收藏本站
《中国科学技术大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

全球大气环流模式中平流层风场准两年振荡现象的模拟

于超  
【摘要】:热带地区平流层风场的准两年振荡现象(QBO)是中高层大气中重要的动力学过程。研究表明,包括开尔文波,混合罗斯贝-重力波在内的赤道特征波,惯性重力波和小尺度的对流重力波都是QBO现象所需动量通量的重要来源。这些波动具有不同的特征,但在赤道附近的活动都极为显著。QBO现象的影响非常广泛,通过不同的过程,QBO能对高纬地区的极涡产生一定影响,并与MLT区域的半年振荡(SAO)相互耦合,同时赤道附近的电离层状态也会受到QBO影响。QBO的观测已经经过了很长时间的数据积累,但由于探测手段的局限,缺乏能有效覆盖全区域范围的探测手段,因此QBO现象的模式模拟就具有了非常重要的意义。QBO已经可以被许多大气模式(GCMs)所模拟,并与观测具有较好的一致性。但是在全球大气环流模式(WACCM)中,现行WACCM4.0模式不能自行激发QBO现象,仍然使用强加的风场来作初始驱动。造成这种问题有几个可能的原因。一是模式中缺少必要的重力波参数化过程,QBO缺少必须的驱动力。(Xue et al.(2012)在之前的工作中通过向模式中添加理想化的惯性重力波谱成功实现了对QBO的模拟。这个理想化的重力波参数化建立在Lindzen的线性化理论基础之上并考虑了科里奥利力的影响,但有很多不足之处。在我们第一部分的工作中,我们通过分析赤道附近无线电探空仪数据为重力波的分布提供了观测依据。无线电探空仪数据中提取出的准单色重力波展现出一种沿着背景风正方向和负方向的"双高斯谱"叠加形态,我们以此作为新惯性重力波参数化的依据。之后我们进行了一系列的模拟,研究惯性重力波的谱参数对QBO风场,振幅,持续时间等特征的影响。所有的模拟都能在WACCM标准分辨率下产生近似QBO的风场振荡,QBO在周期,振幅,显著高度等方面有不同特征。重力波两个高斯分布峰值处的相速度实际上表征重力波相速度谱的宽度,两个峰值的大小与QBO风场振幅成正比,与QBO周期成反比。东向和西向的重力波对QBO振幅的影响是相对独立的,但共同作用于QBO周期;重力波谱两个峰值的高度表征重力波携带动量通量的大小,直接决定风场加速和减速的快慢,更大的重力波谱峰值会产生更短周期的近似QBO振荡,但动量通量的大小对纬向风场振幅影响较小。惯性重力波提供的动量通量能够影响QBO风场的显著范围,更强的动量通量会使东向QBO风场向下延伸到更低高度,反之亦然。此外,参数化的间歇性因子反映重力波活动在时间尺度上的频繁程度,对QBO周期也有显著的影响。而更高层的周年振荡,半年振荡也会与QBO活动有明显的耦合。在分析了这些因素之后,我们选取适合的参数进行了一个长时间的模拟,生成的QBO相比之前的工作在振荡周期,东相位的显著高度和参数化的真实性几个方面更加接近观测结果。二是WACCM模式中大于1千米的垂直分辨率对重力波上行的动力学和热学过程造成阻碍。上行重力波在到达临界层而停止传播之前,可能在每一层大气中通过饱和破碎作用而逐渐释放动量通量,模式粗糙的垂直分辨率无法还原出合适的大气分层结构,重力波与背景相互作用不足因而造成QBO驱动力不足。我们尝试通过不同程度地提高WACCM模式的垂直分辨率、改变对流参数化强度和考虑是否添加惯性重力波参数化,这三种方法对WACCM模式激发QBO的必要条件进行探讨。研究中我们认为,简单地提高对流参数化对QBO的激发没有显著作用;但提高模式垂直分辨率可以提高各种上行波动的动量通量传播效率,单独应用这种方法可以在模式中模拟出QBO振荡的雏形;WACCM模式中,QBO的驱动力有三个主要来源,分别是赤道特征波,对流重力波和惯性重力波。这些波动在QBO驱动过程中的作用彼此之间无法相互替代,缺一不可。三是WACCM现行版本采用有限体积元(FV)作为模式的基本单元,而CAM5模式中采用的光谱元素动力学单元(SE)与之相比,可以有效避免有限体积方法中的极区效应,并更好地承载大气动力学过程。由于暂时无法更换WACCM的模式单元,因此更深入的研究将在后续工作中进行。基于几十年对准两年振荡现象的观测和模拟工作,我们对QBO形成机制有了较为清楚的认识。针对WACCM模式在QBO激发过程中可能存在的缺陷,本文的核心目标有三个,分别是研究WACCM4.0中QBO特征与重力波参数之间的对应关系;设定合适的惯性重力波参数化,在之前工作基础上,模拟一个与观测较为一致的QBO;分析模式中多种重力波参数化过程的有无、模式分辨率高低对QBO的激发的必要性。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P433

