[發明專利]非靜力地形重力波參數化方法

有效

• 申請號: 202110338600.9
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113011037B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 徐昕;李閏秋;張蓉蓉
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 北京金蓄專利代理有限公司 11544
• 代理人: 喬賀

本發明公開了非靜力地形重力波參數化方法，包含如下步驟：計算靜力地形重力波地表動量通量和非靜力效應對地形重力波動量通量的修正因子；計算非靜力地形重力波地表動量通量；從位于地形高度之上的第一個模式層開始,進行如下步驟處理：計算地形重力波振幅；計算波動Richardson數以及地形重力波的飽和振幅和動量通量；若波動Richardson數大于臨界值Risubgt;c/subgt;，則繼續垂直傳播，直至模式頂層。本發明的方法對地形重力波的非靜力效應進行處理，能夠更好地表征高分辨率數值模式中的次網格地形重力波動量傳輸及其對大氣環流的影響，提高模式在復雜地形下的模擬預報能力。

技術領域

本發明涉及數值模式中地形重力波參數化方法，尤其針對高分辨率數值模式中的非靜力地形重力波參數化方法，屬于大氣科學研究領域。

背景技術

地形重力波是數值模式的重要次網格物理過程，對于準確的數值天氣預報和氣候預測具有十分重要作用。傳統數值模式水平分辨率較粗，因此次網格地形的水平尺度也較大，激發的重力波為靜力平衡的波動(McFarlane?1987)。近年來，隨著數值模式的發展，模式的水平分辨率也不斷提高，已經由百公里達到十公里量級，如ECMWF的IFS預報系統采用全球9km分辨率。在這種情況下，地形重力波的動力結構特征和動量傳輸將受到非靜力效應的顯著影響(Xue?et?al.2000)，因此為非靜力地形重力波。

對于非靜力的地形重力波，通常無法求出解析解，因此無法得到非靜力地形重力波的動量通量，給參數化帶來很大挑戰。為此，Smith(1980)提出采用二維快速傅里葉變換的方法對重力波進行求解，即數值求解。很顯然，該數值方法無法用于地形重力波參數化方案。此后，Shutts(1998)等人采用物理空間的射線追蹤方法(spatial-ray?tracing)來近似求解地形重力波。然而該方法僅能得到重力波的遠場解，在地形正上方存在焦散點，波射線理論不再適應。為了克服這一難題，Broutmanet?al.(2002)發展了譜空間中的波射線追蹤方法，即Fourier-ray?tracing技術，有效避免了物理空間中地形上方的焦散點。然而該方法在浮力頻率的轉折點仍存在焦散點。近年來PulidoandRodas(2011)采用高階的波射線近似方法(即高斯波束近似法)對地形重力波進行近似求解。與傳統的波射線方法相比，該方法考慮了不同的波射線對中心波射線的貢獻，因此能夠有效避免傳統射線追蹤理論中的焦散點問題。利用該方法，Xu?et?al.(2017)研究了方向性切變對地形重力波動力結構和動量傳輸的影響，取得較好的效果。然而，高斯波束近似需要考慮不同的波射線貢獻，計算量十分巨大，無法應用于業務化的地形重力波參數化。

綜上所述，為了滿足高分辨率數值模式的發展需求，需要發展非靜力地形重力波動量通量的計算方法。在此基礎上，對傳統的靜力地形重力波參數化方案進行改進，發展非靜力地形重力波參數化方案。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有地形重力波參數化方案無法表征非靜力效應，提出一種新的非靜力地形重力波參數化方案，以滿足高分辨率數值模式的發展需求，提高模式在復雜地形下的模擬預報能力。

為了解決上述技術問題，本發明提出的非靜力地形重力波參數化方法包含如下步驟：

步驟1：計算靜力地形重力波地表動量通量τ_s。

步驟2：計算非靜力效應對地形重力波動量通量的修正項α。

步驟3：計算非靜力地形重力波的地表動量通量τ₀＝(1+α)τ_s。

步驟4：從位于次網格地形高度之上的第一個模式層開始，進行如下步驟處理，

步驟4.1：根據模式的水平風場U_i、V_i以及大氣密度ρ_i和層結N_i,計算地形重力波振幅H_i。