Modelowanie chmur i procesów chmurowych 1103-6MCiPC

Program:
1. Struktura fizyki chmur: mikrofizyka, dynamika (makrofizyka), fizyka układów chmurowych. Elementy mikrofizyki chmur. Kondensacja i koalescencja. Widmo wielkości cząstek chmurowych i jego transformacja. Mechanizm "ciepłego deszczu" i mechanizm trójfazowy. Klasyfikacja chmur. Podstawy dynamiki chmur. Wciąganie i wymiana masy, podstawy modelu jednowymiarowego (termal i struga stacjonarna).
2. Modelowanie dynamiki i termodynamik gazu. Adwekcyjna i strumieniowa postać równań transportu. Schematy adwekcyjne: schemat pierwszego rzędu "donor cell", schematy wyższego rzędu. Stabilność schematów numerycznych, kryterium CFL. Zachowanie znaku i monotoniczność. Stabilność nieliniowa. Elementy teorii niestabilności hydrodynamicznych. Liniowa teoria niestabilności Kelvina-Helmholza (KH) i Rayleigh'a-Taylora (RT). Dwuwymiarowe modelowanie niestabilności KH i RT. Wirowość. Dynamika wirowości w przepływach dwu- i trójwymiarowych.
3. Kondensacja i jej reprezentacja w modelach numerycznych chmur. Model "bulk" i "saturation adjustment". Model cząstki adiabatycznej i stabilność statyczna atmosfery, osiągalna energia konwekcyjna (CAPE). Mieszanie powietrza chmurowego z otoczeniem, odwrócenie wirowości, cloud-top entrainment instability (CTEI). Temperatura ekwiwalentna i ekwiwalentno-potencjalna. Jądra kondensacji. Teoria Koehlera aktywacji jąder kondensacji. Model mikrofizyki z przedziałami rozmiarów kropel ("bin"). Aktywacja i wzrost kondensacyjny kropel. Przesycenie. Pierwszy aerozolowy efekt pośredni. Wielowymiarowe równanie adwekcji-kondensacji. Dwuwymiarowe (x-z) modelowanie wznoszącego się termala. Niestabilność granicy chmura-otoczenie, wciąganie masy.
4. Ciepły deszcz i jego modelowanie. Model Kesslera ("bulk") model z przedziałami wielkości. Równanie Smoluchowskiego (koagulacji). Proces ciepłego deszczu we wznoszącej się cząstce powietrza i w modelu 2D z zadanym polem przepływu. Drugi pośredni efekt aerozolowy. Schemat "bulk" dwumomentowy z oraz schemat bez przewidywania przesycenia. (W.Grabowski, 4 godziny)
5. Procesy z udziałem lodu i ich modelowanie. Powstawanie lodu. Rodzaje cząstek lodowych. Masa - rozmiar i przekrój - rozmiar: związki dla naturalnych cząstek lodowych. Wzrost cząstek lodowych przez dyfuzję pary wodnej i przez oszranianie (riming). Obserwacje laboratoryjne i model Koeniga-Murraya wzrostu cząstek lodowych przez dyfuzje pary wodnej. Wzrost przez oszranianie; Model Heysfielda dla wzrostu cząstek lodowych przez jednoczesny wzrost dyfuzyjny i oszranianie, powstawanie cząstek krupy (graupel).
6. Cykl rozwojowy chmur jednokomórkowych Cu i Cb. Struktura prądów wstępujących i zstępujących. Procesy mieszania i ich analiza. Mechanizmy generacji podtrzymywania prądów zstępujących. Rola opadu w dynamice prądów zstępujących. "Downburst". Rola gradientu wiatru w rozwoju chmur konwekcyjnych. Układy wielokomórkowe i ich propagacja. Superkomórki i ich propagacja. Rola opadu w mechanizmie propagacji chmur wielokomórkowych.
7. Rola konwergencji poziomej jako prekursora rozwoju konwekcji i czynnika stabilizującego konwekcję. Konwekcja mezoskalowa (quasihydrostatyczna). Szlaki (ścieżki) i grzędy chmurowe. Oddziaływanie pomiędzy falami grawitacyjnymi i konwekcją. Linie szkwałowe. Mezoskalowe kompleksy konwekcyjne (MCC). Sprzężenia pomiędzy konwekcją chmurową (wypornościową) i mezoskalową (quasihydrostatyczną). CIFK i CISK. Niestabilność symetryczna. Układy chmur frontowych.
8. Pośredni wpływ aerozoli w modelu pojedynczej chmury i w modelu pola chmurowego. Sprzężenia zwrotne w modelu pola chmurowego. Równowaga konwekcyjno-radiacyjna.
9. Praktyczne przykłady modelowania pol chmur:
stratocumulus (przypadek DYCOMS);
płytka konwekcja (przypadki BOMEX i RICO;
cykl dobowy (przypadek ARM).
układów chmurowe głębokiej konwekcji.

Opis przygotował Szymon Malinowski, listopad 2008