较小的域尺寸会导致小尺度上波动的人为累积。
图8.根据运行C（黑色符号）和D（橙色）计算的水平长度刻度
结论在信风浅层沉淀积云边界层典型案例的大涡模拟（LES）中研究了计算域大小的影响，LES域大小从40公里到320公里不等，模拟侧重于浅对流演化36h后边界层的平衡状态。
对于大多数流量统计信息40×40公里域太小，无法实际捕获流,这80×80公里2域充分捕获了一些流量统计信息，但不能捕获云中尺度结构。
两个最大域中的流量统计信息，大小为160×160公里和320×320公里非常一致，表明域等于或大于160×160公里需要表示边界层的中尺度变异性。
最小的域LES（40公里）无法重现大约100公里长但边界层平均剖面与较大域的结果相似,垂直速度流统计（如方差和光谱）在所有域中基本相同，并且对域大小的依赖性很小。
本研究的一个核心问题是，水平长度尺度是否会在更大的域中达到平衡，或者随着计算域面积的增加而继续增长。
仿真结果表明，水平风分量、温度和湿度的大长度尺度（即与中尺度组织有关的尺度）在大约30小时后达到平衡,图8 显示了长度尺度的演变，其中包含主要结论,根据先前的研究，长度尺度有望持续增长。
然而，这种类型的增长率预计会比在目前的模拟中观察到的20到30小时之间的快速中尺度组织慢,事实上，在本次模拟期间，所有变量的最小特征长度尺度都在不断增加。
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参考文献：
1、范清;恩戈-杜克;松本;潘文;Vo-Van，H.1979-2019年越南降雨趋势及其与热带气旋的关系
2、陈彤;萨伊，法学博士;颜;松本，J.越南中部深秋降雨的年际变化
END
