(完整版)4-2014-09-中尺度-重力波G

中尺度氣象學(xué)

MesoscaleMeteorology（4）

壽紹文南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院

201４.0９第三章自由大氣中的重力波§3.1重力波的觀測(cè)特征及天氣背景§3.2重力波的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)§3.3重力波的結(jié)構(gòu)及其對(duì)天氣的影響§3.4重力波的發(fā)生發(fā)展

§3.1重力波的觀測(cè)特征及天氣背景重力波是靜力穩(wěn)定大氣受到擾動(dòng)后產(chǎn)生的振蕩的傳播重力波重力波的性質(zhì)重力波是垂直橫波重力波的類型大氣很高層重力波大氣很低層重力波大氣主體層重力波

（天氣尺度、次天氣尺度、中尺度）波長(zhǎng)>1，000km4.4-300km振幅0.1-5hPa0.9hPa重力波的作用1引起CAT；2觸發(fā)對(duì)流；3高低層交換；4大中小交換§3.2重力波的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)波的位相傳播各向異性波長(zhǎng)較長(zhǎng)的重力波，位相傳播方向接近垂直波長(zhǎng)較短的重力波，位相傳播方向接近水平波的能量傳播各向異性波長(zhǎng)較長(zhǎng)的重力波，能量傳播方向接近水平波長(zhǎng)較短的重力波，能量傳播方向接近垂直

§3.3重力波的結(jié)構(gòu)及其對(duì)天氣的影響

高低高低§3.4重力波的發(fā)生發(fā)展

Ri<0.25令空氣微團(tuán)的初始平衡位置為z=0,則

熱成風(fēng)調(diào)整與重力波的發(fā)生發(fā)展

渦度的變化機(jī)理（個(gè)別變化）1）散度制造項(xiàng)在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，輻合流場(chǎng)轉(zhuǎn)化為氣旋式旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)（正渦度）；輻散流場(chǎng)轉(zhuǎn)化為反氣旋式旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)（負(fù)渦度）2）地球自轉(zhuǎn)渦度轉(zhuǎn)化項(xiàng)北風(fēng)：地轉(zhuǎn)偏向力的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)闅庑斤L(fēng)速切變的東風(fēng)；地球自轉(zhuǎn)渦度轉(zhuǎn)化為相對(duì)渦度（正）；南風(fēng)：地轉(zhuǎn)偏向力的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榉礆庑斤L(fēng)速切變的西風(fēng)；地球自轉(zhuǎn)渦度增加，相對(duì)渦度減?。ㄘ?fù)）；輻散、輻合流場(chǎng)中的地轉(zhuǎn)偏向力（用粗箭頭表示）的分布均勻的經(jīng)向氣流中地轉(zhuǎn)偏向力的分布（地轉(zhuǎn)偏向力用粗箭頭表示，箭頭的長(zhǎng)度表示地轉(zhuǎn)偏向力的大?。┥⒍鹊淖兓瘷C(jī)理（個(gè)別變化）1）氣壓梯度力散度制造項(xiàng)高壓：氣壓梯度力向外制造輻散；低壓：氣壓梯度力向內(nèi)，制造輻合；2）渦度轉(zhuǎn)化項(xiàng)正渦度：在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛饬?；?fù)渦度：在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)檩椇蠚饬?；在重力位?shì)中心附近的氣壓梯度力（用箭頭表示）的分布3）緯向氣流制造項(xiàng)西風(fēng)：在不均勻的地轉(zhuǎn)偏向力作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閹л椇系谋憋L(fēng)；東風(fēng)：在不均勻的地轉(zhuǎn)偏向力作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閹л椛⒌哪巷L(fēng)；旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中地轉(zhuǎn)偏向力的分布（地轉(zhuǎn)偏向力用粗箭頭表示）在均勻的緯向氣流中地轉(zhuǎn)偏向力的分布（地轉(zhuǎn)偏向力用粗箭頭表示，箭頭長(zhǎng)度代表力的大?。囟茸兓鸬葔好娓叨茸兓o力學(xué)關(guān)系：等壓面高度取決于溫度溫度局地變化引起等壓面高度變化不均勻的溫度局地變化，引起局地等壓面形勢(shì)變化，造成氣壓梯度力的變化等壓面厚度公式熱力學(xué)方程和溫度局地變化（水平）溫度平流絕熱變化（垂直平流和絕熱個(gè)別變化）非絕熱變化地轉(zhuǎn)平衡情況下，w=0；干空氣絕熱過程中，Q

0物理意義設(shè)不變變大

變小小,接近地轉(zhuǎn),大,非地轉(zhuǎn)是地轉(zhuǎn)調(diào)整產(chǎn)生重力波的動(dòng)力條件可能出現(xiàn)大振幅中尺度重力波RossbynumberRo=2p/fTGravityWaveSynopticEnvironment

