【摘要】：大氣重力波在向上傳播過程中能夠不斷向背景大氣傳遞動量和能量,被認(rèn)為是中低層大氣耦合過程中最重要的物理過程。強對流又是激發(fā)大氣重力波的最重要的波源之一,特別是在熱帶地區(qū)。最近的研究表明,強對流系統(tǒng)中的非絕熱力和對流過沖過程能夠在大的時間和空間尺度上激發(fā)廣譜重力波。在西北太平洋區(qū)域形成的臺風(fēng)(或者說南太平洋區(qū)域的熱帶氣旋)是一種大尺度強對流系統(tǒng),能夠激發(fā)出波長達(dá)幾百公里、周期達(dá)數(shù)小時的對流重力波。臺風(fēng)重力波(熱帶氣旋重力波)形成于臺風(fēng)路徑周圍對流層區(qū)域,并且能夠在水平和垂直方向上傳播。臺風(fēng)重力波在中高層大氣動量傳輸中有著重要作用,并且影響著全球大氣環(huán)流。近幾十年來,研究者們一直不遺余力的利用觀測和數(shù)值模擬的方式探索重力波活動,包括激發(fā)波源、波動特性和物理過程等。盡管臺風(fēng)重力波對全球大氣環(huán)流非常重要,但目前觀測儀器并不能在足夠的時間和空間分辨率上量化臺風(fēng)重力波。由于臺風(fēng)期間惡劣的氣象環(huán)境和觀測設(shè)備自身的限制等因素,現(xiàn)有觀測設(shè)備(比如激光雷達(dá)、氣輝成像儀和衛(wèi)星等)并不能精確測量臺風(fēng)重力波的特性。本文通過AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)探測器和WRF (Weather Re-search and Forecasting)模式研究了2004年臺風(fēng)“蒲公英”激發(fā)的重力波,該臺風(fēng)于2004年6月下旬在關(guān)島附近海域(13°N,144°E)形成。AIRS探測器在臺風(fēng)“蒲公英”周期內(nèi)探測到了臺風(fēng)激發(fā)的平流層重力波現(xiàn)象。我們通過分析AIRS探測器的4.3μm波段亮溫,發(fā)現(xiàn)臺灣上空存在水平范圍100-400千米的半環(huán)狀重力波結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步探索臺風(fēng)重力波的特性,我們分析了同一時期的WRF模式模擬結(jié)果,模式的初始數(shù)據(jù)和邊界條件使用了ECMWF的高精度再分析數(shù)據(jù)。模式重現(xiàn)了臺風(fēng)和重力波的主要特點。與AIRS觀測結(jié)果一致,模式中的臺風(fēng)重力波的水平波長也位于10(0-400千米范圍內(nèi)。通過分析重力波的垂直傳播過程發(fā)現(xiàn)：重力波在平流層中主要向上和向東傳播,而大部分西向傳播的重力波都被背景風(fēng)場過濾掉了。另外,我們還關(guān)注了地形重力波能夠向上傳播的條件。大量的觀測和模擬結(jié)果顯示山地波的發(fā)生隨著季節(jié)和緯度的變化而顯著變化。由于盛行風(fēng)阻止了山地波的向上傳播,所以低緯地區(qū)夏季很少有探測和研究山地波的例子。本文將研究2004年臺風(fēng)“蒲公英”經(jīng)過臺灣島期間(2004年7月1號到3號)產(chǎn)生的山地波的向上傳播過程。通過比較WRF模式和沒有地形信息的模式(WRF-FLAT)模擬的重力波信息,我們發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)經(jīng)過臺灣中央山脈時所激發(fā)的山地波的動量通量占了對流層重力波總動量通量的50%左右,并且山地波的主導(dǎo)方向與中央山脈垂直。模式中,臺風(fēng)中心相對中央山脈的位置決定了山地波是否能夠向上傳播到平流層。我們發(fā)現(xiàn)在臺風(fēng)登陸前后都能激發(fā)山地波,但是只有在臺風(fēng)登陸前激發(fā)的山地波能夠向上傳播到平流層,因為臺風(fēng)登陸前從對流層到平流層都是向西的背景風(fēng)場,不能形成阻礙山地波傳播的零風(fēng)層。由于每年有幾十個臺風(fēng)或者熱帶氣旋在太平洋區(qū)域登陸,那么研究這些熱帶氣旋相關(guān)的山地波的傳播就非常重要。隨著超級計算機計算能力的增加,Liu, et al. (2014)以美國國家大氣研究中心(NCAR)的WACCM (Whole Atmosphere Community Climate Model)模式為基礎(chǔ)開發(fā)出了一個高精度的全大氣環(huán)流模式(模式精度～0.25°),用以解析大氣中尺度活動。模式捕捉到了中尺度活動,比如在澳大利亞以東海域(167°E,20°S)解析出了熱帶氣旋事件,并在其上空發(fā)現(xiàn)了半環(huán)狀重力波結(jié)構(gòu)。為了探索全球模式和局地模式之間的耦合作用,檢驗更高精度大氣環(huán)流模式解析重力波的必要性,我們設(shè)計了一種降尺度方法即用高精度WACCM模式輸出數(shù)據(jù)來驅(qū)動WRF模式模擬熱帶氣旋重力波的激發(fā)過程。降尺度方法是一種獲取更小尺度氣候產(chǎn)品的高效可行方法。本文使用的局地氣候模式是NCAR開發(fā)的WRF3.6.1模式。通過比較高精度WACCM模式和相同水平分辨率(25千米)的WRF模式結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)兩種模式在相似位置都產(chǎn)生了近似結(jié)構(gòu)的半環(huán)狀熱帶氣旋重力波。為了驗證全球模式中更高精度解析重力波的必要性和可行性,我們設(shè)計了一組不同分辨率的WRF模式(25千米、15千米、10千米和4千米)來檢驗熱帶氣旋重力波對模式水平分辨率的敏感性。雖然所有分辨率的模式都能解析出半環(huán)狀重力波結(jié)構(gòu),但是分辨率越高的模式激發(fā)的重力波振幅越大并且主導(dǎo)水平波長也越短。同時還探索了模式中對流參數(shù)化和對流解析對熱帶氣旋重力波激發(fā)的影響,發(fā)現(xiàn)在4千米分辨率下,解析對流方法激發(fā)的重力波和對流參數(shù)化方法激發(fā)的重力波差別不大。據(jù)我們所知,這是第一次用降尺度方法處理中尺度全大氣環(huán)流模式結(jié)果來研究熱帶氣旋重力波。
[Abstract]:Atmospheric gravity waves, which can transmit momentum and energy to the background atmosphere continuously during their upward propagation, are considered to be the most important physical processes in the coupling process between the lower and middle atmosphere. Strong convection is also one of the most important wave sources to excite atmospheric gravity waves, especially in the tropics. Typhoons (or tropical cyclones in the South Pacific region) formed in the Northwest Pacific region are large-scale strong convective systems capable of generating convective gravity waves with wavelengths of several hundred kilometers and periods of several hours. Typhoon gravity waves form in the troposphere around the typhoon track and can propagate horizontally and vertically. Typhoon gravity waves play an important role in momentum transmission in the upper and middle atmosphere and affect global atmospheric circulation. In recent decades, researchers have spared no effort to explore the use of observation and numerical simulation methods. Force wave activities, including excitation sources, wave characteristics, and physical processes. Although typhoon gravity waves are very important to global atmospheric circulation, current observational instruments are not able to quantify typhoon gravity waves at sufficient time and spatial resolution. Due to the adverse weather conditions during typhoons and the limitations of observational