冰雹过程的惯性重力波动力机制的观测和数值模拟研究

摘要

本文根据贵州地区冰雹过程中的惯性重力波的观测事实对惯性重力波进行了理论及数值模拟研究。通过探测发现大气重力波有明显的活动规律：重力波强度在冬春季强于夏秋季，在5月和10月发生急剧减弱和加强的转变，无天气过程时晚上比白天强，尤其短周期的重力波，周期为40-80min的重力波平均强度最强，其他较弱。在斜压大气和考虑积云对流加热条件下，运用积云对流参数化、Taylor公式展开等方法，推出惯性重力波的非线性KdV方程，求出其孤立波解，以此解释以上得出的大气重力波的活动规律：惯性重力波强度随风速垂直切变增大而增大，急流是最重要的惯性重力波波源，是重力波强度在冬春季强于夏秋季的主要原因，亚洲急流在5月和10月的北跃和南落，是重力波强度发生急剧变化的原因，急流下方是激发惯性重力波最强的地方。一般情况下，惯性重力波强度随着大气背景流场绝对涡度增大而增大，正涡度对惯性重力波起激发和增强的作用。当惯性重力波向下传播时，波的强度随层结稳定度(N2)增大而增大，由于太阳辐射的作用白天大气层结稳定度比晚上小，这解释了在无天气过程时晚上重力波强度强于白天的原因。惯性重力波强度和波的频率成正比，这解释了周期为40--80min比周期为140-160min的重力波强的原因。重力波强度还与非线性积云对流参数常数b及科氏力参数f成正比。利用WRF中尺度模式对贵州省普定县的一次降冰雹过程进行数值模拟，使用Morlet小波分析方法对模式输出结果进行周期性分析，得出这次过程中惯性重力波的分布规律，并结合重力波观测事实、动力学因子和天气系统进行分析，总结出惯性重力波的发生发展的动力学机制。在降冰雹前，每隔1-4小时出现一次短周期的阵性重力波增强的现象。数值模拟显示，在高空层，短周期重力波在降冰雹前弱，降冰雹后强度较强，而长周期重力波在降冰雹前强度比较强，在降冰雹后强度变弱。长周期重力波在降冰雹后周期变短明显，重力波随着高度加强。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2国内外研究进展

1.2.1重力波的观测研究进展

1.2.2激发惯性重力波的波源研究进展

1.2.3惯性重力波非线性方程及波动解的研究进展

第二章大气重力波观测资料分析

2.1本文研究采用的观测方法

2.2大气重力波观测资料分析

2.2.1大气重力波活动的季节变化特征

2.2.2大气重力波活动的日变化特征

2.2.3大气重力波波谱分布特征

第三章问题的提出与研究内容

3.1问题的提出

3.2主要科学问题

3.3主要研究内容

3.4本研究特色与创新

第四章非线性惯性重力波方程的振幅解

4.1惯性重力波的基本方程

4.2非线性重力波KdV方程的推导

4.3 KdV方程椭圆余弦波解或孤立波的振幅解

4.4影响惯性重力波发生发展的因子分析

第五章一次降冰雹过程的重力波观测事实

5.1观测情况介绍

5.2一次降冰雹过程的惯性重力波事实分析

5.3小结

第六章惯性重力波的数值模拟

6.1数值模拟方案设计

6.1.1 WRF中尺度模式介绍

6.1.2中尺度数值模拟方案设计

6.2惯性重力波周期的提取方法

6.2.1本研究的重力波的表示方法

6.2.2 Morlet小波分析

6.3实况天气形势分析

6.4数值模拟效果检验

6.5惯性重力波数值模拟结果分析

6.6小结

第七章数值模拟结果的动力学分析

7.1急流

7.2地形

7.3切变线或锋面

第八章总结

8.1结论

8.2讨论

参考文献

致谢