【摘要】：熱帶地區(qū)平流層風(fēng)場的準(zhǔn)兩年振蕩現(xiàn)象(QBO)是中高層大氣中重要的動(dòng)力學(xué)過程。研究表明,包括開爾文波,混合羅斯貝-重力波在內(nèi)的赤道特征波,慣性重力波和小尺度的對流重力波都是QBO現(xiàn)象所需動(dòng)量通量的重要來源。這些波動(dòng)具有不同的特征,但在赤道附近的活動(dòng)都極為顯著。QBO現(xiàn)象的影響非常廣泛,通過不同的過程,QBO能對高緯地區(qū)的極渦產(chǎn)生一定影響,并與MLT區(qū)域的半年振蕩(SAO)相互耦合,同時(shí)赤道附近的電離層狀態(tài)也會受到QBO影響。QBO的觀測已經(jīng)經(jīng)過了很長時(shí)間的數(shù)據(jù)積累,但由于探測手段的局限,缺乏能有效覆蓋全區(qū)域范圍的探測手段,因此QBO現(xiàn)象的模式模擬就具有了非常重要的意義。QBO已經(jīng)可以被許多大氣模式(GCMs)所模擬,并與觀測具有較好的一致性。但是在全球大氣環(huán)流模式(WACCM)中,現(xiàn)行WACCM4.0模式不能自行激發(fā)QBO現(xiàn)象,仍然使用強(qiáng)加的風(fēng)場來作初始驅(qū)動(dòng)。造成這種問題有幾個(gè)可能的原因。一是模式中缺少必要的重力波參數(shù)化過程,QBO缺少必須的驅(qū)動(dòng)力。(Xue et al.(2012)在之前的工作中通過向模式中添加理想化的慣性重力波譜成功實(shí)現(xiàn)了對QBO的模擬。這個(gè)理想化的重力波參數(shù)化建立在Lindzen的線性化理論基礎(chǔ)之上并考慮了科里奧利力的影響,但有很多不足之處。在我們第一部分的工作中,我們通過分析赤道附近無線電探空儀數(shù)據(jù)為重力波的分布提供了觀測依據(jù)。無線電探空儀數(shù)據(jù)中提取出的準(zhǔn)單色重力波展現(xiàn)出一種沿著背景風(fēng)正方向和負(fù)方向的"雙高斯譜"疊加形態(tài),我們以此作為新慣性重力波參數(shù)化的依據(jù)。之后我們進(jìn)行了一系列的模擬,研究慣性重力波的譜參數(shù)對QBO風(fēng)場,振幅,持續(xù)時(shí)間等特征的影響。所有的模擬都能在WACCM標(biāo)準(zhǔn)分辨率下產(chǎn)生近似QBO的風(fēng)場振蕩,QBO在周期,振幅,顯著高度等方面有不同特征。重力波兩個(gè)高斯分布峰值處的相速度實(shí)際上表征重力波相速度譜的寬度,兩個(gè)峰值的大小與QBO風(fēng)場振幅成正比,與QBO周期成反比。東向和西向的重力波對QBO振幅的影響是相對獨(dú)立的,但共同作用于QBO周期;重力波譜兩個(gè)峰值的高度表征重力波攜帶動(dòng)量通量的大小,直接決定風(fēng)場加速和減速的快慢,更大的重力波譜峰值會產(chǎn)生更短周期的近似QBO振蕩,但動(dòng)量通量的大小對緯向風(fēng)場振幅影響較小。慣性重力波提供的動(dòng)量通量能夠影響QBO風(fēng)場的顯著范圍,更強(qiáng)的動(dòng)量通量會使東向QBO風(fēng)場向下延伸到更低高度,反之亦然。此外,參數(shù)化的間歇性因子反映重力波活動(dòng)在時(shí)間尺度上的頻繁程度,對QBO周期也有顯著的影響。而更高層的周年振蕩,半年振蕩也會與QBO活動(dòng)有明顯的耦合。在分析了這些因素之后,我們選取適合的參數(shù)進(jìn)行了一個(gè)長時(shí)間的模擬,生成的QBO相比之前的工作在振蕩周期,東相位的顯著高度和參數(shù)化的真實(shí)性幾個(gè)方面更加接近觀測結(jié)果。二是WACCM模式中大于1千米的垂直分辨率對重力波上行的動(dòng)力學(xué)和熱學(xué)過程造成阻礙。上行重力波在到達(dá)臨界層而停止傳播之前,可能在每一層大氣中通過飽和破碎作用而逐漸釋放動(dòng)量通量,模式粗糙的垂直分辨率無法還原出合適的大氣分層結(jié)構(gòu),重力波與背景相互作用不足因而造成QBO驅(qū)動(dòng)力不足。我們嘗試通過不同程度地提高WACCM模式的垂直分辨率、改變對流參數(shù)化強(qiáng)度和考慮是否添加慣性重力波參數(shù)化,這三種方法對WACCM模式激發(fā)QBO的必要條件進(jìn)行探討。研究中我們認(rèn)為,簡單地提高對流參數(shù)化對QBO的激發(fā)沒有顯著作用;但提高模式垂直分辨率可以提高各種上行波動(dòng)的動(dòng)量通量傳播效率,單獨(dú)應(yīng)用這種方法可以在模式中模擬出QBO振蕩的雛形;WACCM模式中,QBO的驅(qū)動(dòng)力有三個(gè)主要來源,分別是赤道特征波,對流重力波和慣性重力波。這些波動(dòng)在QBO驅(qū)動(dòng)過程中的作用彼此之間無法相互替代,缺一不可。三是WACCM現(xiàn)行版本采用有限體積元(FV)作為模式的基本單元,而CAM5模式中采用的光譜元素動(dòng)力學(xué)單元(SE)與之相比,可以有效避免有限體積方法中的極區(qū)效應(yīng),并更好地承載大氣動(dòng)力學(xué)過程。由于暫時(shí)無法更換WACCM的模式單元,因此更深入的研究將在后續(xù)工作中進(jìn)行�；趲资陮�(zhǔn)兩年振蕩現(xiàn)象的觀測和模擬工作,我們對QBO形成機(jī)制有了較為清楚的認(rèn)識。針對WACCM模式在QBO激發(fā)過程中可能存在的缺陷,本文的核心目標(biāo)有三個(gè),分別是研究WACCM4.0中QBO特征與重力波參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系;設(shè)定合適的慣性重力波參數(shù)化,在之前工作基礎(chǔ)上,模擬一個(gè)與觀測較為一致的QBO;分析模式中多種重力波參數(shù)化過程的有無、模式分辨率高低對QBO的激發(fā)的必要性。
[Abstract]:The quasi-biennial oscillation (QBO) of the stratospheric wind field in the tropics is an important dynamical process in the upper and middle atmosphere. The results show that the equatorial characteristic waves, including Kelvin waves, mixed Rossby-gravity waves, inertial gravity waves and small-scale convective gravity waves are important sources of momentum flux required for the QBO phenomenon. QBO has a wide range of effects. Through different processes, QBO can affect the polar vortex in the high latitude region and couple with the semi-annual oscillation (SAO) in the MLT region. At the same time, the ionospheric state near the equator is also affected by QBO. QBO observations have gone through a long time. Because of the limitation of detection methods, QBO model simulation is very important. QBO has been simulated by many atmospheric models (GCMs) and is in good agreement with observations. However, the global atmospheric circulation model (WACCM) There are several possible reasons for this problem. First, the model lacks the necessary gravity wave parameterization process, and QBO lacks the necessary driving force. (Xue et al. (2012) In previous work, the model was idealized by adding to the model. Inertial gravity spectroscopy has successfully