(UcceliniandKoch1987)VgExitregionoftheupper-leveljetstreakwhereflowisstronglydiffluentandunbalancedColdsideofasurfacefrontalboundary非平衡流的診斷分析非線性平衡方程可以表達(dá)為：（1）（1）式是通過對(duì)散度方程的尺度分析，去掉了所有包含散度，垂直速度和水平速度中的散度成分的項(xiàng)而得到的。應(yīng)用于小時(shí)間尺度，包含了曲率的影響。（1）式中，F(xiàn)為位勢(shì)高度，為二維拉普拉斯算子；，u為水平風(fēng)速分量，J為雅各比算子；f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，z為相對(duì)渦度；。四項(xiàng)均可通過模式輸出的高空風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng)資料進(jìn)行計(jì)算。Zhang等的分析與計(jì)算表明，當(dāng)NBE的量級(jí)與（1）式右端三項(xiàng)相比較小時(shí)，非線性平衡假設(shè)成立，即流場(chǎng)處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)；當(dāng)NBE的量級(jí)與右邊三項(xiàng)的量級(jí)相同或者較大時(shí)，流場(chǎng)處于非平衡狀態(tài)。這時(shí)，質(zhì)量場(chǎng)（氣壓）與動(dòng)量場(chǎng)（速度）重新向平衡態(tài)調(diào)整，從而產(chǎn)生重力波。（1）式可用于分析模式輸出場(chǎng)中非平衡流的量級(jí)。在前人的研究中，波動(dòng)形成的區(qū)域就是的極值區(qū)。高空急流出口區(qū)域，非線性平衡方程右端四項(xiàng)的和有明顯的非零值FuqingZhangModelingandDynamicsofaLarge-AmplitudeMesoscaleGravityWavesalongthe

EastCoastoftheUnitedStates

(Zhangetal.2001QJRMS;Zhangetal.2003MAP)Bosartetal.(1998)14Z4Jan1994CASE14January1994GravityWaveObservations

(Bosartetal.1998,MWR)

GWgeneratedat06~07Z,wavelength~100km,

phasespeed~27m/s,amplitude~7-8mb24-hGravityWaveAnimationat13km24-hGravityWaveAnimationat13km24-hGravityWaveAnimationat13km24-hGravityWaveAnimationat13kmSummaryofIdealizedSimulationsIdealizedsimulationofthebaroclinic-wavelifecycleisapromisingtest-bedforunderstandingmesoscalegravitywavesPhysically-realisticlong-livedvertically-propagatingmesoscalegravitywaveswithLx=100-200kmaresimulated

originatingfromupper-troposphericjetstreakexitregionResidualofnonlinearbalanceequationisusefulindiagnosingimbalanceandpredictingthelocationofwavegenerationBalanceadjustment,asageneralizationofgeostrophicadjustment,isthelikelymechanismingeneratingthesemesoscalegravitywavesCASE22005年12月山東半島強(qiáng)降雪過程的數(shù)值模擬與中尺度特征分析

利用非靜力平衡模式MM5V3.6對(duì)2005年12月3日影響山東半島的一次強(qiáng)降雪過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其中中尺度重力波（MGW）的特征進(jìn)行分析。并且通過非線性平衡方程（NBE）對(duì)高分辨率模式數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，較詳細(xì)的說明了非平衡流的出現(xiàn)而引起的地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程以及地形強(qiáng)迫對(duì)重力波產(chǎn)生和發(fā)展的作用，和他們對(duì)強(qiáng)降雪過程的影響。研究表明：這次強(qiáng)降雪過程中的中尺度重力波波長(zhǎng)約為100km，相速約20m/s。在有利的大尺度環(huán)流形勢(shì)下，太行山的地形強(qiáng)迫與非平衡流是其產(chǎn)生的首要機(jī)制，而冬季海陸熱力差異形成的海洋的熱力作用也是造成區(qū)域性強(qiáng)降雪的一個(gè)重要原因。非線性平衡方程（NBE）對(duì)于非平衡流的診斷對(duì)于確定波動(dòng)產(chǎn)生區(qū)域和波動(dòng)的傳播方向方面有比較好的指示作用。通過對(duì)波動(dòng)的結(jié)構(gòu)以及維持機(jī)制所作的分析，這次過程中的中尺度重力波符合波導(dǎo)條件和Wave-CISK理論框架。因此，波動(dòng)能夠從環(huán)境場(chǎng)中得到足夠的能量從而維持相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，從而造成這次罕見的連續(xù)性強(qiáng)降雪過程。

