考量水平傳播因素的地形重力波拖曳參數化方法技術

本發明專利技術公開了考量水平傳播因素的地形重力波拖曳參數化方法，包含如下步驟，計算氣流經過地形的阻擋高度；得到地形的譜分布，從位于阻擋高度之上的第一個模式層開始，進行如下步驟處理，計算地形重力波的振幅；計算波動理查森數；若波動理查森數小于臨界值，計算地形重力波的飽和振幅以及地形重力波水平動量的垂直通量；重力波被平均氣流吸收的動量通量；若波動理查森數大于臨界值Ri

Orographic gravity wave drag parameterization method considering horizontal propagation factors

The invention discloses a gravity wave drag parameterization method considering the horizontal propagation factors, which comprises the following steps, calculation of airflow through the barrier height of the terrain; get the spectral distribution of the terrain, from the first barrier layer height above the start mode, the following steps of processing, calculation of amplitude gravity wave; wave calculation of Richardson number; if the fluctuation of Richardson number is less than the critical value, the calculation of saturated gravity wave amplitude and gravity wave vertical horizontal momentum flux; gravity wave momentum flux is the average air absorption; if the Richardson number is greater than the critical value of Ri wave

【技術實現步驟摘要】
考量水平傳播因素的地形重力波拖曳參數化方法
本專利技術涉及數值天氣和氣候模式中地形重力波拖曳的參數化方法，尤其針對三維傳播的地形重力波導致的拖曳參數化方法，屬于大氣科學研究領域。
技術介紹
地形重力波是地球大氣中常見的波動，是層結穩定氣流受地形擾動所產生。當地形重力波發生破碎時，能夠將其攜帶的動量傳遞給環境氣流并導致氣流減速。這種效應被稱為地形重力波拖曳。Palmeretal.研究發現，在數值天氣和氣候模式中引入地形重力波拖曳，能夠有效提高對地球大氣的模擬。由于地形重力波拖曳的水平尺度通常都較小，無法直接被數值模式分辨，即次網格物理過程，因此需要對其進行參數化。地形重力波拖曳參數化可追溯至上世紀80年代，主要經歷了兩個發展階段。早期的地形重力波拖曳采用線性單波機制，即地形重力波動量由一個與地表風場平行的單波垂直上傳，重點探討地形重力波破碎對中高層大氣環流的影響，例如，Palmeretal.1986；McFarlane1987。隨著非線性地形重力波研究的進展，眾多學者對線性重力波拖曳參數化方案進行改進，額外考慮了地形阻擋以及低層重力波破碎等非線性過程，提出了第二代地形重力波拖曳參數化方案，例如，KimandArakawa1995；LottandMiller1997；ScinoccaandMcFarlane2000；Websteretal.2003；KimandDoyle2005。目前第二代地形重力波拖曳參數化方案已經發展較為完善，被廣泛應用于多個國家和地區的數值天氣和氣候模式，如歐洲中間尺度天氣預報中心、加拿大氣候模擬和分析中心、美國天氣研究和預報模式以及中國的全球中期/區域中尺度同化與預報系統。現有的地形重力波拖曳參數化方案，通常只考慮地形重力波的垂直傳播。近年來，地形重力波的三維傳播，特別是水平傳播，越來越受到人們的關注。根據安第斯山南部地區的地形重力波衛星觀測，Wellsetal.對英國氣象局采用的地形重力波拖曳參數化方案進行評估，發現地形重力波的水平傳播能夠導致數值模擬與觀測之間的顯著差異。Jiangetal.研究指出，在安第斯山南部以及南極半島激發的地形重力波，能夠水平傳播數百公里至60°S附近的海洋。McLandressetal.通過在氣候模式中人為地增加60°S附近的地形重力波拖曳，有效緩解了模式對南半球中高緯度大氣環流模擬的系統性偏差。