simulated QBO. This idealized gravity wave parameterization is based on Lindzen's linearization theory and considers the influence of Coriolis force, but there are many shortcomings. In the first part of our work, we analyze the gravity wave fraction of radiosonde data near the equator. The quasi-monochromatic gravity waves extracted from the radiosonde data exhibit a superposition pattern of "double Gaussian spectra" along the positive and negative directions of the background wind, which we use as the basis for parameterization of the new inertial gravity waves. The phase velocity at the two peaks of the Gaussian distribution of the gravity wave actually represents the width of the phase velocity spectrum of the gravity wave, the magnitude of the two peaks and the Q. The amplitude of the BO wind field is proportional to the QBO period, and inversely proportional to the QBO period. The influence of the gravity waves in the East and west directions on the QBO amplitude is relatively independent, but they act on the QBO period together. The height of the two peaks of the gravity spectrum indicates the magnitude of the momentum flux carried by the gravity wave, which directly determines the speed of acceleration and deceleration of the wind field. The momentum flux provided by the inertial gravity wave can affect the significant range of the QBO wind field, and the stronger momentum flux can make the eastward QBO wind field extend downward to a lower height, and vice versa. Frequency on the time scale also has a significant effect on the QBO period, and the higher level annual oscillation, the half-year oscillation will also have a significant coupling with the QBO activity. Two is that the vertical resolution greater than 1 km in the WACCM model hampers the dynamics and thermal processes of the gravity wave traveling upward. The upward gravity wave may gradually break through saturation in each layer of the atmosphere before reaching the critical layer and stopping propagating. With the release of momentum flux, the rough vertical resolution of the model can not restore the proper stratified structure of the atmosphere, and the insufficient interaction between gravity waves and background results in the insufficient QBO driving force. In this study, we consider that simply increasing the convection parameterization has no significant effect on QBO excitation, but increasing the vertical resolution of the model can improve the momentum flux propagation efficiency of various upstream fluctuations, which can be simulated in the WACCM model by using this method alone. In the WACCM model, there are three main driving forces of QBO, namely, equatorial characteristic wave, convective gravity wave and inertial gravity wave. These waves can not be replaced by each other in the QBO driving process. Third, the current version of WACCM uses finite volume element (FV) as the basic unit of the model, while CAM5 mode. The spectral element dynamics unit (SE) used in the formula can effectively avoid the polar effect in the finite volume method and better support the atmospheric dynamics process. Since the WACCM model unit can not be replaced for the time being, further research will be carried out in the follow-up work. In view of the possible shortcomings of WACCM mode in QBO excitation process, three core objectives of this paper are to study the corresponding relationship between the QBO characteristics and the parameters of gravity waves in WACCM 4.0, and to set up appropriate inertial gravity wave parameterization. Simulate a QBO which is more consistent with the observation; analyze the parameterization process of various gravity waves in the model, and the necessity of the excitation of QBO by the resolution of the model.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P433

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本文編號：2203296