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。

不同扰动场对大气重力波参数结果影响的初步探讨

如何获取大气重力波参数是大气动力学理论研究的重点和难点。本文以2013年8月6—8日晋西北地区出现的一次雷阵雨天气过程为例,利用常用的二阶、三阶、四阶曲线拟合和带通滤波方法获取垂直高分辨率探空资料的扰动场,对这些扰动场提取的大气重力波参数进行对比分析。结果表明:不同扰动场(二阶、三阶、四阶曲线拟合以及带通滤波)对所获取重力波参数的大小及变化趋势存在影响,但对不同重力波参数的影响程度不一样。其中,对波固有周期、水平和垂直波长的大小及变化趋势影响很大,而对波传播方向、对地水平群速及固有相速的影响程度则较弱。结合6—8日天气现象的大气动力特征,发现由二阶曲线拟合、带通滤波对应扰动场得到的重力波参数的大小及变化趋势与此吻合,其结果可信度最高;而由四阶曲线拟合扰动场得到重力波参数值的可信度最低。

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。

非静力地形重力波参数化方案对气候模式大气环流模拟的影响

本文通过在中国气象局BCC-AGCM3-MR(middle-atmosphere version of Beijing Climate Center Atmospheric General Circulation Model version 3)数值模式中引入非静力地形重力波参数化方案,研究非静力效应对次网格地形重力波垂直动量传输及大气环流的影响.本研究开展了两组次网格地形重力波参数化方案试验,分别采用原有的静力地形重力波参数化方案以及考虑非静力效应的新方案.结果表明,在南半球冬季,新方案相比原方案在南极地区将更多的地形重力波动量通量上传至平流层高层,产生更强的地形重力波拖曳.地形重力波拖曳经向梯度的增强导致更强的绝热下沉增温,从而减弱南极极涡的冷偏差和西风偏差.此外,南半球中高纬地区的行星Rossby波上传也增强,同样有利于极涡西风偏差的减少.在两者共同作用下,有效缓解了模式中的南极极涡破碎延迟问题.在北半球冬季,新方案对大尺度环流的整体影响并不显著,但是能够显著改善青藏高原复杂地形区的东风偏差.

连续谱重力波参数化模拟赤道准两年振荡

在以往参数化格式的基础上,同时考虑重力波的饱和破碎和临界层吸收过程,通过引入重力波动量流谱分布密度函数,真正实现连续谱重力波的参数化,从而进一步完善重力波的参数化模式.以实验观测值为基础,选取大气背景参数和波特征参数,结合行星波和重力波参数化后的驱动力,能模拟出更接近实际观测的赤道准两年振荡.数值计算结果表明,重力波和行星波的驱动力大小随风场结构变化而变化,在振荡的某些阶段,重力波的贡献可以和行星波相比拟.稳定的振荡形成后,其振幅、周期和风场结构等特征受背景大气的扩散效应及重力波动量流的谱分布的影响,与初始背景风场无关.而且,对于任意非零的初始背景风场,在两种波的共同作用下,都能形成稳定的准两年振荡.

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.

不同阶曲线拟合扰动场对下平流层重力波气候特征影响研究

重力波参数气候特征是确定大气模式中重力波参数化方案的重要条件之一,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;目前,获取扰动场的方法较多,但基于不同方法计算的扰动场对重力波参数气候特征影响的研究较少。基于2014—2017年山西太原气象台高垂直分辨率探空资料,利用2—4阶曲线拟合方法获取下平流层(17—24 km高度)温度扰动场、纬向风扰动场和经向风扰动场,经统计发现2阶与3阶曲线拟合方法的扰动场相似程度较高;在此选取相似度较高的2阶、3阶曲线拟合方法的扰动场分别计算大气重力波参数,并对大气重力波参数间的气候差异特征进行研究。结果表明:(1)不同阶曲线拟合方法扰动场的变化振幅及随高度变化趋势存在差异,且扰动场间的相关较弱;(2)2阶、3阶曲线拟合方法扰动场得到的重力波参数大小、年内变化趋势及在不同区间范围内占有率均存在差异,且相关较弱;(3)1—12月,相对3阶曲线拟合方法的扰动场,基于2阶曲线拟合方法的扰动场得到的重力波群速、水平波长、垂直波长、周期、固有相速均较大,而重力波能量上传百分比在某些月份较大。因此,不同阶曲线拟合方法扰动场间存在差异,会导致计算得到的大气重力波参数气候特征存在差异,最终对研制大气模式中的大气重力波参数化方案产生影响。

中层大气模式的应用及发展前景

随着空间探测技术和计算机能力的不断提高,近年来中层大气模式得到了快速的发展。简要概述了中层大气模式的现状及其发展中存在的问题和挑战,同时也阐述了中层大气模式在近年来研究中的一些主要应用和未来的发展前景。目前,完备的基于大气环流模式的中层大气模式大多只包括了对流层和平流层大气,少量的模式可达到中间层和热层大气。这些现有的中层大气模式对平流层的化学过程和一些动力过程都具有了一定的模拟能力,如能较好地模拟出南极臭氧空洞及其时间演变以及热带平流层大气中的准两年和准半年振荡信号。但是不同模式模拟结果之间的差异仍然是显著的,现有的中层大气模式还需要进一步的发展和完善。改进模式的辐射传输方案和重力波参数化方案,实现大气化学过程、动力过程和微物理过程的充分耦合,改善平流层以上的大气化学过程和物理过程在模式中的描述是目前正在进行的工作。中层大气模式目前已开始被广泛应用于大气科学研究的各个方面,进一步发展和完善中层大气模式不仅对天气、气候预报具有重要的意义,对空间科学的研究来讲也是需要的。

重力波与潮汐之间的非线性相互作用

采用二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式,研究了重力波与潮汐之间的非线性相互作用.结果表明,重力波在潮汐背景中传播时,先后在z=75-85,z=90-110和z=15-130km3个高度上发生不稳定.垂直波长首先由12km变成27km左右,新生成的长波逐渐被压缩并再次生成20km左右的长波.长波和短波出现的高度分别对应于反向和同向背景风场区域的高度.在重力波主要的破碎区域（90-110km）以上,仍有部分重力波继续上传.重力波在上传过程中除了对背景风场加速之外,还增大了潮汐的振幅,特别是在重力波发生不稳定之后,对潮汐振幅的放大作用更加明显.