此外，Eckermanetal.研究發現，地形重力波的水平傳播能夠導致波動振幅隨高度減小，從而阻止地形重力波破碎以及地形重力波拖曳的產生。因此，為了更加準確地表征地形重力波動量傳輸對大氣環流的影響，提高數值模式的精度，需要全面考慮地形重力波的三維傳播，尤其是水平傳播，建立新的地形重力波拖曳參數化方案。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是針對現有的地形重力波拖曳參數化方案中對重力波水平傳播處理的不足，提供一種新的地形重力波拖曳參數化方法，以便更好地表征地形重力波拖曳對大氣環流的影響，提高數值模式的模擬能力。為了解決上述技術問題，本專利技術的考量水平傳播因素的地形重力波拖曳參數化方法，其特征在于：包含如下步驟，步驟1：根據數值模式的次網格地形h(x，y)，低層大氣風速UL和大氣層結NL，計算氣流經過地形的阻擋高度zblk；步驟2：對阻擋高度zblk以上的次網格地形進行二維傅里葉變換，得到地形的譜分布其中K＝(k，l)為水平波數矢量；步驟3：從位于阻擋高度zblk之上的第一個模式層開始，進行如下步驟處理，步驟3.1：根據數值模式水平風場V(zk)＝[U(zk)，V(zk)]，以及地形的譜分布計算地形重力波的振幅η(zk)，其中zk為第k層的模式高度；步驟3.2：根據地形重力波的振幅η(zk)，計算波動理查森數其中為平均氣流的理查森數，Vz為垂直風切。若波動理查森數小于臨界值Ric，則地形重力波達到飽和，計算地形重力波的飽和振幅ηsat(zk)以及地形重力波水平動量的垂直通量τ(zk)，從而重力波被平均氣流吸收的動量通量為若波動理查森數大于臨界值Ric，則地形重力波沒有達到飽和，繼續垂直傳播，重復步驟3.1，直至達到模式頂層。上述方法中，所述阻擋高度其中hm為次網格地形的最大高度，Frc為預設的臨界弗雷德數，通常取0.5至1。低層大氣風速UL和大氣層結NL取次網格地形最大高度以下模式各層的平均值，其中大氣層結計算公式為其中g為重力加速度，θ為位溫。上述方法中，所述地形重力波的振幅η(zk)通過如下步驟獲取，A.使地形重力波由nk×nl個波動分量疊加構成，其中nk和nl為k和l方向的波分量個數。對于全體波動分量，波數大小為k＝(0.5+ik)Δk，l＝(0.5+il)Δl，(ik＝0，1，2，...，nk，il＝0，1，2，...，nl)，其中Δk＝2π/L，Δl＝2π/L，L為模式單個網格大小；B.根據高斯波束近似方法，波動分量Kc的振幅可表示為，其中為垂直波數，Vzz為水平風場的垂直曲率，為波動位相，為Heaviside函數，為高斯波束振幅，(σk，σl)＝Gc(Δk，Δl)為高斯波束寬度，Gc為可調參數，通常取0.4至0.5，i為虛數單位，矩陣A和P以及A的行列式分別為，在上述公式中，下標c表示對波動分量Kc進行計算，下標0表示位于地表處的物理量；C.依次對各個波動分量的振幅進行計算，然后疊加，最終可得次網格內部地形重力波的振幅為上述方法中，所述步驟3.2中臨界理查森數Ric＝0.25時，所述地形重力波飽和振幅可通過如下方式進行計算地形重力波水平動量的垂直通量τ(zk)為其中ρ0為地表大氣密度，M和N為次網格地形的格點數，Δx和Δy為次網格地形分辨率，v＝(u，v)為波動水平速度，計算公式為本專利技術的地形重力波拖曳參數化方法與現有方法相比，具有以下幾方面優點：1.能夠表征地形重力波的水平傳播。以定常氣流經過三維圓鐘地形激發的重力波為例，圖1給出了波動動量通量的垂直分布。在只考慮重力波垂直傳播的情形下，波動動量通量不隨高度變化；反之，若考慮地形重力波的水平傳播，則次網格內部的動量通量隨高度減少。2.能夠表征環境風場的垂直切變及彎曲對地表動量通量的修正。在現有的參數化方案中，地形重力波在地表處的動量通量只和地表水平風速有關。然而環境風場的垂直切變以及彎曲都能對地表動量通量產生影響，并且垂直切變越強，即理查森數越小，影響越顯著。以風場為例，圖2給出了地表動量通量的增幅與理查森數之間的關系。當Ri＝1時，地表動量通量增強了約18％。隨著理查森數的增大，地表動量通量的增幅逐漸減小。3.能夠表征環境風場方向性切變導致的重力波連續吸收現象。已有的參數化方案都沒有考慮環境風場方向隨高度的變化，即方向性風切。然而在實際大氣中，水平風場的方向往往隨高度改變。風場的方向性切變導致地形重力波在垂直傳播過程中連續地被平均氣流吸收，從而重力波動量通量隨高度減小，見圖3。附圖說明圖1定常氣流經過三維圓鐘地形激發的重力波動量通量的垂直分布圖，其中實線考量了地形重力波的水平傳播，虛線只考慮重力波的垂直傳播；圖2地表動量通量的增幅與理查森數之間的關系圖；圖3方向性切變氣流經過三維圓鐘地形激發的重力波動量通量的垂直分布圖；圖4海南島地形分布圖，圖中每個格點為50km；圖52014年7月海南島本文檔來自技高網...