equipment, existing views are available. The characteristics of typhoon gravity waves can not be accurately measured by measuring equipment such as lidar, airglow imager and satellite. The gravity waves excited by typhoon "dandelion" in 2004 were studied by using the AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) detector and the Weather Re-search and Forecasting (WRF) model. The typhoon was closed in late June 2004. In order to further explore the typhoon gravity, we analyzed the brightness temperature of the 4.3 micron band of the AIRS detector and found that there is a semi-circular gravity wave structure over Taiwan with a horizontal range of 100-400 kilometers. The model reproduces the main features of typhoon and gravity waves. The horizontal wavelengths of typhoon gravity waves in the model are also in the range of 10 (0-400 km). Analyzing the vertical propagation of gravity waves, it is found that gravity waves propagate mainly upward and eastward in the stratosphere, while most westward propagating gravity waves are filtered out by the background wind field. Because prevailing winds prevent the upward propagation of mountain waves, there are few examples of detecting and studying mountain waves in summer in low latitudes. This paper will study the upward propagation of mountain waves produced by typhoon "dandelion" in 2004 over Taiwan Island (July 1-3, 2004). With the gravity wave information simulated by the WRF-FLAT model, we find that the momentum flux of the mountain wave excited by a typhoon passing through the Central Mountains of Taiwan accounts for about 50% of the total momentum flux of the tropospheric gravity wave, and the dominant direction of the mountain wave is perpendicular to the Central Mountains. It is found that mountain waves can be excited both before and after typhoon landfall, but only before typhoon landfall can mountain waves propagate upward to the stratosphere, because before typhoon landfall, both the troposphere and stratosphere are westward background wind fields, which can not form a barrier to mountain wave propagation. Zero Wind Layer. Since dozens of typhoons or tropical cyclones land in the Pacific each year, it is important to study the propagation of these tropical Cyclone-Related mountain waves. Based on the e-Model, a high-precision global atmospheric circulation model (model accuracy ~0.25 degrees) has been developed to analyze mesoscale atmospheric activities. The model captures mesoscale activities, such as tropical cyclone events in the eastern Australian sea area (167 degrees E, 20 degrees S), and a semi-circular gravity wave structure has been found above. To explore the coupling between global and local models, and to test the necessity of analysing gravity waves with more accurate atmospheric circulation models, we designed a scaling method, which uses the output data of WACCM model to drive the WRF model to simulate the excitation process of tropical cyclone gravity waves. The local climate model used in this paper is the WRF 3.6.1 model developed by NCAR. By comparing the results of the WACCM model with high accuracy and the WRF model with the same horizontal resolution (25 km), we found that the two models both produced approximately structured semi-circular tropical cyclone gravity waves at similar locations. A set of WRF models with different resolutions (25 km, 15 km, 10 km and 4 km) were designed to test the sensitivity of tropical cyclone gravity waves to the horizontal resolution of the model. Although all resolution models can resolve the structure of semi-circular gravity waves, the resolution is higher. At the same time, the effects of convection parameterization and convection analysis on the excitation of tropical cyclone gravity waves are also explored. It is found that the gravity waves excited by analytical convection method and convection parameterization method have little difference at the resolution of 4 km. As we all know, this is the first time that a mesoscale global circulation model is used to study tropical cyclone gravity waves.
【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】：2016
【分類號】：P444

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本文編號：2217983