（气象学专业论文）局地经向环流模式的改善和应用.pdf

局地经向环流模式的改善和应用 局地经向环流模式的改善和应用 专业：气象学 硕士生：邹海波 指导教师：袁卓建教授 摘要 局地经向环流模式中必须将构成水平环流的经向风分量( v h c ) 和纬向环流 的垂直分量( o ) z c ) 作为已知量处理，旧方案选用地转风近似估算该已知量和 6 8 z c ，这将模式的有效模拟范围限制在1 0 。s 一1 0 。n 以外。本研究针对这一缺 陷设计了新的估算和方案。新方案是利用观测风的水平旋转分量来估算 和。利用新方案估算得到的己知量和代入模式显著地改善了赤道 附近经向环流的模拟结果。本研究还利用改善后的局地经向环流模式定量诊断了 e 1n i n o 来年春季华南地区降雨偏多和l an i n a 来年春季华南地区降雨偏少事 件。结果表明e 1n i n o 年来年( 相对于l an i n a 年来年而言) 春季华南地区上升 低纬下沉的f e r r e l 型经向环流偏强，造成这一现象的主要因子包括非绝热加热、 平均层结稳定与垂直运动、平均西风动量平流和平均温度平流过程：( 1 ) 华南地 区水汽通量辐合偏强，其南北侧水汽通量辐散偏强；( 2 ) 华南地区纬圈环流的垂 直分量( 缈矿) 下沉偏强，其南北侧的6 0 z c 上升偏强；( 3 ) 华南地区暖平流偏强， 其南北侧的冷平流偏强；( 4 ) 低纬至华南地区低层( 9 2 5 h p a ) 东风动量平流偏强， 高层( 3 0 0 h p a ) 西风动量平流偏强。因此经向环流的异常不仅与南北方向动力热 力因子异常分布有关还与东西方向的动力热力因子异常分布有关。 关键词：经向环流，数值诊断，e ln i n o ，l an i n a 局地经向环流模式的改善和应用 t h ei m p r o v e m e n ta n da p p l i c a t i o no fl o c a lm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o n m o d e l m a j o r ： n a m e ： s u p e r v i s o r ： a b s l 。r a c t m e t e r o l o g y z o uh a i b o p r o f e s s o ry u a nz h u o j i a n i nt h el o c a lm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o nm o d e l ，t h ec o m p o n e n to fm e r i d i o n a lw i n d ( 1 ，解) t h a tc o n s t i t u t e dh o r i z o n t a lc i r c u l a t i o na n dt h ec o m p o n e n to f v e r t i c a lm o t i o n ( ) t h a tc o n s t i t u t e d z o n a lc i r c u l a t i o nm u s tb ek n o w nq u a n t i t i e s o l dm e t h o d e s t i m a t e dv h ca n d ( o z cb yg e o s t r o p h i ca p p r o x i m a t i o n i tw i l ll e a dt h ee f f e c t i v e s i m u l a t i o nz o n er e s t r i c t e do u t s i d e10 os - 1 0 o n u s i n gt h er o t a t i o n a lc o m p o n e n to f o b s e r v a t i o n a lw i n d ，an e wm e t h o di sd e s i g n e dt oe s t i m a t e a n d ( o z ca n ds o l v e t h es h o r t c o m i n g b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fo l da n dn e wm e t h o d s ，w e f i n dt h a tt h en e wm e t h o ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h el o c a l m e r i d i o n a lc i r c u l a t i o nm o d e ln e a rt h ee q u a t o r i nt h i sp a p e r , w ea l s od i a g n o s e q u a n t i