(完整版)4-2014-09-中尺度-重力波G

中尺度气象学

MesoscaleMeteorology（4）

寿绍文南京信息工程大学大气科学学院

201４.0９第三章自由大气中的重力波§3.1重力波的观测特征及天气背景§3.2重力波的动力学性质§3.3重力波的结构及其对天气的影响§3.4重力波的发生发展

§3.1重力波的观测特征及天气背景重力波是静力稳定大气受到扰动后产生的振荡的传播重力波重力波的性质重力波是垂直横波重力波的类型大气很高层重力波大气很低层重力波大气主体层重力波

（天气尺度、次天气尺度、中尺度）波长>1，000km4.4-300km振幅0.1-5hPa0.9hPa重力波的作用1引起CAT；2触发对流；3高低层交换；4大中小交换§3.2重力波的动力学性质波的位相传播各向异性波长较长的重力波，位相传播方向接近垂直波长较短的重力波，位相传播方向接近水平波的能量传播各向异性波长较长的重力波，能量传播方向接近水平波长较短的重力波，能量传播方向接近垂直

§3.3重力波的结构及其对天气的影响

高低高低§3.4重力波的发生发展

Ri<0.25令空气微团的初始平衡位置为z=0,则

热成风调整与重力波的发生发展

涡度的变化机理（个别变化）1）散度制造项在地转偏向力的作用下，辐合流场转化为气旋式旋转流场（正涡度）；辐散流场转化为反气旋式旋转流场（负涡度）2）地球自转涡度转化项北风：地转偏向力的作用下转变为气旋式风速切变的东风；地球自转涡度转化为相对涡度（正）；南风：地转偏向力的作用下转变为反气旋式风速切变的西风；地球自转涡度增加，相对涡度减小（负）；辐散、辐合流场中的地转偏向力（用粗箭头表示）的分布均匀的经向气流中地转偏向力的分布（地转偏向力用粗箭头表示，箭头的长度表示地转偏向力的大小）散度的变化机理（个别变化）1）气压梯度力散度制造项高压：气压梯度力向外制造辐散；低压：气压梯度力向内，制造辐合；2）涡度转化项正涡度：在地转偏向力的作用下转变为辐散气流；负涡度：在地转偏向力的作用下转变为辐合气流；在重力位势中心附近的气压梯度力（用箭头表示）的分布3）纬向气流制造项西风：在不均匀的地转偏向力作用下转变为带辐合的北风；东风：在不均匀的地转偏向力作用下转变为带辐散的南风；旋转流场中地转偏向力的分布（地转偏向力用粗箭头表示）在均匀的纬向气流中地转偏向力的分布（地转偏向力用粗箭头表示，箭头长度代表力的大小）温度变化引起等压面高度变化静力学关系：等压面高度取决于温度温度局地变化引起等压面高度变化不均匀的温度局地变化，引起局地等压面形势变化，造成气压梯度力的变化等压面厚度公式热力学方程和温度局地变化（水平）温度平流绝热变化（垂直平流和绝热个别变化）非绝热变化地转平衡情况下，w=0；干空气绝热过程中，Q

0物理意义设不变变大

变小小,接近地转,大,非地转是地转调整产生重力波的动力条件可能出现大振幅中尺度重力波RossbynumberRo=2p/fTGravityWaveSynopticEnvironment

(UcceliniandKoch1987)VgExitregionoftheupper-leveljetstreakwhereflowisstronglydiffluentandunbalancedColdsideofasurfacefrontalboundary非平衡流的诊断分析非线性平衡方程可以表达为：（1）（1）式是通过对散度方程的尺度分析，去掉了所有包含散度，垂直速度和水平速度中的散度成分的项而得到的。应用于小时间尺度，包含了曲率的影响。（1）式中，F为位势高度，为二维拉普拉斯算子；，u为水平风速分量，J为雅各比算子；f为地转参数，z为相对涡度；。四项均可通过模式输出的高空风场和高度场资料进行计算。Zhang等的分析与计算表明，当NBE的量级与（1）式右端三项相比较小时，非线性平衡假设成立，即流场处于准平衡状态；当NBE的量级与右边三项的量级相同或者较大时，流场处于非平衡状态。这时，质量场（气压）与动量场（速度）重新向平衡态调整，从而产生重力波。（1）式可用于分析模式输出场中非平衡流的量级。在前人的研究中，波动形成的区域就是的极值区。高空急流出口区域，非线性平衡方程右端四项的和有明显的非零值FuqingZhangModelingandDynamicsofaLarge-AmplitudeMesoscaleGravityWavesalongthe

EastCoastoftheUnitedStates

(Zhangetal.2001QJRMS;Zhangetal.2003MAP)Bosartetal.(1998)14Z4Jan1994CASE14January1994GravityWaveObservations

(Bosartetal.1998,MWR)

GWgeneratedat06~07Z,wavelength~100km,

phasespeed~27m/s,amplitude~7-8mb24-hGravityWaveAnimationat13km24-hGravityWaveAnimationat13km24-hGravityWaveAnimationat13km24-hGravityWaveAnimationat13kmSummaryofIdealizedSimulationsIdealizedsimulationofthebaroclinic-wavelifecycleisapromisingtest-bedforunderstandingmesoscalegravitywavesPhysically-realisticlong-livedvertically-propagatingmesoscalegravitywaveswithLx=100-200kmaresimulated

originatingfromupper-troposphericjetstreakexitregionResidualofnonlinearbalanceequationisusefulindiagnosingimbalanceandpredictingthelocationofwavegenerationBalanceadjustment,asageneralizationofgeostrophicadjustment,isthelikelymechanismingeneratingthesemesoscalegravitywavesCASE22005年12月山东半岛强降雪过程的数值模拟与中尺度特征分析

