一个双波地形重力波拖曳参数化方案

当地形次尺度强迫的作用与显式的经典动力作用效应相当时,地形重力波拖曳力对于环流的维持,以及动量和热量通量输送的动力效应变得十分显著。这种地形次尺度拖曳作用项可通过参数化的方法,在动力方程中加入额外的小项而引入数值模式。目前成熟的地形重力波拖曳参数化方法,如第1代基于线性单波理论的参数化方案;以及侧重考虑了临界层作用等因素对拖曳力的额外贡献的第2代参数化方案,都无法有效表达风速垂直变化引起的波动应力随高度变化的特征。基于上述考虑,本文给出了一个双波参数化方案用于计算地形重力波拖曳中由线性自由传播重力波造成的波动应力的垂直分布。通过二阶WKB近似,它对由风速垂直变化引起的对波动应力的选择性临界层吸收过程和经典的临界层吸收过程做了显式处理;而在不发生临界层吸收现象的地区,则用两个单波同时在垂直方向上进行应力的传播,并利用波饱和标准进行应力耗散。进一步地在真实地形(以大别山地区为个例)条件下的测试结果表明,通过在不同理想风速廓线以及北半球冬季中纬度纬向平均风廓线下对波动应力垂直分布的计算,证明该方案确实能有效地给出应力随高度变化的特征。     

地形重力波拖曳参数化对热带气旋强度和路径预报影响的研究

本文在GRAPES_TMM（Global/Regional Assimilation and Prediction System for Tropical Mesoscale Model）——中国南海台风模式版（面向南海和东南亚）中发展和引进了KA95（Kim and Arakawa,1995）地形重力波拖曳参数化方案（GWDO）,并对2012年主要的9个登陆台风进行了试验对比研究,考察了不同标准Richardson数（Ri_c）的GWDO试验对台风路径和强度预报的影响。结果表明,在引入地形重力波拖曳参数化过程后,模式对台风登陆时路径和强度的预报能力均要有提高,对台风预报时长越长,GWDO的影响也更为显著。对双台风“SAOLA”和“DAMREY”试验结果表明,GWDO对台风外围距台风中心150 km的对流层中下层风速减弱较为明显,减弱了GRAPES区域模式对台风强度预报偏强的现象,对台风强度长时间预报改善更为明显。不同标准Ri_c对重力波拖曳力的计算较为敏感,当Ri_c取1.0时,动能迅速的在低层被频散,能量无法有效地上传;Ri_c取0.25时,大部分的能量在中高层被频散。总的来说,Ri_c取0.75时对台风路径和强度预报改进更为显著,其结果可为业务预报提供指导意义。     

地形重力波拖曳参数化方案在华南中尺度模式（GRAPES）中的应用试验

在华南中尺度模式GRAPES中发展KA95方案地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年的2月8—12日影响华南冷空气过程、8月23—24日发生在广东的局地性暴雨和5—8月共4个月的KA95方案预报试验进行检验。结果表明,KA95地形重力波拖曳参数化方案的引入,改善了GRAPES模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,一定程度上纠正了在模式积分过程中出现的南风偏差,改正了在业务预报中因南风偏强而导致温度偏差过大的现象;改善了模式对局地强降水强度和落区的预报,减小了大雨和暴雨的漏报率和预报偏差,提高了GRAPES模式对降水的预报效果。      

地形重力波拖曳参数化方案在一次陕西极端性暴雨天气过程中的应用

利用中尺度WRF模式进行敏感性试验,分析探讨加入地形重力波拖曳参数化方案(GWDO)后对2013年陕西入夏以来最强的一次暴雨过程的模拟能力和地形影响下强降水的形成机制。本次过程是在高空槽和低涡配合的有利形势下形成的,秦巴山区的地形作用对本次暴雨过程有着重要影响。在引入地形重力波参数化方案后,模式对关中大暴雨中心的模拟能力有所提高,强降水落区及量级与实况更为接近,较为有效地改善了环流形势及主要影响系统的模拟。在引入地形重力波参数化方案后,这一地区环流进行调整,有利的水汽条件和对流不稳定配合强烈的上升运动,是影响关中地区强降水的重要因素。该参数化方案对陕西暴雨预报具有一定的适用性,但是对陕南的暴雨区模拟还具有较大的误差,需要进一步改进。     

