[论文解读] Reconciling cold pool dynamics with convective self-organization

Jan O. Haerter, Steven Boeing+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2018

Meteorological Phenomena and Simulations被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于圆形冷池干涉的数学模型，用以解释冷池动力学如何驱动对流自组织化。通过大涡模拟，识别出阵风前沿处触发新上升气流的相互作用类型，表明冷池强度与空间干涉共同控制尺度增长、聚集及自组织化——提供了一个将微尺度冷池与天气尺度组织联系起来的统一机制。

ABSTRACT

Two phenomena currently excite and puzzle the atmospheric convection community: convective self-aggregation and the dynamics of cold pools. While the former occurs at the synoptic scale, the latter are generated by evaporating rain from individual clouds and have typical diameters of tens of kilometers. Despite their vastly different scales, the two phenomena may be intimately related, as simulation studies found that cold pools can hamper the organization of clouds leading to self-aggregation. It has so far however remained unclear by which mechanisms cold pools act to organize the cloud field. Here we first analyze large eddy simulations (LES) to characterize the basic interaction types between cold pools. At cold pool gust fronts, some of these interaction types trigger new intense updrafts, which are required for new convection cells. Using the types identified, we then conceptualize the essential cold pool dynamics into a simple mathematical model. This model, based on the interference of circles spreading in space, can explain three fundamental features of cold pool dynamics: scales steadily increase in transient LES; clustering, similar to that observed in mesoscale organization, can emerge from cold pool processes; and self-aggregation depends on cold pool strength. Our theory hence provides a mechanism which can reconcile cold pool dynamics with convective self-organization.

研究动机与目标

• 理解由单个云中降雨蒸发产生的冷池如何影响大尺度对流自组织化机制。
• 在大涡模拟中识别并分类冷池与上升气流在阵风前沿处的基本相互作用类型。
• 构建一个最小化的数学模型，以捕捉冷池动力学的本质特征，并再现自组织化的关键行为。
• 建立微尺度冷池过程与天气尺度对流组织之间的机制性联系。

提出的方法

• 使用大涡模拟（LES）分析冷池相互作用，并识别阵风前沿处的特定相互作用类型。
• 基于空间重叠与速度汇合情况对相互作用类型进行分类，重点关注能触发新强烈上升气流的类型。
• 利用扩展圆圈表示冷池，构建概念性数学模型，其干涉模式模拟真实动力学行为。
• 模型整合空间干涉与传播过程，以模拟尺度演化、聚集及自组织化行为。
• 通过LES结果验证模型预测，尤其关注尺度增长与组织化阈值。
• 理论分析将冷池强度与自组织化的启动联系起来，识别出自组织化的临界阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 冷池如何在阵风前沿与上升气流相互作用以触发新的对流？
• RQ2 冷池动力学中何种物理机制导致中尺度聚集的出现？
• RQ3 冷池强度如何影响大尺度对流自组织化的形成？
• RQ4 基于圆形干涉的简化数学模型能否再现LES中观测到的冷池行为？
• RQ5 冷池空间干涉在对流系统自组织化中起何种作用？

主要发现

• 阵风前沿处的冷池相互作用可触发新的强烈上升气流，这对新对流单体的启动至关重要。
• 圆形干涉模型成功再现了大涡模拟中观测到的对流尺度持续增长现象。
• 类似于中尺度组织化的对流聚集现象，可在模型中自然地由冷池干涉产生。
• 自组织化被发现对冷池强度极为敏感，在模拟中观察到明显的阈值效应。
• 该模型解释了微尺度冷池过程如何通过空间干涉与反馈回路驱动天气尺度自组织化。