曲线拟合背景场在提取大气重力波参数中的缺陷

利用一次东亚副热带高空急流演变过程的高分辨率数值模拟结果,采用Morlet小波分析和Fourier功率谱分析方法,以3阶和4阶曲线拟合为例,研究了提取大气重力波参数时常用的曲线拟合背景场获取方法的缺陷。结果表明:虽然4阶拟合对原始风廓线的拟合程度高于3阶拟合,但基于4阶拟合背景场得到风速扰动垂直廓线后,所提取的重力波参数和实际情况的差异大于3阶曲线拟合方法的结果。因此,不能将背景场对原始风廓线的拟合程度作为判断重力波参数提取准确率的依据。曲线拟合方法在大多数情况下会使扰动场中包含背景场信号,且所包含的背景场信号强度差异很大,同时还会引入虚假波信号。所以在提取大气重力波参数时,采用曲线拟合方法获取背景场存在缺陷,需要设计更合理的背景场获取方法。

不同途径获得的大气重力波参数扰动场特征对比分析

重力波参数气候特征是确定全球大气模式中重力波参数化方案的一个重要环节,利用高垂直分辨率探空资料扰动场是获取重力波参数气候特征的基础数据和重要手段。目前,通常采用2~4阶曲线拟合、带通滤波方法获取高垂直分辨率探空资料扰动场,但针对不同方法之间的扰动场差异特征研究较少,本文利用2~4阶曲线拟合、带通滤波方法(0.5~5.0km)获取2014-2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料扰动场,采用相关系数、Lomb-Scargle、不同区间范围占有率方法进行研究,结果表明:①不同方法之间的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场均存在较明显差异,且相关性均较弱;②Lomb-Scargle分析表明,不同方法得到的平均纬向风扰动场、平均经向风扰动场、平均温度扰动场显著含有(通过90%置信检验)的垂直波长均存在明显差异;③不同方法得到的纬向风扰动场、经向风扰动场、温度扰动场显著含有的垂直波长,在不同区间范围内的占有率均存在明显差异。

曲线拟合扰动场对提取的大气重力波参数影响

重力波是大气中最基本的动力过程,估算大气重力波参数是大气动力学理论研究的重要内容之一.本文利用一次东亚副热带高空急流演变过程的高分辨率数值模拟结果,采用Morlet小波分析方法,针对常用的二阶、三阶和四阶曲线拟合得到的扰动场进行分析;并通过建立数学模型,分析含不同强弱背景场信号时的扰动场对大气重力波参数的影响,结果表明:(1)曲线拟合方法得到的扰动场中含较强背景场信号;(2)扰动场中背景场信号强弱对大气重力波参数有很大的影响;(3)要想提取准确的大气重力波参数,必须确保多种扰动场中同时含很弱或不含背景场信号,因此在提取大气重力波参数时,采用曲线拟合方法获取扰动场存在缺陷,需要设计更合理的背景场获取方法.

估算大气重力波参数的垂直扰动廓线获取新方法

重力波是大气中最基本的动力过程,估算大气重力波参数是大气动力学理论研究的重要内容之一.针对常用曲线拟合方法获取大气垂直扰动廓线存在的固有缺陷,本文提出了估算大气重力波参数时垂直扰动廓线获取新方法.基于小波变换中的影响锥曲线性质,以影响锥曲线最大值作为区分背景场和扰动场的临界值,利用10阶ButterWorth高通滤波器对小于临界值的信号进行滤波得到扰动场.对实际大气过程高时空分辨率模拟纬向风和经向风垂直廓线的Morlet小波和Fourier功率谱分析表明,本文方法获得的扰动廓线中不再包含强背景场信息,且不会引入虚假波信号,克服了常用多阶曲线拟合方法的缺陷,利用该方法可以估算出合理的大气重力波参数.