青藏高原边坡地形重力波拖曳方案应用的个例研究

本文针对我国西南地区的一次持续性暴雨过程,利用WRF模式引入地形重力波拖曳方案进行120h的模拟,对比结果认为引入地形重力波拖曳的模拟效果总体看来略有优势,并详细分析了不同模拟时段的位势高度场,风场,海平面气压场与降水,其结果认为,引入与未引入地形重力波模拟的差异主要出现在48~72h之后,位势高度场方面,72h之后,在青藏高原主体上引入拖曳方案后的模拟结果相对未引入拖曳方案的结果是正偏差,高原下游地区为负偏差,引入后的模拟相对准确;风场模拟方面同样72h以内的模拟差距较小,72h之后高原上出现一处气旋性涡旋,其中心位置的模拟,引入拖曳方案后的结果相对准确,本次个例中出现的一例西南低涡,两实验都能够较好的模拟出700h Pa的气旋性涡旋;降水模拟的结果表明,在72h之后,对于四川地区降水中心位置的模拟,引入拖曳方案的模拟有所提高,但中心依然过强。这方面主要考虑降水的模拟牵涉模式内部更为复杂的处理过程和其他因素,地形重力波拖曳只是其中一个影响因素而不是核心因素。另外此方案对温度场及海平面气压场模拟的影响不明显。理论上讲引入地形重力波拖曳效应的模拟是物理过程相对更为完善的,在本次个例中模拟效果也略优,但在高原下坡复杂地形处长期应用的模拟效果仍需要更多的测试,将在后续工作中加以完善。     

包络地形和重力波拖曳对气候模拟效果的影响

该文用Nju-PσM的数值试验, 研究了包络地形和地形重力波拖曳作用对7月气候模拟效果的影响.通过试验结果的对比分析, 发现包络地形和重力波拖曳作用都可在一定程度上改善模式的模拟性能, 使模拟结果更符合气候实况.     

天气与气候模式中次网格重力波拖曳参数化的研究

从数值模式物理过程地形参数化研究的角度,回顾了次网格地形重力波拖曳参数化、地形阻塞流拖曳参数化和对流强迫拖曳参数化等方面的研究现状,总结概括了目前模式物理过程中关于地形参数化研究中若干亟待解决的科学问题。另外,在华南中尺度模式预报系统(GRAPES_Mars)中引进和发展了地形重力波拖曳参数化方案KA95,讨论了KA95方案对2012年2月8-12日华南冷空气过程的影响。结果表明,地形重力波拖曳参数化的引入较好地改善了GRAPES_Mars模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,显示出重力波拖曳参数化对改善模式风场预报的突出作用和对减小模式系统偏差的良好应用前景。     

青藏高原地形重力波拖曳的初步分析及数值模拟研究

针对目前对青藏高原大地形激发的重力波拖曳相关问题还不十分清楚,在GRAPES_Meso模式中引入次网格地形重力波拖曳参数化方案,通过数值试验初步研究了青藏高原地区次网格地形重力波拖曳的一些相关参数,结果指出:(1)沿30°N地形重力波拖曳的垂直分布显示,阻塞拖曳主要存在于模式的低层(第1—5层),重力波拖曳主要存在于模式的第5—10层;从水平分布看,模式第3层以阻塞拖曳为主,主要位于青藏高原边缘地区,阻塞拖曳大值区沿喜马拉雅山脉走向和青藏高原东坡;模式第5层以重力波拖曳为主,主要位于青藏高原东部地区和云贵高原的北部边缘。(2)弗劳德数和气流绕流高度分析表明,在青藏高原喜马拉雅山脉一带和高原东部边缘地区,气流爬坡能力强,同时在这一地区绕流高度最高;弗劳德数越大的地区绕流高度距离地表越高。(3)采用次网格地形重力波拖曳参数化方案后,对于低层和高层地形重力波破碎的发生有更准确的描述,地形重力波是向上垂直传播的。(4)个例和批量试验检验结果表明,采用次网格地形重力波拖曳参数化方案对于风场和降水模拟有正效果,提高了模式预报的准确率。     