t a t i v e l yt h a tt h e r ei sm o r er a i n f a l ln e x ts p r i n go fe 1n i n oe p i s o d ea n dl e s s r a i n f a l ln e x ts p r i n go fl an i n ae p i s o d ei ns o u t h e mc h i n a t h er e s u l ts h o w st h e f e r r e lc e l lt h a tt h eu p w a r dm o t i o nl o c a t e di ns o u t h e r nc h i n aa n dt h ed o w n w a r d m o t i o nl o c a t e di nl o w - l m i t u d ei ss t r o n gn e x ts p r i n go fe ln i n oe p i s o d e ( c o m p a r e dt o l an i n ae p i s o d e ) t h em a i nf a c t o r si n c l u d et h ed i a b a t i ch e a t i n g ，t h em e a ns t a t i c s t a b i l i t ya n dv e r t i c a lm o t i o n ，t h em e a nt e m p e r a t u r ea d v e c t i o na n dt h em e a nw e s t e r l y m o m e n t u ma d v e c t i o n ：( 1 ) s t r o n gw a t e rv a p o rf l u xc o n v e r g e n c ei ns o u t h e r nc h i n aa n d s t r o n gw a t e rv a p o rf l u xd i v e r g e n c ei ns o u t ha n dn o r t ho fs o u t h e r nc h i n a ；( 2 ) s t r o n g d o w n w a r dm o t i o no ft h ev e r t i c a lc o m p o n e n to fz o n a lc e l l ( 6 0 z c ) i ns o u t h e r nc h i n a a n ds t r o n gu p w a r dm o t i o no f6 8 z ci ns o u t ha n dn o r t ho fs o u t h e r nc h i n a ；( 3 ) s t r o n g 局地经向环流模式的改善和应用 w a r ma d v e c t i o ni ns o u t h e r nc h i n aa n ds t r o n gc o l da d v e c t i o ni ns o u t ha n dn o r t ho f s o u t h e r nc h i n a ；( 4 ) s t r o n ge a s t e r l ym o m e n t u ma d v e c t i o ni n9 2 5h p aa n ds t r o n g w e s t e r l ym o m e n t u ma d v e c t i o ni n3 0 0h p af r o ml o w - l a t i t u d et os o u t h e r nc h i n a t h u st h ea b n o r m a lm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o nn o to n l yr e l a t e st ot h ea b n o r m a ln o r t h - s o u t h d i s t r i b u t i o no ft h et h e r m o d y n a m i ca n dd y n a m i c a lf a c t o r s ，b u ta l s or e l a t e st ot h e a b n o r m a le a s t w e s td i s t r i b u t i o no ft h et h e r m o d y n a m i ca n dd y n a m i c a lf a c t o r s k e yw o r d s ：m e r i d i o n a lc i r c u l a t i o n ，n u m e r i c a ld i a g n o s i s ，e ln i n o , l an i n a 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刍尸务农 日期：砂7 年口6 月9 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：鲫新动疋 日期：1 年f 月夕日 聊虢莒漩 吼7 年6 月汨 第一章引言 第一章引言 由于地球是球状的，且地轴与黄道平面斜交，因此赤道地区由太阳短波辐射 和大气长波辐射造成的辐射净收支为正，从而在赤道地区形成了一个加热区。