[1有關(guān)于中尺度重力波的研究一直是中尺度天氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要組成部分，Uccellini和Koch通過對(duì)1949~1986年13次中尺度重力波事件的分析，歸納出了有利于波動(dòng)發(fā)生的概念模型.。他們發(fā)現(xiàn)，重力波頻繁出現(xiàn)在高空急流出口區(qū)域，高空急流出口區(qū)域的非平衡性，地轉(zhuǎn)適應(yīng)和切變不穩(wěn)定是中尺度重力波產(chǎn)生的重要機(jī)制。波動(dòng)通常表現(xiàn)為單個(gè)低壓或者波包的形式，周期為1-4h，水平波長(zhǎng)50-500km,相速為15-35m/s。結(jié)果表明波動(dòng)與降水的強(qiáng)度和分布都有明顯的影響。Ferretti等（1988）曾在重力波發(fā)生區(qū)域用非線性平衡方程進(jìn)行非平衡流的診斷。Zhang等利用幾種大氣中診斷非平衡流的常用方法對(duì)發(fā)生在美國(guó)東海岸的中尺度重力波事件進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果表明，雖然利用不同的診斷方法得到的結(jié)果大致相同，但非線性平衡方程（NBE）在對(duì)非平衡流場(chǎng)的診斷中更加精確。Lindzen和Tung的研究顯示，對(duì)于大振幅的重力波，波導(dǎo)條件是其首要的維持機(jī)制，而Wave-CISK機(jī)制是波動(dòng)放大的一個(gè)可能機(jī)制，這是一個(gè)由CISK過程提供潛熱與波動(dòng)之間的一個(gè)正反饋過程，但是觀測(cè)資料有限的分辨率使得在驗(yàn)證這些維持和放大機(jī)制方面不能提供精確的描述。由于常規(guī)的地面，高空觀測(cè)和客觀分析資料的時(shí)空分辨率較低，難以精確描述中尺度重力波的結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展機(jī)制，中尺度數(shù)值模式已經(jīng)成為揭示這些問題的重要工具。本文利用中尺度非靜力平衡模式MM5V3.6對(duì)2005年12月3日影響山東半島的一次強(qiáng)降雪過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)過程中的中尺度重力波的產(chǎn)生機(jī)制，演變特征及其與降水的關(guān)系進(jìn)行了分析研究。（a）（b）

（a）粗網(wǎng)格模擬12月3日00時(shí)500hpa位勢(shì)高度（長(zhǎng)虛線，等值線間隔為50m）和NBE診斷結(jié)果（細(xì)實(shí)線，等值線間隔為）。（b）模擬同一時(shí)刻500hpa位勢(shì)高度（長(zhǎng)虛線，等值線間隔為50m）和垂直速度分布（細(xì)實(shí)線為正，虛線為負(fù)，等值線間隔為）;點(diǎn)虛線為大同－榮成剖面所沿直線．（a）01時(shí)12月3日大同－榮成垂直速度（閉合等值線，實(shí)線為正值；虛線為值；等值線間隔：03時(shí)

12月3日大同－榮成垂直速度（閉合等值線，實(shí)線為正值；虛線為值；等值線間隔：，陰影為垂直速度大于區(qū)域）和位溫垂直剖面（單位：（a）01時(shí)；（b）03時(shí)；（c）05時(shí)；（d）07時(shí)。

（c）05時(shí)；（d）07時(shí)（a）

（a）17時(shí)；（b）19時(shí)圖4同圖3，但時(shí)間變?yōu)椋╝）17時(shí)；（b）19時(shí)；（c）21時(shí)；（d）23時(shí)。Fig.4AsinFig.3exceptfor（a）1700（b）1900（c）2100（d）2300UTC.（c）

（c）21時(shí)；（d）23時(shí)圖５３日大同－榮成剖面一小時(shí)累積降水量，（a）17時(shí)；（b）19時(shí)；（c）21時(shí)；（d）23時(shí)?？v坐標(biāo)為降水量，單位：（b）（a）（c）（d）17時(shí)Stage1:

WestwardpropagationofremnantMPS intheformofadensitycurrentStage2:DCblockedbyterrainandmeso-betascalecoldridgedevelopedintheoriginalleetroughStage3:ColdridgedevelopsintogravitywaveStage4:Gravitywavepropagatesinawell-definedductductOrographicDensityCurrentandGravityWaves(ZhangandKoch2000,MWR)（1）在降冰雹前，每隔1~4小時(shí)會(huì)出現(xiàn)一次短周期的陣性重力波增強(qiáng)的現(xiàn)象。在降冰雹中有超強(qiáng)的重力波發(fā)生，強(qiáng)度可增強(qiáng)十倍以上。降冰雹后重力波強(qiáng)度比降冰雹前明顯增強(qiáng)，強(qiáng)重力波周期范圍也相應(yīng)變寬了。（2）通過觀測(cè)表明，在同一強(qiáng)度而周期不同的重力波在產(chǎn)生過程中，短周期重力波的產(chǎn)生和消亡都比長(zhǎng)周期重力波在時(shí)間上來得早，長(zhǎng)周期重力波比短周期重力波滯后。（3）在地面觀測(cè)到的大氣重力波基本上都是從西方和北方傳來。

1998年4月11日在普定縣探測(cè)到的大氣重力波的動(dòng)態(tài)譜高靈敏度的電容式微壓波傳感器，微氣壓感應(yīng)靈敏度為10-2Pa，

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