一次大暴雨过程中地形重力波拖曳作用的研究

利用WRFV3.9数值模式,对2011年6月9-10日发生在湘鄂赣交界附近山区的一次江淮气旋大暴雨天气过程进行模拟.进行了地形重力波拖曳作用的控制试验和不考虑地形重力波拖曳作用的敏感性试验.结果表明,控制试验能较好地再现江淮气旋及其产生的强降水;模式引入地形重力波拖曳后能够更好地模拟出地形附近雨带的中心位置和强度;地形...     

包络地形和重力波拖曳对区域气候模拟效果的影响

用NCAR区域气候模式(RegCM2)的数值试验，研究了包络地形和地形重力波拖曳作用对1991年5、6月份中国区域内气候模拟效果的影响。通过试验结果的对比分析发现，在模式中引入地形重力波拖曳作用可在一定程度上改善模式对气候系统和要素的模拟效果，使模拟结果更符合气候实况。包络地形对模拟结果也有一定的改善，但对于细网格的区域气候模式(RCM)来说，其效果不如重力波拖曳明显。不论是地形重力波拖曳还是包络地形，在模式积分的初期，它们的作用并不明显，随着积分时间的增长，它们对模拟结果的影响程度增大。     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

地形湍流拖曳力参数化及在GRAPES中的应用

分辨率的限制使得不能被模式识别的地形称为次网格尺度地形,次网格尺度地形在热力和动力方面对实际大气有着不可忽略的作用,其效应只能通过参数化的形式回馈给模式。分辨率的提高使得与较小尺度地形相联系的地形湍流拖曳力凸显其重要性。数值模式中地形湍流拖曳力的参数化对完善模式物理过程和改善模式近地层预报效果具有积极意义,其方法包括有效粗糙度法和直接参数化法,而GRAPES模式中并未以任何方法考虑次网格尺度地形的影响。该文通过单柱模式比较了有效粗糙度法和直接参数化法的优劣, 发现后者在有些方面优于前者。最后,将应用于实际的一个直接参数化方案接入GRAPES中尺度模式中,进行个例模拟,并与NCEP再分析资料进行对比,结果表明:考虑地形湍流拖曳力方案对模式预报具有改进作用,尤其对局地低层风场具有积极影响。     

WRF模式中地形重力波参数化方案应用及不同拖曳力试验

在WRF模式中引入地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),利用WRFV3.2中尺度模式对2007年7月3日00时至10日00时(世界时)发生在我国江淮梅雨季向华北雨季转换时段江淮与华北地区过渡区域的降水天气过程进行了不同重力波拖曳力作用下的敏感性试验,设计了5组数值试验:不考虑重力波拖曳的控制试验(Ctrl)及考虑重力波拖曳(GWDO)但在不同拖曳力作用下的4组敏感性试验。结果表明:GWDO方案的引入,有效地改善了模式对环流场、水汽输送带、垂直速度场的模拟,缓解了对风速预报偏强的现象,一定程度上纠正了模式模拟的西风偏差,对降水落区和强度也有较好的改善。随着模拟时次的推移,引入的拖曳力越强,对降水模拟的改善越显著。     

小尺度地形引起的切变重力波

在大气边界层中,特别是山区的边界层中,经常可以观测到重力波的活动。例如Bull和Neisser分析了1974年4月至7月的2300时的微气压计记录。他们发现约38％的观测时间里都存在振幅至少为10—20 dPa的重力波活动,其中大多数重力波的振幅为25—70 dPa。由于风速切变和温度层结的不同,重力波引起的垂直位移的大小可能为百米,也可能达到整个夜间边界层厚度的量级。 很多大气活动都可能引起重力波,例如锋面、低空急流、局地风切变、逆温及强对流等等。地形特别是在夜间也是产生重力波的重要来源。当稳定度随高度急剧减少或风速随高度急剧增加时,在山脊的背风坡经常可以发现一系列的波动活动。     

