关于球面大气对热力和地形强迫的线性响应读书报告

关于球面大气对热力强迫的线性响应读书报告 本篇报告主要是在我对热力强迫部分做了研读的基础上，阐述了文章该部 分的内容，阅读感悟以及存在的疑问。但仍以内容介绍为主。 作者在此之前，介绍了前人对这个问题的相关研究工作，其中有 Charney 和 Eliassen 对大尺度的热力和地形强迫作用造成的大气中稳定、线性响应的描 述，Derome 和 Wiin-Nielsen 使用 -平面准地转模式，Egger 的半球两层原始方 程模式，以及使用大气环流模式（GCM）分别对孤立山体和异常热源的模拟分 析。须注意到，以上，这些模式都是在正压模式下进行的，对大气做了大量的 简化才得出的结论。在这篇文章中,作者为了更进一步的贴近真实大气、研究响 应机制，使用了半球的斜压模式。 作者使用的是原始方程和 -坐标系，在水平方向上用谱方法进行研究，采 用的是菱形截断。在垂直方向上，作者采用的是二阶有限差分方法，在垂直方 向上共分五层， 分别为 0.1，0.3，0.5，0.7 和 0.9。 1 下面主要针对热力强迫部分做深入介绍： a.引言 这一节从线性、非黏性、-平面的涡度方程和引入了加热项 Q 的位温方程 出发，利用热成风关系，讨论了对于不同纬度中风场和温压场的配置。 作者定义了一个数 ，=f 2u/(N2HQH)，用来判定大气加热主要是通过水平 平流，还是垂直平流进行平衡。如果 1，那么大气加热是通过垂直平流进行 平衡；如果 1，那么大气加热时通过水平平流进行平衡。而在水平平流中， 具体是由纬向平流还是由经向平流进行平衡，这主要是要看 Hu 和 HQ 的大小。 如果 HuHQ，则以纬向平流为主；如果 Hu0。那么由（3.1 ）式可知，对于长波来说， 伸展项必须由 项平衡，也就是说 v0，即存在向极运动，进而地面槽必须要 在热源的西面。 在中纬度地区，情况则完全相反， 一般比较大，所以在各层上的加热都 是通过水平温度平流进行平衡，那么具体是纬向平流还是经向平流呢？对于深 源，H Q 远大于 Hu 的情况，热源主要是通过来自极区的较冷空气进行平衡，那 么 v0，进而地面槽必须在热源的东部。对于长波，在涡度方程中，由 项引 起的涡度变化，必然由涡度的衰减来平衡（ 0） （v0, 变小，故/wz wz0） 。在浅源，即 HQ 和 Hu 尺度大小差不多时，加热的平衡也部分由沿温度 梯度的纬向平流提供。进而槽仍然是在热源的东部。以上是利用解析式进行说 明，那么从下节开始作者分别对不同情况的热源（包括位置、垂直分布等一些 其他情况）进行了数值模拟。 b.副热带热力强迫 第二部分中，讨论描述的斜压模式对副热带孤立热源强迫的响应。热源的水 平分布在偏心率为 4 的 15和次轴 16的正切平面上椭圆的平方结构内，因此 在 7-23以外地区有负的热力强 迫。每一个纬度上不考虑纬向平均值， 所以在 的经度范围内是纬向一3 致冷却。加热区被表示在图 fig.3c 中，此时垂直加热廓线正比于 在 500hpa 有极大值。因为线sin 性计算，次响应的强度只有通过强迫 的强度来确定，为此我们取定最大平 均垂直加热率为 2.5k/天，这相当于 10mm/天的降水量释放的潜热。对于 标准双谐哦耗散，我们引入按 5 天的 e 折叠时间线性衰减的速度和温度波 动，这是边界层处理的主要一个主要 代表。在更高的模式层里温度波动仅 以 10 天的 e 折叠时间衰减，这表明 了瞬时涡度的辐散效应和辐散过程， 模式线性化用到的纬向气流可以再北 半球冬季观测到。 与图 fig2a 一致，由加热引起的加 热速度场，在热源区是上升的，有着 同热源一致的三维结构。最大上升率 在 900hpa 是 22hpa/天，在 500hpa 是 67hpa/天。热源附近的高度场结 构见图 fig3a,这是 18.1N 处的纬 度高度刨面图，此垂直结构类似 于第一内部模式的垂直结构。Gill(1980)在研究热带大气对热源强迫的响应时 应用了该结构及 平面近似。与 gill 的结果一致，在热源以西 15处，上层 有气压扰动极大值，在低层有气压扰动极小值。相应的表层扰动气压极小值为- 2.6hpa，热源处 900hpa 向极风有 2.2m/s 的极大值，有 2.2k 的 900hpa 温度的 极大值，热源附近的整体图像与图 fig2a 相吻合。 低层扰动主要限制在热源区，但这在对流层上层不成立，图 fig3b 给出了 300hpa 的涡旋扰动，该形式与正压模式十分相似。尽管伴随着正压积分是稳定 的，认为在热源的向极向东一侧建立起波列的想法是很好的。在 35N 下游 60E 产生波的分离现象v 的纬向波束继续向极地移动，在下游 70 N110E 处产生一个极大值，而后高层波数转向赤道，极地波列在另一个半球 转向赤道。