极 地地区由太阳短波辐射和大气长波辐射造成的辐射净收支为负，从而在极地地区 形成了一个冷却区。赤道和两极之间，这种热力差异驱使了大气和海洋的环流运 动，以保持地气系统能量收支平衡。在这些环流运动中，大气的经向环流的主要 作用是完成大气的热量、动量、水汽的经向输送【l - l o 。由于地球海陆分布不均匀， 而海陆比热相差很大，因此在大陆与海洋交界地区出现季风，夏季风将低纬洋面 的暖湿空气输送至季风区【蝇1 1 i ，从高纬陆面来的干冷空气把夏季风输送的暖湿 空气抬升，造成云雨及各种天气。在季风区，低层水汽辐合带随季节变化和季风 强弱发生进退，造成季风区内各种尺度天气，是人们特别关注季风区经向环流原 因之一。作为大气环流的一个主要成员，经向环流与e n s o 也存在着显著的相关 性。o o r ta n dy i e n g e r 1 明认为e in i n o 年北半球全球纬向平均的h a d l e y 环流强，l a n i n a 年北半球全球纬向平均的h a d l e y 环流弱。 以上的研究都利用了纬向对称假设或者全球纬向平均，得到的经向环流为全 球纬向平均的平均态。由于东西方向上海陆分布也存在显著的差异，季风区的经 向环流与其他区域的经向环流作用不同，因此用纬向对称或全球纬向平均的研究 方法来研究季风区的经向环流是不适合的。局地经向环流的数值诊断模式应运而 生并且被应用于研究东亚和印度夏季风的爆发【1 2 1 。这个研究的定量诊断结果表明 南海夏季风爆发早与暖平流出现早有关，而印度夏季风爆发迟与冷平流消失晚有 关。陈桂兴，黎伟标等1 3 1 利用该模式对1 9 9 8 年长江流域洪水期大气季节内振荡 1 第一章引言 特征及机理进行诊断研究，发现低纬地区低频气旋的产生和传播主要与强积云对 流有关的潜热加热、反映越赤道气流影响的边界效应及热量垂直输送作用有关； 而中高纬地区低频气旋的产生和传播则主要与反映西风带扰动的西风动量水平 平流和温度平流作用有关。温之平，吴乃庚等1 铂利用该模式成功地模拟了导致华 南春旱的华南地区( 1 0 5 。e - 1 2 0 。e 纬向平均) 经向环流后，定量地诊断分析了 各动力热力因子对该经向环流的贡献，得出贡献占优的主要因子为潜热加热、经 向温度平流和纬向西风动量平流，全面而客观地找到华南春旱的主要成因。 i 但这个用于诊断局地经向环流流函数沙的模式存在一些问题：问题出在将经 向速度，分解为对水平环流的贡献v h c 和对经向环流的贡献k 两部分( 即 v - = v t l c4 - v m c ) 后对诊断k 而言，k 必然作为已知量事先给定，而原方案近似 用地转风代替。相应地垂直速度国被分解为对经向环流有贡献的和对纬 向环流有贡献的两部分( 即缈= + ) 后对诊断为而言，也必 须作为已知量事先给定。原方案是根据= v g 的纬向平均值和连续方程中 与经向环流无关的关系式：a a p = 一锄缸一a c o s 缈( c o s 幼) ，并运用垂 直积分算出各层的。用以上方法所确定的作为已知强迫因子的和的 值在中高纬地区具有一定的可信度蚓，然而在赤道地区，由于厂0 使得 v g = 细怖) 专，因此用代替不仅会给经向环流流函数在南边界 值( ) 的计算带来不确定性也会给已知量的计算带来不确定性。这就是 为什么将局地经向环流模式用于诊断北半球经向环流时，模式区域内的点的纬度 都大于等于1 0 。n ( 南半球小于等于1 0 。n ) 的缘故。这意味着该模式还不能有 效地反映越赤道气流的影响。 为了更好地模拟越赤道气流对局地经向环流的影响，本文抛弃用地转风近似 估算已知量的旧方案，尝试用y 的观测值推算( 新方案) 。第二部分为所 用资料来源和模式简介。第三部分为新方案的设计和新旧方案的比较分析。第四 第一章引言 部分为利用改善后的局地经向环流模式对华南春季进行诊断研究。第五部分为与 主要强迫因子对应的天气形势。第六部分为结论与展望。 3 第二章资料与模式简介 第二章资料与模式简介 2 1 资料来源与资料预处理 2 1 1 模拟资料与模拟区域选取 因为水平分辨率为1 。x1 。经纬网格资料占用空间大，计算速度慢，不便 于用作气候模拟分析。因此在本文中用于数值诊断模拟的资料选用了水平分辨率 为2 5 。2 5 。经纬网格的逐日n c e p ( 美国国家环境研究中心) 再分析i 资料。 高空气象要素值包括1 2 层( 1 0 0 0 ，9 2 5 ，8 5 0 ，7 0 0 ，6 0 0 ，5 0 0 ，4 0 0 ，3 0 0 ，2 5 0 ， 2 0 0 ，1 5 0 ，1 0 0 h p a ) 的水平风场、位势高度场、温度场、垂直速度场以及比湿场 资料。