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 吴少平,易帆;三维可压大气中重力波波包非线性传播的数值模拟[J];中国科学E辑:技术科学;2002年02期
2 刘晓;徐寄遥;;重力波与不同背景风场之间的非线性相互作用[J];自然科学进展;2006年11期
3 余志豪;重力波浅谈[J];气象;1980年11期
4 吴津生,王宗皓,董双林;全球资料分析中重力波的重要性[J];气象学报;1982年02期
5 覃卫坚;寿绍文;王咏青;;大气对流层重力波研究进展[J];气象科技;2013年05期
6 王咏梅,王英鉴,徐寄遥;非线性重力波对中高层氢氧大气的影响[J];中国科学(A辑);2000年S1期
7 丁锋,万卫星,袁洪;耗散大气中风场对内重力波传播的影响[J];空间科学学报;2000年02期
8 王咏梅,徐寄遥,王英鉴;对流层上传重力波的非线性演化[J];地球物理学报;2001年02期
9 丁锋,万卫星,袁洪;耗散大气中水平不均匀风场对内重力波传播的影响[J];地球物理学报;2001年05期
10 岳显昌,易帆;下行重力波波包在可压大气中的传播[J];空间科学学报;2001年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 丁锋;万卫星;袁洪;;重力波风场滤波现象的射线跟踪研究[A];第九届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2000年
2 何裕金;易帆;;大气重力波观测的运动学检验[A];第十届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2003年
3 安英玉;;重力波特征的雷达观测与分析[A];第26届中国气象学会年会人工影响天气与大气物理学分会场论文集[C];2009年
4 安英玉;张云峰;张剑侠;;初春一次具有明显重力波特征的雷达观测与分析[A];第27届中国气象学会年会大气物理学与大气环境分会场论文集[C];2010年
5 马兰梦;张绍东;;对流层及低平流层重力波源谱的分析[A];中国地球物理学会第二十七届年会论文集[C];2011年
6 岳显昌;易帆;;有限振幅重力波在可压大气中的非线性传播[A];第十届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2003年
7 黄春明;张绍东;易帆;;波状扰动激发重力波波包的能量转换特性研究[A];第十届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2003年
8 徐寄遥;;二维大气光化学-动力学耦合的重力波模式[A];第十一届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2005年
9 刘晓;徐寄遥;马瑞平;;时间分裂法在重力波非线性传播数值模拟中的应用[A];第十一届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2005年
10 涂翠;胡雄;;大气重力波成像观测事件分析[A];第十四届全国日地空间物理学术研讨会论文集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 单久;当心气象官能症[N];人民政协报;2002年
2 南京医科大学公共卫生学院教授 姜允申;气象官能症[N];健康报;2002年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 丁锋;背景风场影响下大气重力波的传播特性研究[D];中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所);2001年
2 丁霞;对流激发重力波及波流相互作用研究[D];武汉大学;2011年
3 吴建飞;热带气旋重力波的激发和传播机制研究[D];中国科学技术大学;2016年
4 韩於利;中高层大气测温测风激光雷达研制及重力波观测[D];中国科学技术大学;2016年
5 帅晶;全球重力波活动的SABER/TIMED观测研究[D];武汉大学;2013年
6 徐昕;方向性切变基流经过三维圆钟地形激发的重力波动力学研究[D];南京大学;2014年
7 巴金;激光雷达中间层顶重力波垂直输送观测研究[D];中国科学院国家空间科学中心;2017年
8 王翠梅;利用地基气辉观测对中层顶区大气重力波以及Na层气辉辐射特性的研究[D];中国科学院国家空间科学中心;2017年
9 于超;全球大气环流模式中平流层风场准两年振荡现象的模拟[D];中国科学技术大学;2017年
10 吴少平;中高层大气中三维重力波非线性传播的数值研究[D];中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所);2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 汪亚冲;辨明大洋海啸于中性粘滞大气层的扰动响应分析[D];南京航空航天大学;2014年
2 魏栋;重力波过程中平流层对流层交换的研究[D];兰州大学;2015年
3 宫明晓;夏季华南地区深对流活动对平流层大气重力波的影响研究[D];中国海洋大学;2015年
4 王宇虹;次网格地形重力波参数化方案在青藏高原的应用及数值模拟研究[D];中国气象科学研究院;2016年
5 严志玉;海啸所引发的大气重力波在电离层的扰动响应研究[D];南京航空航天大学;2016年
6 余文宝;大气重力波的数值模拟和波谱分析[D];中国科学技术大学;2009年
7 王永;重力波非线性相互作用和暴雨[D];南京信息工程大学;2005年
8 李晓青;渤海南部次重力波混合的初步研究[D];中国海洋大学;2006年
9 王雪莲;利用高分辨探空资料分析热带下平流层重力波活动[D];南京信息工程大学;2006年
10 张灵杰;青藏高原上空重力波的观测和模拟分析[D];中国气象科学研究院;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026