[发明专利]地形重力波举力参数化方法

说明书

本发明公开了地形重力波举力的参数化方法，包含如下步骤，计算模式气流经过地形的阻挡高度；计算阻挡高度以上地形的谱分布；计算地形重力波各分量对应的扰动速度；从位于阻挡高度之上的第一个模式层开始，进行如下步骤处理：计算模式水平风场方向的变化；计算与水平风场垂直的波动分量的动量通量；计算地形重力波举力。本发明的方法对环境风场的方向性垂直切变进行了处理，能更好地表征地形重力波动量传输对大气环流的影响，提高模式的模拟能力和预报水平。

技术领域

本发明涉及数值模式中地形重力波的参数化方法，尤其针对方向性切变气流中激发的地形重力波举力参数化方法，属于大气科学研究领域。

背景技术

层结稳定气流受地形扰动产生的地形重力波，是对流层大气和中高层大气相互耦合的重要物理过程。垂直传播的地形重力波能够将动量由地表输送至地球大气的中高层，通过波流相互作用影响中高层大气环流的动量和能量收支。在大尺度数值模式中，地形重力波通常为次网格物理过程，无法直接被数值模式分辨，因此需要对其进行参数化。Palmeret al.1986研究发现，在模式中应用地形重力波参数化能够有效缓解模式的系统性偏差(如西风偏差和冷极偏差)，从而提高模式的模拟能力和预报水平。

通常研究认为，地形重力波的动量传输将导致平均气流减速，这种效应被称为地形重力波拖曳。针对这一现象，诸多学者对其进行广泛的研究，建立了不同的地形重力波拖曳参数化方案。例如，Palmer et al.1986和McFarlane 1987根据线性波动理论以及波饱和假设，率先实现了气候数值模式中的地形重力波拖曳参数化。此后，随着非线性地形重力波研究的进展，大地形的阻挡效应以及低层地形重力波破碎等非线性过程，也逐渐被纳入地形重力波拖曳参数化方案，例如，Kim and Arakawa 1995；Lott and Miller 1997；Scinocca and McFarlane 2000； Webster et al.2003；Kim and Doyle 2005。截至目前，地形重力波拖曳参数化已经被广泛应用于多个国家和地区的大气环流模式和化学气候模式，如欧洲中间尺度天气预报中心、加拿大气候模拟和分析中心、美国天气研究和预报模式以及中国的全球中期/区域中尺度同化与预报系统等。

尽管如此，次网格地形重力波的参数化也还存在一些不足。具体来说，现有的拖曳参数化方案都没有考虑环境风场的方向随高度变化，即方向性垂直风切。但是实际大气的风向通常随高度旋转，如热成风。在这种情况下，地形重力波的动量传输将会施加一个与环境风场垂直的作用力(Broad 1995；Shutts 1995)。在流体力学领域，将与流体运动方向垂直的作用力称为举力。因此，在方向性垂直切变气流中产生的地形重力波，其动量传输将使气流发生旋转，而非减速。这一效应可称之为地形重力波的举力效应。地形重力波的举力能够诱发气旋性或反气旋性环流，对天气系统的发生发展具有重要影响(Lott and Martine2007)。

综上所述，为了更好地表征地形重力波动量传输对中高层大气环流的影响，提高模式的模拟能力和预报水平，需要考虑方向性垂直风切对地形重力波动量传输的影响，建立地形重力波举力参数化方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有的地形重力波参数化方案中对环境风场的方向性垂直切变处理的不足，提供一种新的地形重力波举力参数化方法，以便更好地表征地形重力波动量传输对大气环流的影响，提高模式的模拟能力和预报水平。

为了解决上述技术问题，本发明的考量环境风场方向性垂直切变的地形重力波举力参数化方法，包含如下步骤，

步骤1：根据数值模式的次网格地形h(x，y)，低层大气风速U_L和大气层结N_L，计算气流经过地形的阻挡高度z_blk；

步骤2：对阻挡高度z_blk以上的次网格地形进行二维傅里叶变换，得到地形的谱分布其中K＝(k，l)为水平波数矢量；