引入热力学第二定律改进中尺度数值模式的一种新方法

【摘要】：热力学第一定律是关于能量守恒的规律，而热力学第二定律则是描述能量转化方向的规律，它们是两条相互独立的热力学基本定律，两者之间应该是互相补充的。在当今的数值天气预报模式中，热力学第一定律与质量守恒定律、能量守恒定律一起作为各预报方程的基础原理而受到了足够的重视，而对于热力学第二定律来说，虽然在模式中也有一定程度的体现，但并未受到足够的重视。不过国内有不少人在尝试着把热力学第二定律引入天气预报中，但很少有真正意义上把热力学第二定律和预报模式结合在一起的。有鉴于此，本文根据热力学第二定律的思想尝试着给数值预报模式中的热力学方程施加一个约束条件，并在一定程度上对该预报方程加以改进。为了验证其改进效果，本文使用改进前后的MM5V3模式分别对任意选取的两次天气过程进行数值试验，并将两者的预报效果进行了对比，着重比较分析了两次天气过程中的风场、气压场、温度场以及降水场。从对比结果来看，改进后的MM5模式的模拟效果比原模式有一定程度的改进，尤其体现在各预报量的相关系数有了较大的提高，反映在天气图上则是各等值线的位置以及走向更加接近实况，对强降水中心的位置和强度的预报效果也比改进前的模式的模拟结果要好，而在每次对天气过程的模拟中，又以对高度场的模拟改进效果最好。相比较对两次天气过程的模拟，结果还表明，不同的非绝热加热参数化方案对本文中所添加的约束条件有不同的反应，具体表现在对第一个天气过程的模拟形式改进结果要比对第二个天气过程的模拟的改进结果要好。