利用非静力平衡模式MM5V3.6对2005年12月3日影响山东半岛的一次强降雪过程进行数值模拟，对其中中尺度重力波（MGW）的特征进行分析。并且通过非线性平衡方程（NBE）对高分辨率模式数据进行诊断分析，较详细的说明了非平衡流的出现而引起的地转适应过程以及地形强迫对重力波产生和发展的作用，和他们对强降雪过程的影响。研究表明：这次强降雪过程中的中尺度重力波波长约为100km，相速约20m/s。在有利的大尺度环流形势下，太行山的地形强迫与非平衡流是其产生的首要机制，而冬季海陆热力差异形成的海洋的热力作用也是造成区域性强降雪的一个重要原因。非线性平衡方程（NBE）对于非平衡流的诊断对于确定波动产生区域和波动的传播方向方面有比较好的指示作用。通过对波动的结构以及维持机制所作的分析，这次过程中的中尺度重力波符合波导条件和Wave-CISK理论框架。因此，波动能够从环境场中得到足够的能量从而维持相当长的一段时间，从而造成这次罕见的连续性强降雪过程。

[1有关于中尺度重力波的研究一直是中尺度天气动力学的一个重要组成部分，Uccellini和Koch通过对1949~1986年13次中尺度重力波事件的分析，归纳出了有利于波动发生的概念模型.。他们发现，重力波频繁出现在高空急流出口区域，高空急流出口区域的非平衡性，地转适应和切变不稳定是中尺度重力波产生的重要机制。波动通常表现为单个低压或者波包的形式，周期为1-4h，水平波长50-500km,相速为15-35m/s。结果表明波动与降水的强度和分布都有明显的影响。Ferretti等（1988）曾在重力波发生区域用非线性平衡方程进行非平衡流的诊断。Zhang等利用几种大气中诊断非平衡流的常用方法对发生在美国东海岸的中尺度重力波事件进行了诊断分析。结果表明，虽然利用不同的诊断方法得到的结果大致相同，但非线性平衡方程（NBE）在对非平衡流场的诊断中更加精确。Lindzen和Tung的研究显示，对于大振幅的重力波，波导条件是其首要的维持机制，而Wave-CISK机制是波动放大的一个可能机制，这是一个由CISK过程提供潜热与波动之间的一个正反馈过程，但是观测资料有限的分辨率使得在验证这些维持和放大机制方面不能提供精确的描述。由于常规的地面，高空观测和客观分析资料的时空分辨率较低，难以精确描述中尺度重力波的结构和发生发展机制，中尺度数值模式已经成为揭示这些问题的重要工具。本文利用中尺度非静力平衡模式MM5V3.6对2005年12月3日影响山东半岛的一次强降雪过程进行数值模拟，并对过程中的中尺度重力波的产生机制，演变特征及其与降水的关系进行了分析研究。（a）（b）

（a）粗网格模拟12月3日00时500hpa位势高度（长虚线，等值线间隔为50m）和NBE诊断结果（细实线，等值线间隔为）。（b）模拟同一时刻500hpa位势高度（长虚线，等值线间隔为50m）和垂直速度分布（细实线为正，虚线为负，等值线间隔为）;点虚线为大同－荣成剖面所沿直线．（a）01时12月3日大同－荣成垂直速度（闭合等值线，实线为正值；虚线为值；等值线间隔：03时

12月3日大同－荣成垂直速度（闭合等值线，实线为正值；虚线为值；等值线间隔：，阴影为垂直速度大于区域）和位温垂直剖面（单位：（a）01时；（b）03时；（c）05时；（d）07时。

（c）05时；（d）07时（a）

（a）17时；（b）19时图4同图3，但时间变为（a）17时；（b）19时；（c）21时；（d）23时。Fig.4AsinFig.3exceptfor（a）1700（b）1900（c）2100（d）2300UTC.（c）

（c）21时；（d）23时图５３日大同－荣成剖面一小时累积降水量，（a）17时；（b）19时；（c）21时；（d）23时。纵坐标为降水量，单位：（b）（a）（c）（d）17时Stage1:

WestwardpropagationofremnantMPS intheformofadensitycurrentStage2:DCblockedbyterrainandmeso-betascalecoldridgedevelopedintheoriginalleetroughStage3:ColdridgedevelopsintogravitywaveStage4:Gravitywavepropagatesinawell-definedductductOrographicDensityCurrentandGravityWaves(ZhangandKoch2000,MWR)（1）在降冰雹前，每隔1~4小时会出现一次短周期的阵性重力波增强的现象。在降冰雹中有超强的重力波发生，强度可增强十倍以上。降冰雹后重力波强度比降冰雹前明显增强，强重力波周期范围也相应变宽了。（2）通过观测表明，在同一强度而周期不同的重力波在产生过程中，短周期重力波的产生和消亡都比长周期重力波在时间上来得早，长周期重力波比短周期重力波滞后。（3）在地面观测到的大气重力波基本上都是从西方和北方传来。

1998年4月11日在普定县探测到的大气重力波的动态谱高灵敏度的电容式微压波传感器，微气压感应灵敏度为10-2Pa，

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