模式中还使用了地面水平风场、地面气压场、地面温度场、地面高度场、 地面湿度场、地面感热通量场、地面潜热通量场、地面长波净辐射场资料。资料 长度为1 9 7 0 年1 月1 日至2 0 0 8 年1 2 月3 1 日。研究华南地区春季降水特征的资 料选用全国1 6 0 站点1 9 7 0 - 2 0 0 8 年的逐月降水资料( 华南地区有1 4 个站点) 。n i n o 3 4 的s s t 指数来源于n o a a ( 美国国家海洋和大气局) 。 根据温之平、吴乃庚等【3 l 对华南地区的定义，本文选取的模拟区域为：( 1 0 5 。e - 1 2 0 。e ，0 。n 5 0 4n ) ，而华南地区指( 1 0 5 。e 1 2 0 。e ，2 0 。n 2 5 。 n ) 的区域。 2 1 2 模拟程序中对地形的处理 模拟区西侧有云贵高原，故地型呈西高东低的特征，模式必须考虑地形的影 响。在高原以下等压面的网格各气象要素并不存在，计算中应将这些格点去掉。 采用处理方法为：在模式中根据地面气压资料与各等压面气压值，计算某等压面 4 第二章 资料与模式简介 上的格点是否位于地面以下，对处在地面以下的格点，气象要素赋以缺省值 ( - 9 9 9 9 9 ) ，在画图和计算时跳过这些格点。若等压面上的某些格点在近地面， 则将这些格点处各物理量值用对应点上的地面值代替。从而避免因地型高度带来 的虚假信息，增强模式的可信度。 2 2 局地经向环流模式简介 2 2 1 局地经向环流模式推导简介 本文所用局地经向环流模式由袁卓建等扭6 1 ，运用以下地球一p 坐标系中局地 纬向平均的质量、动量、能量等守恒方程推导得到的。这些方程包括： 局地纬向平均的静力平衡方程： 塑：- _( 2 - 1 、 - i= 口 、一 印 由于梯度风平衡是个近似平衡，且平均态的平衡更好，因此该模式所用的梯度风 平衡为局地纬向平均态的梯度风平衡方程： 一挲一可一至堕：0 ( 2 2 ) 砂 口 局地纬向平均的纬向运动方程： 鲁+ 瓦要+ 历罢“娑“娑+ 国，芒一矿i 厂一- l 了g 锄 c o s ( pi - 刀t a n 伊：一芒+ i ( 2 - 3 ) + “+ 一+ 材+ ，。+ 国一，l ，一一一l 一“。，。 伊= 一一+ 量乙 、j ， 西玉 劫 苏 勿劫i 。c o s 矽勿 苏 5 局地纬向平均的热力学方程： 昙卜娑1 + 万墨+ 矿箪一动“掣“掣一万：丝 ( 2 4 ) 一l 一l + 甜+ v 一一盯国+ z ，。一+ 1 ，一一缈仃= 二 i z 。， 西l 印 融 砂 4 苏 砂 。 弘， 局地纬向平均的连续方程： 塑+ 上塑+ 塑：0 ( 2 5 ) 一+ 二+ 一= l z 。) j 孤 c o s 9劬印 其中，局地纬向平均为石= e ( ) d 五 ( 如一 ) ，为位势高度，口为单位体积 的空气质量，口为地球半径，名为经度，p 为纬度，p 为气压，为时间，纵v 、缈 分别为瓢弘p 方向的速度分量，厂为科氏参数，e 为x 方向的摩擦力的分量， 5 第二章资料与模式简介 q = 口，矽( 句秒勿) 为静力稳定度，9 为位温，垂勺为非绝热加热率，气体常数 r = 2 8 7 j k g 。k 一，定压比热勺= 1 0 0 4j k g jk ，d x = a c o s 孕 d 1 ，d y = a d q ，。 对( 2 - 2 ) 分别对r 和p 求导得： 瑶= * 割 六雾= 毒( - 雩 = 一号( 雾 = 茅 ( 2 - 6 ) 2 - 7 ) 其中无= + 2 万t a i l 伊口，在推导( 2 - 7 ) 的过程中用了( 2 - 1 ) a 把( 2 - 6 ) 和( 2 - 7 ) 代入( 2 - 3 ) 得： 昙( 一刳+ 以陲+ 瑶+ 焉+ 弓一帝一孚 + 号历= 厶( 一- 砸f f + 瓦) 陋8 ， 其中绝对涡度万= 厂一o ( 历c o s 9 ) ( c o s 9 0 3 , ) 。为了在模式中引入动力过程和热力过 程，( 2 4 ) 对少求导和( 2 8 ) 对p 求导，用后者求导结果减去前者求导结果得： 导( 动一号矿) + 毒( 爹历一无知) = 如旧再万罢一瑶一弓一瑶+ 孚 一昌l 丝p c 一万墨“警“掣掣+ 币l 1 2 - 9 ) 砂【p o x劣o x o y j 在( 2 - 9 ) 推导过程中只用了动量和热量守恒方程但还没用质量守恒，且在( 2 9 ) 中存在两个诊断经圈环流的未知量；和石，因此以下推导着重于通过运用质量守 恒将诊断两个未知量的问题转化为诊断一个未知量的问题。构成经向一垂直剖面 闭合环流的；和石的旋转部分记为( 一v m c ，瓦) ，故只有( 瓦，o ) m c ) 被视为 因变量，即被诊断的未知函数。