地形对重力惯性波发展的影响

本文研究了具有南北坡的地形对重力惯性波发展的影响。利用WKB方法，建立了含地形作用的重力惯性波能量方程。研究结果表明:在层结稳定的情况下，当扰动“上坡”（沿地形高度的升度方向传播）时，其能量将减少，即扰动将减弱；当扰动“下坡”（沿地形高度的负升度方向传播）时，其能量将增加，即扰动将发展。如层结为不稳定，情形则相反，即扰动“上坡”时将发展，“下坡”时将减弱。此外，文中对波动的稳定性问题也作了一些讨论。     

克拉玛依大风数值预报中的重力波拖曳方案应用研究

新疆克拉玛依地区位于背风坡,长期受翻山气流形成的局地大风影响。该地区日常大风预报业务主要依托克拉玛依气象局的精细化数值预报系统,为进一步完善该系统的预报效果,本文开展了重力波拖曳参数化方案应用试验,对比分析了三组试验方案:不开启重力波拖曳、只开启外层区域重力波拖曳以及两重嵌套设置下均开启重力波拖曳的结果。试验结果表明:在克拉玛依大风预报个例中,对于山区地形背风坡处的克拉玛依站,不启动重力波拖曳会导致风速偏大和起风时间较早;开启外层重力波拖曳方案可以延迟克拉玛依站起风时间,两重区域均开启可以进一步延迟该站的起风时间,使起风时间更接近实况;对于非山区地形背风坡处的站点,在内层开启重力波拖曳会导致一定的负效果;对内层区域的统计检验结果表明不开启重力波拖曳,会使地形复杂区域风场预报存在一定的正偏差,在外层开启重力波拖曳会使正偏差有一定改善,而两重嵌套均开启重力波拖曳方案会导致非地形陡峭区域的负偏差增加。综合全区域内大风预报检验结果表明,只在外层开启重力波拖曳会获得最小的误差和较好的预报效果。     

青藏高原东北边坡复杂地形重力波的数值模拟

基于2007年7月青海祁连站的野外加密探空资料,结合高分辨率的三维边界层模式,模拟研究了青藏高原东北边坡复杂地形条件下,边界层对流引起的干动力过程对该地区地形重力波产生及传播的影响机理。结果表明:在不同的背景场强迫下,高原东北边坡复杂地形上空对流和重力波的空间结构存在较大差异。当背景风向与山体垂直时,随着风速增加,山脊背风坡混合层顶附近大气不稳定能量加强,激发了下游区域较强的重力波信号,此时对流线组织性增强、重力波波列较长,高水汽含量的空气被波峰传输到较高的高度,为对流云发展提供了有利条件;当背景风向与山脊走向平行时,山顶上空对流发展旺盛,山脊背风坡混合层顶大气状态较稳定,激发的地形重力波信号较弱且波列较短,整个混合层顶附近水汽较少,对流云形成条件减弱;当背景大气浮力频率减小时,整个区域上空对流发展更加旺盛但组织性减弱,背风坡下游重力波向上传输的距离减小,信号不显著,混合层顶附近水汽分布均匀且变化幅度较小,有利于层状云发展。     

地形对重力惯性波传播与发展的影响

本文用ＷＫＫＢＪ方法研究了地形对重力惯性波传播与发展的影响，得到了地形影响下重力惯性波的波作用量守恒方程。结果表明：重力惯性波能量有向地形较高的区域传播的趋势，并且波包振幅上坡时加大，下坡时减小。     

经向基流和地形对惯性重力波的影响

采用分层浅水波方程组和ＷＫＢ方法，分别讨论了经向基流的垂直切变和南北走向的地形对二维惯性重力波的移速，稳定性以及发展的影响。