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数值模式中次网格尺度地形效应的参数化研究

作　者: 薛海乐
导　师: 沈学顺
学　校: 中国气象科学研究院
专　业: 气象学
关键词: 地形拖曳力单柱模拟次网格尺度地形动量交换 GRAPES
分类号: P425.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

由于模式的分辨率有限,不能被模式分辨的地形称为次网格尺度地形,次网格尺度地形在热力和动力方面对实际大气有着不可忽略的作用,其效应只能通过参数化的形式回馈给模式。本研究主要针对次网格尺度地形的动力过程参数化,一般而言,次网格尺度地形的动力作用主要包括:(1)湍流过山引起的次网格尺度湍流地形拖曳力;(2)次网格尺度地形对气流的阻挡、分流并在背风坡形成背风涡引起的阻挡(分流背风涡)地形拖曳力;(3)气流过山激发出的地形重力波向上传播并发生破碎引起的重力波地形拖曳力。本文重点研究湍流地形拖曳力的性质与影响,及其湍流地形拖曳力的次网格尺度参数化。在数值模式中考虑湍流地形拖曳力的影响,以往只是单纯地将此影响归结为增加地表粗糙度,称为有效粗糙度法。近年来,根据渐近理论,利用数值模拟的方法发展了理论上和实用性上更为完善的新一代湍流地形拖曳力参数化方案,该类方案在考虑了坡度和坡向的影响前提下,通过独立的物理过程方案来影响模式,并具有三维特性,而不像有效粗糙度法只局限于地表。在数值天气预报模式中考虑湍流地形拖曳力的影响,对完善模式物理过程和改善模式近地层预报效果具有积极意义。本文通过单柱模式模拟了湍流地形拖曳力的特性,比较了“有效粗糙度法”和“直接参数化法”的优劣,并进一步比较了两种近年来发展并得到应用的湍流地形拖曳力参数化方案。文章通过在GRAPES有限区域模式中设置理想起伏地形,分别讨论了两种方案对地形水平尺度和分辨率的敏感性。得出一些有指导意义和实际应用意义的结论。最后,将两个方案接入到GRAPES有限区域模式中,进行了个例模拟并与NCEP再分析资料进行了比对,检验湍流地形拖曳力方案对模式的改进作用,讨论其对局地低层风场和其他近地层气象要素的影响。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-17
  1.1 引言  7-8
  1.2 气压拖曳力相关研究的回顾  8-11
    1.2.1 湍流地形拖曳力  8-9
    1.2.2 阻挡（分流背风涡）地形拖曳力  9-10
    1.2.3 重力波地形拖曳力  10-11
  1.3 讨论与意义  11-16
    1.3.1 讨论  11
    1.3.2 意义  11-16
  1.4 论文结构安排  16-17
第二章湍流地形拖曳力理论基础和拖曳力参数化方案简介  17-22
  2.1 湍流地形拖曳力的理论基础  17-19
    2.1.1 湍流地形拖曳力的产生机制  17-18
    2.1.2 地形拖曳力的计算  18-19
  2.2 地形拖曳力参数化方案简介  19-22
第三章一维模式及其对湍流地形拖曳力的模拟  22-36
  3.1 一维模式简介  22-23
  3.2 湍流地形拖曳力的性质与作用  23-25
  3.3 有效粗糙度法与直接参数化法的比较  25-28
  3.4 ECMWF 与HIRLAM 湍流地形拖曳力方案的比较（一维模式结果）  28-34
    3.4.1 动量通量垂直廓线比较和风速垂直廓线比较  28-32
    3.4.2 地表拖曳力随坡度的变化  32-33
    3.4.3 各项动能倾向垂直廓线的比较  33-34
  3.5 本章小结  34-36
第四章 GRAPES 有限区域模式对湍流地形拖曳力的模拟  36-60
  4.1 GRAPES 模式简介  36
  4.2 基于 GRAPES 有限区域模式的理想试验  36-39
  4.3 基于 GRAPES 有限区域模式的理想试验--多尺度测试  39-45
  4.4 湍流地形拖曳力参数化方案在 GRAPES 有限区域中的实况模拟和应用  45-59
    4.4.1 试验简介  45-46
    4.4.2 初步诊断  46-50
    4.4.3 垂直特征  50-52
    4.4.4 结果讨论  52-59
  4.5 本章小结  59-60
第五章结论与讨论  60-62
  5.1 主要结论  60-61
  5.2 有待进一步研究和讨论的问题  61-62
参考文献  62-67
致谢  67-69
个人简介  69

数值模式中次网格尺度地形效应的参数化研究

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