为此将( 矿，历) 分解为未知量( 磊，瓦) 和已知量( 磊，石) 两部分，即： 矿= v 犯+ 屹配 ( 2 - 1 0 ) 6 第二章资料与模式简介 国= 玫k + ( 2 1 1 ) 其中磊代表歹中构成水平环流的分量，瓦代表历中构成纬向环流的分量，由 于一v h c 和石被当作已知量引入，将( 2 9 ) 中包含磊和瓦的项当作强迫项移 到方程右边整理得： 导( i 云一号菘 + 毒( 等石一f a o , 一1 ，=万l 吒一万j + 虿l 虿一 ，3 舡旧再虿罢一瑶一焉一瑶+ 孚+ 磊一瓦别 一晏f 丝一百萼一竽磊+ 画“娑“譬一矿娑+ - - 吒t z ；l 。( 2 - 1 2 ) 一面l 嚣吲i 一_ o y + q 叫i 叫。百叫百+ 吒j 。砂i 严p 彩劣优 砂 j 为将含两个未知量磊和石的( 2 1 2 ) 化为只含一个未知量的方程，我们根据 任何平面内的矢量可分为旋转分量和散度分量，且旋转分量具有有旋无辐散特 性，所以代表经圈环流( 涡旋) 的( 一v m c ，瓦) 是经圈平面运动场的有旋无辐 散戊份而绎圈平而有旆于辐散的数学表扶式为： 上堡譬翌+ c a ( j ) m 。c ：0 。 ( 2 1 3 ) c o s 够卸 a p 由( 2 1 3 ) 可引入一个经向环流流函数( 歹) ，其与未知量磊和瓦的关系为m 1 ： ( 2 - 1 4 ) 1 2 - 1 5 ) 把( 2 i 4 ) 和( 2 1 5 ) 代入( 2 i 2 ) 我们就得到一个满足动量、质量、热量方程 且仅有一个未知函数( 即经向环流流函数痧) 的局地纬向平均经向环流诊断方程： 旦f 旦丝+ 上堕业i + 旦f 上堕业+ 丛业1 ： 砂ic o s 砂c o s 砂印j 印ic o s 钞砂c o s 印j 昙 以( 一害再孑票一瑶一碍一瑶+ 孕u h , t a n g + 瓜一磊筹一i 剀 l23 4 5 67 8 9 1 0 缈一印 少秒 筇一哟 够一帅 1一删 。一唧 = = 磊 瓦 第二章资料与模式简介 一品【詈一万篆一詈磊+ 一o , o z c 一“, 百a c t 等+ 习l o ( 2 1 6 ) 一万i 蒿叫瓦一万+叫百叫。万+ j 。 ( 2 - 在( 2 1 6 ) 式中，非绝热加热q 包括感热通量璐、潜热通量如、潜热加热龟 以及太阳短波和大气长波净辐射露。因为非绝热加热与分子运动有关，而目前 我们还无法精确地描述分子运动变化状态，所以非绝热加热计算全部依赖于参数 化。潜热加热计算方法为： q ，：一工堕：一三( 塑+ 材塑+ ，塑+ 堕) ( 2 - 1 7 ) 一 c l l 、敏缸 却却。 其中l = 2 5 0 0 8 x1 0 6 2 3 x1 0 3 ( l 一2 7 3 1 5 ) 。璐、珏和幺均直接利用n c e p 再分析i 提供的资料。 ( 2 1 6 ) 式右端包括了各种动力及热力过程。其中动力因子包含：气压梯 度力( 第1 项) 、摩擦力( 第2 项) 、平均西风动量的纬向平流( 第3 项) 、涡 动西风动量的纬向平流( 第4 项) 、涡动西风动量的经向平流( 第5 项) 、涡 动西风动量的垂直输送( 第6 项) 、曲率项( 第7 项) 、地转偏向力( 第8 项) 、 平均西风动量的经向平流( 第9 项) 以及平均西风动量垂直输送( 第1 0 项) ； 热力因子包括：非绝热加热( 第1 1 项) 、平均纬向温度平流( 第1 2 项) 、平 均经向温度平流( 第1 3 项) 、平均层结稳定度与垂直对流( 第1 4 项) 、涡动 纬向温度平流( 第1 5 项) 、涡动经向温度平流( 第1 6 项) 以及涡动层结稳定 度与垂直运动( 第1 7 项) 。 2 2 2 局地经向环流模式的应用情况 将局地经向环流模式( 2 1 6 ) 用于东亚季风、南海季风、华南春旱等的研究 1 4 , 1 7 - 1 a l 发现模式在1 0 。n 以北区域模拟性能良好，且发现温度平流有超前信号， 对流加热对经向环流强度同期贡献最大，急流对经向环流的贡献在非地转动力因 子中最显著。 但将该模式推广应用到1 0 。n 以南地区，则模拟结果的不确定性逐渐加大， 在赤道地区结果将完全失真。本研究试图克服这一缺陷。 8 第三章问题的分析及解决方案 第三章问题的分析及解决方案 3 1 模式中已知量的估算方案 在局地经向环流方程( 2 1 6 ) 中，只有旷是未知函数。方程右边所有量都作 为已知量要事先给定，才能求( 2 - 1 6 ) 的解矿。然而作为已知量处理的经向风对 水平环流贡献的分量没有直接的观测资料，只能用观测风场或高度场估算得 到。 3 1 1 旧方案中的估算和不足 在原来( 2 - 1 6 ) 的数值计算方案中，作为已知量的被近似看成地转风v g ， 即v g ，用高度场来估算。则经向风对经向环流贡献部分 1 , m c = ，一 ，一= 就作为检验经向环流模式输出结果优劣的“观测场 ， 若由模式输出的矿和( 2 - 1 4 ) 计算出的k 与这个纬向平均的在经向剖面上正 负中心位置、中心值量级等吻合程度越高则认为模式模拟性能越好。 在中纬度地区，大气是准地转运动的，因此上面的近似是合理的。