保真模式中尺度个例数值实验及分析检验

摘要

模式动力框架的设计理论和方法是决定模式发展水平的重要因素之一。保真模式是一个新开发的具有质量能量守恒性质的非静力中尺度模式。目前对于保真模式的数值试验及检验工作做得较少，尤其是利用动能谱研究方法对其进行检验的工作还完全是空白。本文通过大量数值对比试验，开展了以下多个方面的研究：模式对一次由于西南低涡引起的大暴雨的模拟诊断分析；模式动能谱的实际表现；水平分辨率对模式动能谱的影响；Spin up过程模式动能谱的演变特征；保真模式的最大有效分辨率；保真模式与WRF模式动能谱的分布特征比较；模式在几个疑难局地暴雨中的表现及定量降水检验。取得了如下结论：
　　 保真模式在一次广西大暴雨模拟的过程中有较强的模拟能力，模拟的降水场、700 hPa上风场及低涡结构均与实况非常一致，模式细网格输出的物理量能较好地揭示这次暴雨产生的机制和背景场发展演变的过程。
　　 保真模式的动能谱与观测得到的实际大气动能谱极为相似，模式不仅能模拟出大尺度E∝ k-3的能谱特征，还能够复制出E∝ k-5/3的中尺度动能谱及大尺度向中尺度动能谱过渡的特征。在水平分辨率与动能谱关系的研究中发现：提高保真模式的水平分辨率不但可以提高模拟更小尺度系统的能力，还不会影响模式分辨大尺度系统的能力。
　　 通过分析得到模式的Spin up时间约为3-5小时，保真模式有着很好的Spinup启动机制，这对于精细化的临近数值预报非常重要。对模式的有效分辨尺度的研究表明：模式动能谱约在4△x波长处明显偏离了实际大气动能谱曲线，因此认为保真模式的最高有效分辨尺度约为4△x。
　　 另外，本文还对保真模式在2007年汛期的四个局地暴雨个例进行了定量降水预报评分检验，并与国际上常用的WRF、MM5进行比较，发现保真模式能够对局地强对流天气做出较强的预报，模式能够达到或超过国际上先进模式的预报水平。
　　 综上所述，不管是在物理空间上，还是在谱空间上，保真模式都表现出了极强的数值模拟能力。通过本文的研究得到了保真模式在中尺度数值模拟方面的表现和特点以及模式的最高有效分辨尺度、模式动能谱与水平分辨率的关系、Spin up过程变化等主要结论，为研究、优化改善和应用保真模式提供了一定的科学指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1引言

1.2问题的提出

1.3论文研究的目的、内容和方法

1.4章节安排

1.5本文的创新

第二章 保真模式的动力框架及模式设计

2.1引言

2.2模式预报量及控制方程组

2.2.1连续方程

2.2.2运动方程

2.2.3气压方程

2.3保真模式的空间离散方案及时间离散方案

2.4保真模式的软件构架及运用

第三章 保真模式对一次广西暴雨的数值模拟检验及分析

3.1引言

3.2天气形势分析

3.3大尺度物理量的诊断分析

3.3.1水汽分析

3.3.2低涡进入广西时的涡度、散度场分析

3.4保真模式的数值模拟试验及分析

3.4.1模式方案介绍

3.4.2降水模拟及实况对比

3.4.3流场模拟及实况对比

3.4.4低涡结构模拟及实况对比

3.4.5西南低涡的结构及演变特征

3.4.6低涡与降水的关系及物理量场分析

3.5本章小结

第四章 保真模式动能谱的数值试验结果及分析

4.1引言

4.2动能谱检验的理论及方法

4.2.1傅立叶变换原理

4.2.2 DCT算法介绍

4.2.3基于DCT的动能谱计算方法

4.3动能谱在大气观测、分析及研究中的应用

4.4模式方案设计

4.5保真模式动能谱检验

4.5.1不同层面上的动能谱特征

4.5.2不同水平分辨率的动能谱特征

4.5.3保真模式动能谱的Spin up时间

4.5.4保真模式的最大有效分辨尺度

4.5.5保真模式与WRF动能谱的比较

4.6本章小结

第五章 保真模式在局地强降水实例中的预报效果检验

5.1引言

5.2资料来源及QPF检验方法

5.2.1资料来源及数值试验设计

5.2.2降水预报检验方法

5.3保真模式在2007年北京局地强降水预报中的效果检验

5.3.1个例1：0717强降水

5.3.2个例2：0730暴雨

5.3.3个例3：0801暴雨

5.3.4个例4：0806降水

5.4本章小结

第六章 结论与讨论

6.1论文的主要结论

6.2未来的工作计划

参考文献

致 谢