【技術保護點】
考量水平傳播因素的地形重力波拖曳參數化方法，其特征在于：包含如下步驟，步驟1：根據數值模式的次網格地形h(x，y)，低層大氣風速U

【技術特征摘要】
1.考量水平傳播因素的地形重力波拖曳參數化方法，其特征在于：包含如下步驟，步驟1：根據數值模式的次網格地形h(x，y)，低層大氣風速UL和大氣層結NL，計算氣流經過地形的阻擋高度zblk；步驟2：對阻擋高度zblk以上的次網格地形進行二維傅里葉變換，得到地形的譜分布其中K＝(k，l)為水平波數矢量；步驟3：從位于阻擋高度zblk之上的第一個模式層開始，進行如下步驟處理，步驟3.1：根據數值模式水平風場V(zk)＝[U(zk)，V(zk)]，以及地形的譜分布計算地形重力波的振幅η(zk)，其中zk為第k層的模式高度；步驟3.2：根據地形重力波的振幅η(zk)，計算波動理查森數其中為平均氣流的理查森數，Vz為垂直風切，若波動理查森數小于臨界值Ric，計算地形重力波的飽和振幅ηsat(zk)以及地形重力波水平動量的垂直通量τ(zk)，從而重力波被平均氣流吸收的動量通量為若波動理查森數大于臨界值Ric，繼續垂直傳播，重復步驟3.1，直至達到模式頂層。2.如權利要求1所述的考量水平傳播因素的地形重力波拖曳參數化方法，其特征在于：所述阻擋高度其中hm為次網格地形的最大高度，Frc為預設的臨界弗雷德數，低層大氣風速UL和大氣層結NL取次網格地形最大高度以下模式各層的平均值，其中大氣層結計算公式為其中g為重力加速度，θ為位溫。3.如權利要求1或2所述的考量水平傳播因素的地形重力波拖曳參數化方法，其特征在于：所述地形重力波的振幅η(zk)通過如下步驟獲取，A.使地形重力波由nk×nl個波動分量疊加構成，其中nk和nl為k和l方向的波分量個數，對于全體波動分量，波數大小為k＝(0.5+ik)Δk，l＝(0.5+il)Δl，(ik＝0，1，2，...，nk，il＝0，1，2，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐昕，王元，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32