但是在低 纬赤道地区附近，由于地转参数厂0 ，地转平衡很差，因此在低纬赤道地区用 上面的近似是不合理的。由于地转风的计算式为吃= 锄( 觑) ，在纬度趋近赤 道，即厂专0 将使得，= 一o o 。陈桂兴等n 5 1 的研究指出：中高纬地区大气 运动是准地转运动( 图3 1 b ) 。但是在低纬地区( 5 * n ) ，不仅地转经向风与实测 经向风在数值上差别很大( 高层2 0 0 h p a 的差异达到了l o m s ) ，而且从对流层低 层到高层地转经向风和实测经向风随高度的变化趋势呈相反趋势( 图3 1 a ) 。这 a 第三章 问题的分析及解决方案 充分说明了在赤道低纬地区用心估算是不合理的。另外，在实际中，由于厂 是随纬度发生变化的，且可砂；：= 2 c o s 伊a 在赤道最大，因此由厂常数导 致的地转风对垂直运动的贡献在赤道也最大。所以原局地经向环流诊断模式不便 用于赤道低纬地区。 经向风，m 一经向风，ms 。 一实潮经向风* 一地转经向风弭整前的非地转经向风一调整后的非地转经向风 图3 - 1 、1 9 9 4 年s 月1 日纬向平均( 1 0 0 。e - 1 2 5 。e ) 的实测经向风、地转经向风与调整前 后的非地转经向风在5 。n ( a ) ，5 2 5 。n ( b ) 。来源于陈桂兴删。 3 1 2 对己知量估算的改善 根据场论的定理1 争2 1 1 ，平面上的观测风可以分解为该平面内的旋转风( c ， ) 和散度风两部分，由于旋转风是有旋无辐散的，因此在水平面上有： 南u m c + 上塑鳖! ! ! 盟：0 。 叙 c o s ( 0 西 ( 3 - 1 ) 根据p h i l l i p s ( 均l ，w e a t h e r b u r n1 2 0 乘 t r e n b e r t h 2 1 1 的观点，存在一个水平环流流函数 并满足： 第三章 问题的分析及解决方案 ：一a ( c o s 纠= _ v m 一) ( 3 - 2 ) k ：挚。( 3 3 ) 由这个水平面有旋无辐散流场( u c ，v h c ) 造成的涡度为： f ：譬- 蚓：尝一塑型。( 3 - 4 ) 。 叙l ( c o s 孕, a y )苏( c o s w 3 ) 把( 3 2 ) 和( 3 3 ) 代入( 3 4 ) 整理得： v 2 = 等+ 去卜絮掣) - 警一等字p 5 ， 因此估算v h c 的新方案是：由观测场的( “，1 ，) 求出相对涡度f ，将其代入( 3 5 ) 再利用超松弛迭代法求解( 3 - 5 ) t 。，1 0 场，将代入( 3 - 3 ) 就可以求出。 另外值得注意的是在地球坐标系中两极的纬度够= 9 0 。将导致( 1 c o s 缈) 一0 0 ，所 以求解( 3 5 ) 时用的区域取为( o 。e 一3 6 0 。e ，8 0 。卜8 0 。n ) ，在用超松弛方 法求解( 3 5 ) 时运用= 厂关系式来给出以上区域的南北边界的值，而 东西边界取为周期边界。 以上通过观测的( 材，1 ，) 和相对涡度的方法确定的，舵有效地避开了弋 带来的赤道地区无法确定的问题，由此推断从新方案算出的赤道地区的 应该更合理。为此本研究将用旧方案算出的i 和用以上新方案算出的一v h c 进行 比较( 图3 - 2 ) 。用的是1 0 5 。e 一1 2 0 。e 纬向平均的2 0 0 6 年3 月平均资料，不 作长期平均主要是为了避免平滑掉有效信号。对比可以发现在赤道低纬地区由旧 方案算出的( 图3 2 a ) 与新方案算出的v h c ( 图3 - 2 b ) 存在着显著的差异： 前者比后者大一个量级，这与低纬地区地转平衡关系较差的结剁2 2 l 一致，这表明 用新方案估算出的k 更合理。 第三章问题的分析及解决方案 图3 - 2 、华南地区2 0 0 6 年3 月平均的( a ) 用旧方案计算得到的，( b ) 用新方案计算得 到的。等值线间距为l ms 一。图中加粗的线为o ms 1 等值线。 3 2 模式中已知量的估算方案 由于水平流场的辐合辐散和地型起伏导致彩0 ，而这个非零缈= + 的一部分( 即) 构成经圈环流，另一部分( 即o ) z c ) 构成纬圈环流，因此在 求解时也需要把当作已知量事先给定。和k 一样，也没有直接观测 资料，只有通过计算得到。下面分别介绍计算的旧方案和新方案并讨论两种 方案计算结果的合理性。 3 2 1 旧方案中的估算和不足 第三章问题的分析及解决方案 由于磊和石组成的经向环流在垂直一经向平面内是无辐散的，即 a ( kc o s 矿) ( c o s 幼) + a 劫= o 。将它以及1 ，= k + k 和缈= + 代入 ( 2 5 ) 式得： o u + o ( c o s 伊v c ) + c a ( o z c ：0 ， 良c o s 砌劫 ( 3 6 ) 式从对流层顶向下积分至p 层得： 一( o z c ：r 堕+ 塑弛：r 盟+ 塑， 嵋良 c o s 仍为 嵋苏 c o s 咖1 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 7 ) 式就是原模式中计算缈扯的公式。