中尺度数值模式大气边界层多尺度特征模拟能力分析与研究

摘要

水平分辨率的提高是改进数值天气模式大气模拟能力的重要途径，研究分辨率提高对气象数值模式模拟能力的影响对于解决目前模式的不足和进一步提高模式的模拟能力具有十分重要的意义。本文从分析高水平分辨下数值模式再现大气运动多尺度细节这一较新的角度来探讨这一问题。文中利用2001年7月在我国内蒙古奈曼旗农牧交错带进行的国家973研究计划“我国未来生存环境演变和北方干旱化趋势预测研究”大气边界层观测试验数据。首先分析该地区的边界层大气运动基本尺度细节特征。然后应用ARPS(Advanced Regional PredictionSystem)中尺度数值模式，以NCEP分析资料为初始场和边界场，设计一个九重嵌套的数值模拟试验，提取不同分辨率下u、v、w、θ、p气象要素的模拟结果，并应用谱分析、小波分析等方法探讨不同分辨率下的模拟能力差异。最后应用WRF(Advanced Research Weather Research and Forecasting Model)中尺度数值模式，在同一地区以NCEP分析资料为初始场和边界场，设计三个四重嵌套的数值模拟试验，每个试验采用不同的边界层参数化方案。提取不同参数化方案下10m风u、v分量和2m温度t的模拟结果并应用谱分析、小波分析等方法探讨不同方案下的模拟能力差异。
　　 研究结果表明：实际大气运动中存在多尺度特征，不同物理量的尺度特征表现有较大差异，温度等受外在周期因子影响较直接的物理量尺度特征更明显稳定，而风的多尺度特征较弱且更不稳定。天气变化在尺度分析中表现为中小尺度的突变信息，而且能在大尺度特征上增强或抑制局部特征信息。数值模式在高分辨率群组和低分辨率群组中都存在冗余分辨率，具体的冗余分辨率要视模拟对象的尺度特征而定。本文研究中除接近50km、20km和3km外的水平分辨率都为冗余分辨率，在这些分辨率上模拟结果并不会有显著改变。此外随着分辨率的提高数值模拟结果的整体可信度也越来越低，单纯的提升水平分辨率对改善大气模拟效果的影响有限。在各个试验方案下模式对自由大气的模拟能力都要强于低层大气。数值模式对尺度特征较强的物理量如温度等在各分辨率和参数化方案下的模拟结果都较好，而特征较弱的物理量如风等则较差。采用相同基本理论的参数化方案间模拟结果较为接近。各边界层参数化方案在高分辨率下都能够在不同程度上再现观测中出现的尺度细节特征。但从整体上看各方案的模拟能力普遍不强，对边界层风的模拟能力犹弱，不过白天的模拟结果相对好于夜间。模拟所得的风廓线随时间的演变要明显比实测更加剧烈，模拟出的风廓线风速也要普遍大于实测。边界层数值模拟结果中较大尺度特征信息要强于实际观测中的相同尺度特征信息，而较小尺度信息则比实际观测要弱。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究意义

1.2国内外研究进展

1.3本文主要研究内容

第二章研究方法简介

2.1.ARPS与WRF简介

2.1.1 ARPS简介

2.1.2 WRF简介

2.2研究资料与数据分析方法

2.2.1秩和检验

2.2.2方差分析

2.2.3谱分析

2.2.4小波分析

第三章 实际观测多尺度运动特征分析

3.1引言

3.2谱分析

3.3小波分析

3.4本章小结

第四章数值模拟实验

4.1多水平分辨率数值模拟试验方案

4.2多水平分辨率数值模拟试验分析

4.2.1数据采样及统计检验

4.2.2谱分析

4.2.3小波分析

4.3多水平分辨率数值模拟试验小结

4.4多参数化方案数值模拟试验方案

4.5多参数化方案数值模拟试验分析

4.5.1谱分析

4.5.2小波分析

4.5.3风廓线分析

4.6多参数化方案数值模拟试验小结

第五章结论与展望

5.1全文总结

5.2讨论与展望

参考文献

硕士研究生期间科研情况及发表的文章

致 谢