图 fig3c 给出了 300hpa 相应的高度场扰动，强调了又-6.5dam 的极 低值的分布和-11dam 极低值的分布形势的向极分量。 作者实际想表达的东西其实主要在第二、三两张图中。在第二张图上，在 热源的强迫作用下，形成了一个向极区和热源东部运动的波列（也就是热源的 东北方） ，波列一直传播到下游 60E，在 35N 地区出现波的分裂，长波继续 向极区运动，并且在下游 110E，在 75N，产生了一个最大值，在越过极点 后继续在另一个半球上向赤道传播；短波则在分理处转向，朝向赤道运动。第 三张图与其相对应，在向极区运动的波列中，分别形成了 6.5 和 11 十位势米的 最大高低中心。 c.某些中纬度强迫 这节中作者把热源放置在 45N 地区，只是改变了热源的形状，其他要素 不变进行讨论。在第一张图中我们可以看到和（1）中的讨论相一致，平衡项完 全不同了，主要是由水平平流进行平衡。在低层，槽位于热源东部。中层 Hu 大 约是 8km，那么纬向平流也起到平衡作用（此处和副热带地区研究时的第一张 图的作用相同，均是要验证模式） 。 在第二、三张图中我们可以看到，在源区上有一个正值，波列在下游 30 E，长波既向极区传播也向赤道传播。相应的高度场上的扰动和副热带源类似， 只是强度略有减弱。 如果把源的形状改为椭圆，那么上层的形式，无论是形状还是大小都和副 热带源所造成的响应一样，所以所选择的源的振幅对于热带地区是合理的，但 是对中纬度地区则显得偏大了。我们选择的热源强度，在热带很合理而对中纬 度而言偏大，因此我们得出结论，对于这里的辐散，在副热带地区的异常加热 场比在中高纬度的异常加热场更容易引起中高纬度地区高度场的异常。 之后作者改变了位于 45N 的热源的垂直分布。可以看到低层可以看到低 层槽加强，存在温度的正扰动，但是对流层高层对热源的垂直分布并不敏感。 根据热成风关系，作者得到以下结论： 深加热 正涡度随高度增加 负温度扰动 浅加热 正涡度随高度减少 正温度扰动 这可能被认为浅层加热在远离赤道处是相对明显的。但是在某些情况下， 由瞬时涡旋引起的向上的加热场的涡旋流能够产生加热场的深层分布。 在许多深层和浅层的中纬度加热试验中，垂直涡度场表现为热源前部微弱 上升，在后部下沉。极值小于 10mb/天。 d一些其他原因 这一节中作者讨论了响应对各种要素的敏感性。 首先是热源所处位置的讨论。在赤道的热源，由于 f 很小，并且各层都在东 风气流中，所以几乎没有涡度的产生。随着热源往极区移动，向极运动的波列 的位相会发生改变，但是轨迹是相似的。在 20N30N 之间平衡项会从垂 直运动平流向水平平流转变。在之前 45N 位置放置一个半径是其两倍的热源， 所产生的波列比由因子 2 所产生的波列要大，这和热源强迫中的长波分量增加 项一致。最后应该注意到，如果把浅热源放置在 60N，而不是 45N，就会 产生更大的低层响应，这主要是因为高纬度温度梯度较小，因此需要更大的经 向平流。 然后是温度、速度耗散。可以发现，位相和振幅均不敏感。接着是双调和 消散作用。因子 5 的增加和因子 2 的减少对其均没有影响，因子 3 的减少和因 子 1.4 的增加都只能对振幅进行小的改变。但是需要注意的是，由于因子 5 导 致 K 的减少的情况下，产生了一个不一样的形式，这可能是由于这个值对于零 风速线来说，不足以使其作为吸收器，而赤道墙变成了一个伪反射器。 最后讨论了三种不同的附加纬向风对其影响。第一种是在基本纬向风上乘 上系数，从 0.7-1.4，步长为 0.1。对于小系数，轨迹相似，但是波长明显较小。 随着系数的增大，则波列的形式和之前研究的结果逐渐相接近。但是当增大到 1.2 的时候，对于波数 3 存在了共振的现象。系数继续增大的话，共振现象消 失，响应主要由波数 1 主导。第二种是在赤道上的各层基本纬向气流上再加上 一个等于 3ms-1 的定常角速度。在 15N 椭圆形深热源中，虽然和之前有一些 区别，但是总体上还是很相似的。在 45N 浅热源中，基本相似，但是响应会 减小到原来的 2/3。这种情况是由于更大的纬向平流造成的更大的补偿。第三 种是纬向风在各层上的纬向廓线是 sin2sin(latitude)，在 30N 有最大值。同 样也能够得到相同性质的图像。 2 疑问： 由于自己本身能力有限，在阅读时对作者想要表达的意思不能非常准确的 把握，再加上我在大气环流方面的知识积累不够充足，对于相关的知识也不甚 了解；另一方面是因为这篇文章所涉及的内容还是相当广泛的，包括了数值模 拟和大气动力学的内容，对阅读者的要求比较高。因此我存在了许多的疑问， 不能对此文章做出真