这个计算公式是从高层积分到低层， 不包含地面信号，必须通过质量守恒和订正方法加入地面垂直速度( q ) 信号。 在i e l t 亨案( 即3 7 式) 求解时存在两个问题：( 1 ) v h c = k 在低纬地区科氏 参数f 4 , 会致使计算的值异常偏大，从而会使得未知量的“观测场 ( 彩一) 也异常偏大；( 2 ) 由于地面q 同样由两部分组成，即对纬向环流贡献 部分( i ，) 和对经向环流贡献部分( i ，) ，所以计算中让l = q 是不合 理的，尤其在高原地区，不合理性更显著。 3 2 2 估算的新方案 水平流场的辐合辐散会引起了空气的上升或下沉运动，在山区迎风坡和背风 坡也存在地型造成空气的抬升和下沉。地型抬升造成垂直运动为 q = 一u , a h l o x 一匕锄砂，式中h 为地型海拔高度矧。对任意等压面上的垂直运 动用连续方程计算：国= 司v 咖+ q m l ，其中水平流场的辐合辐散取决于散 度风。分别将z f 、1 ，和国分解为“= 1 , 1 h c + 、1 ，= + 和6 8 = ( 1 ) z c + ，根 第三章 问题的分析及解决方案 据他们的定义，是构成纬圈环流的分量以及是构成水平环流的分量，v m c 是构成经圈环流的分量以及1 ，c 是构成水平环流的分量，o ) z c 是构成纬圈环流的 分量以及是构成经圈环流的分量。则连续方程可分解为( 3 1 ) 式以及： 一一 o u z c + o o z c = o 苏 印 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) = 一( 誓勿+ i ， 3 - 1 0 其中l 为地面以上最低等压面上的。通过和再分析资料提供的功我们 可以得到用作模式性能检验的( o m c 的“观测场： - 缈- - ( 8 z c 。 ( 3 - 1 1 ) 对( 3 1 0 ) 和( 3 1 1 ) 作局地纬向平均就可以得到的模式( 2 1 6 ) 右边的已知量 和瓦“观测场。积分( 3 1 0 ) 时存在一个边界问题，即o 口z c ，没有直接观测值， 只能通过计算得到。 为了计算l ，我们作了大地型截断不同等压面的理论图( 图3 - 3 ) 。图3 - 3 中p o 、e 和p 2 代表不同等压面，a 、b 、c 表示近地面大气中不同等压面上的 网格点，s l 、s 2 、s 3 表示地表网格点。根据图3 - 3 ，运用质量守恒可以近 似地推导出各近地面点： ( 1 ) 地型平坦的地方( b 点) 有： 必净x a s l 一虫笋x c s 3 = 吼们， ( 3 - 1 2 ) 其中心为地面纬向风，a s l 代表a 点至s l 的距离，与a s l 一样c s 3 和a c 等都表 堑印 牡 塑囝 响 。卜 面 力一 地 婴磅 坝篙埘 亟 第三章问题的分析及解决方案 示两点之间的几何距离，在之后的推导过程中任意两个格点的组合都表示这两点 的几何距离。为了把( 3 1 2 ) 转为p 坐标，我们在( 生1 2 ) 左右乘上一p g 并整理 得： 吼：丛盟丛萼警垃划 ( 3 1 3 ) 其中p l a 表示a 点的气压 ( 2 ) 大地型的底部( c 点) 有： 掣x b s 2 = w z c l c 1 5 b c ， 转为p 坐标系为： 砒：丛鸹咎型 ( 3 ) 大地型中部( e 点) 有： ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) 丛笋x c s 3 4 掣x c d = w z c l e 儿5 。e ， ( 3 - 1 6 ) 转为p 坐标系为： ：幽曼生必里二盟! 幽曼：丝必里二业。 ( 4 ) 大地型顶( g 点) 有： 3 d e ( 3 - 1 7 ) ! 丝! ! 些) 竺+ 睦! ! ：丝坦1 22 ( 3 1 8 ) 一丛挚坚一丛誓坦刮。腿 转为p 坐标系为： 吼= 盥必虹噼出姓幽 ( 3 - 1 9 ) ( 材z c l k + 蚝i ) ( p l k 一印l 。) + ( 材z c i k + 甜z c i h ) ( p l h p i k ) 第三章问题的分析及解决方案 fghp 2 上 一 - 一 dek p 1 1 7 - - l s 6i abc 。 s 4 p o 。 - 一 ? 7 一 - w ；3 5 1 5 2 图3 - 3 、大地型截断等压面的纬向剖面图，箭头代表的方向，p i ( i = 0 ，1 ，2 ，) 代表等压 面，s i ( i = 1 ，2 ，) 表地表网格点。a 为不同等压面上的格点。w 和e 分别代表西和东。 通过计算得到的t o z c 是否合理不仅对局地经向环流模式( 2 - 1 6 ) 右边的强迫 力有直接的影响，而且还会通过( 3 1 1 ) 间接影响作为检验模式性能的。为 了比较新旧方案计算得到的的合理性，我们作了作为检验模式性能的石的 对比图( 图3 4 ) 。用的仍是1 0 5 。