[發明專利]地形重力波舉力參數化方法

有效

• 申請號: 201710793968.8
• 申請日: 2017-09-01
• 公開（公告）號: CN107609250B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 徐昕;王元;唐瀅
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了地形重力波舉力的參數化方法，包含如下步驟，計算模式氣流經過地形的阻擋高度；計算阻擋高度以上地形的譜分布；計算地形重力波各分量對應的擾動速度；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：計算模式水平風場方向的變化；計算與水平風場垂直的波動分量的動量通量；計算地形重力波舉力。本發明的方法對環境風場的方向性垂直切變進行了處理，能更好地表征地形重力波動量傳輸對大氣環流的影響，提高模式的模擬能力和預報水平。

技術領域

本發明涉及數值模式中地形重力波的參數化方法，尤其針對方向性切變氣流中激發的地形重力波舉力參數化方法，屬于大氣科學研究領域。

背景技術

層結穩定氣流受地形擾動產生的地形重力波，是對流層大氣和中高層大氣相互耦合的重要物理過程。垂直傳播的地形重力波能夠將動量由地表輸送至地球大氣的中高層，通過波流相互作用影響中高層大氣環流的動量和能量收支。在大尺度數值模式中，地形重力波通常為次網格物理過程，無法直接被數值模式分辨，因此需要對其進行參數化。Palmeret al.1986研究發現，在模式中應用地形重力波參數化能夠有效緩解模式的系統性偏差(如西風偏差和冷極偏差)，從而提高模式的模擬能力和預報水平。

通常研究認為，地形重力波的動量傳輸將導致平均氣流減速，這種效應被稱為地形重力波拖曳。針對這一現象，諸多學者對其進行廣泛的研究，建立了不同的地形重力波拖曳參數化方案。例如，Palmer et al.1986和McFarlane 1987根據線性波動理論以及波飽和假設，率先實現了氣候數值模式中的地形重力波拖曳參數化。此后，隨著非線性地形重力波研究的進展，大地形的阻擋效應以及低層地形重力波破碎等非線性過程，也逐漸被納入地形重力波拖曳參數化方案，例如，Kim and Arakawa 1995；Lott and Miller 1997；Scinocca and McFarlane 2000； Webster et al.2003；Kim and Doyle 2005。截至目前，地形重力波拖曳參數化已經被廣泛應用于多個國家和地區的大氣環流模式和化學氣候模式，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等。

盡管如此，次網格地形重力波的參數化也還存在一些不足。具體來說，現有的拖曳參數化方案都沒有考慮環境風場的方向隨高度變化，即方向性垂直風切。但是實際大氣的風向通常隨高度旋轉，如熱成風。在這種情況下，地形重力波的動量傳輸將會施加一個與環境風場垂直的作用力(Broad 1995；Shutts 1995)。在流體力學領域，將與流體運動方向垂直的作用力稱為舉力。因此，在方向性垂直切變氣流中產生的地形重力波，其動量傳輸將使氣流發生旋轉，而非減速。這一效應可稱之為地形重力波的舉力效應。地形重力波的舉力能夠誘發氣旋性或反氣旋性環流，對天氣系統的發生發展具有重要影響(Lott and Martine2007)。

綜上所述，為了更好地表征地形重力波動量傳輸對中高層大氣環流的影響，提高模式的模擬能力和預報水平，需要考慮方向性垂直風切對地形重力波動量傳輸的影響，建立地形重力波舉力參數化方案。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有的地形重力波參數化方案中對環境風場的方向性垂直切變處理的不足，提供一種新的地形重力波舉力參數化方法，以便更好地表征地形重力波動量傳輸對大氣環流的影響，提高模式的模擬能力和預報水平。

為了解決上述技術問題，本發明的考量環境風場方向性垂直切變的地形重力波舉力參數化方法，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_L和大氣層結N_L，計算氣流經過地形的阻擋高度z_blk；

步驟2：對阻擋高度z_blk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；