- - 1 2 0 。e 纬向平均的2 0 0 6 年3 月平均资料。 图3 - 4 包括n c e p 提供的石场、旧方案得到的i 和新方案得到的瓦对比图。 从图3 - 4 可以看出：( 1 ) 在1 5 。n 一3 0 。n 之间，无论是新方案还是旧方案计算 得到的都和n c e p 提供的缈场在形势和数值上都基本吻合。这也说明了在 ( 1 0 5 4e _ 1 2 0 。e ，1 5 。n _ 3 0 。n ) 这个范围内m z c ，和q 区别不大。实际上在 这个区域范围内地型相对平坦，地面l 和q 都很小几乎接近于零，因此无论 是新方案还是旧方案计算得到的都应与n c e p 提供的国场差异不大。( 2 ) 在 低纬地区( 1 0 。n 以南) ，由新方案计算得到的瓦和n c e p 提供的石场在形势和 数值上也基本吻合。但是由旧方案计算得到的石场却异常的偏大，这显然是不 第三章问题的分析及解决方案 可信的，这主要是地转参数厂小引起的；( 3 ) 在中高纬地区( 3 0 。n 以北) ，由 旧方案计算得到的场在形势和数值上都更接近于n c e p 提供的场。然而并 不是场越接近缈场就越好，只是c o 中构成经圈环流的分量。除非彩中构 成纬圈环流的分量= 0 ，否则 - c o 是不合理的。另外目前暂时考虑的只是 一种最简单的地型，而现实中存在多种地型的影响，所以这种新方案计算的 在有地型影响区域中存在差异是可以理解的。 从以上分析，我们可以发现由新方案( 3 1 0 ) 和( 3 i i ) 式计算出来的用于 检验模式输出性能的纬向平均的“观测场”很好地解决了旧方案在赤道附近 造成的不确定性，并且确保了华南地区场- - f 以较好地与缈观测场吻合。 因此该场可以用来检验华南地区由( 2 1 6 ) 数值解y 和( 2 - 1 5 ) 得到的模拟 场的可信度。 1 7 第三章问丘的分析茂解决方案 图3 4 ，华南地区2 0 0 6 年3 月平均的( a ) n c e p 提供的垂直速度，( b ) 用新方案计算得 到的4 k ，( c ) 用旧方案计算得到的。k 。图中等值线问距为o o l p as ，粗线为o p as 等值线。 第四章用局地经向环流模式定量诊断华南春雨异常机理 第四章用局地经向环流模式定量诊断华南春雨异 常机理 4 1 华南地区春季降水与e n s o 的关系 因为大气是海洋的上边界而海洋是大气的下边界，所以大气从海洋获得感热 和潜热能，而海洋通过风应力从大气获得动能。海洋的变化通过海表温度对气候 变化的影响非常显著，而海洋对大气环流的影响最热门的话题是e ln i n o 与l an i n a 事件。黄荣辉、张人禾【2 5 】等指出在e ln i n o 事件发展阶段前，印尼到西太平洋一带 有西风异常，在e ln i n o 事件成熟阶段后这一带有东风异常。w 锄g 等【2 6 】也发现的 e ln i n o 年成熟期至来年春季菲律宾附近低层有一距平反气旋存在。这些与e in i n o 有关的研究表明印尼一西太平洋纬向风的异常必然影响华南( 在没有其他异常系 统影响下) 春雨异常。为了检验这一推断的合理性，本研究尝试用局地经向环流 模式进行定量诊断。 4 1 11 9 7 0 年以来e n s o 的变化 e ln i n o ( l an i n a ) 事件是指赤道东太平洋的海温异常的偏高( 偏低) 。定量 地说当n i n 0 3 4 区( 5 。n 5 。s ，1 7 0 - - 1 2 0 。w ) 的海表温度距平( s s t ) 连续5 个月超过o 5 。c 的年份称为e ln i n o 年，连续5 个月低于0 5 。c 的年份称为l an i n a 年。 根据美国国家海洋与大气局网( h t t p ：w w w c d c _ n o a a g o v g c o s _ w g s p 厂丁i m e s e r i e s n i n 0 3 形) 提供的1 9 7 0 - - 2 0 0 8 年海表温度资料作了n i n 0 3 4 区的s s t 距平变化图( 图4 - 1 ) ，从图4 - 1 可以看出：从1 9 7 0 年至2 0 0 8 年的3 9 年里有较 大的e ln i n o 事件共有6 年( 1 9 7 2 、1 9 8 2 、1 9 8 6 、1 9 9 1 、1 9 9 7 、2 0 0 2 ，以s s t 距 平开始大于o 5 。c 的年份为准) ，有较大的l an i n a 事件共8 年( 1 9 7 0 、1 9 7 3 、 第四章用局地经向环流模式定量谚断毕南春雨异常帆理 1 9 7 5 、1 9 8 4 、1 9 8 8 、1 9 9 8 、1 9 9 9 、2 0 0 7 ，以s s t 距平开始小于- 0 5 。c 的年份为 准) 。从图4 - 1 还可i 三l 发现e ln l n o 与t an l n a 的成熟期基本都在冬季。 7 07 17 2 7 3 7 4 7 5 7 6 7 7 7 8 7 9 8