中纬度地区大气重力波的活动特征及其与湿对流过程的耦合机制
批准号:
42075005
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
卫俊宏
依托单位:
学科分类:
天气学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
卫俊宏
中文摘要
重力波是大气中的基本波动之一,能起到传输能量和动量等重要作用,并影响中尺度对流系统的活动,引起大风、冰雹、暴雨等灾害性天气。然而,国际上对其主要特征和相关机制的认识还十分有限。因此,本项目将针对这一空白系统研究中纬度地区大气重力波的活动特征及其与湿对流过程的耦合机制。首先,利用欧洲中期天气预报中心的高分辨率全球气候模式模拟数据和再分析资料,针对全球中纬度地区的对流层和平流层,统计归纳大气重力波的时空分布特征。然后,采用多种统计方法建立定量识别重力波扰动信号的结构、波谱和传播特征的工具,揭示其主要特征参数,并且比较不同数据结果的异同。最后,针对中国选取典型个例,基于观测和数值模拟,使用光线追踪模型等工具研究重力波发生机制,揭示中纬度地区大气重力波与湿对流过程的耦合机制。本研究成果将提高对中纬度地区大气重力波动力学的科学认识,并为改善重力波参数化方案、提高强对流天气预报准确率提供有益的参考。
英文摘要
As one of the basic oscillations in the atmosphere, gravity waves play an important role in transporting energy and momentum, and affect the activities of mesoscale convective system, causing severe weather such as high wind, hail and rainstorm. However, the understanding of their main characteristics and associated mechanisms is still very limited. In order to fill this gap, the proposed project will comprehensively investigate the main characteristics of atmospheric gravity waves in midlatitudes and their coupling with moist convection. Firstly, with the collected high-resolution climate model simulation data and reanalysis data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, the spatial and temporal distribution of atmospheric gravity waves will be investigated for troposphere and stratosphere in midlatitudes of both hemispheres. Secondly, a variety of statistical methods will be adopted to quantitatively identify the structure, spectrum, and propagation characteristics of the gravity wave signals, to reveal their main characteristic parameters, and to compare the similarities and differences of the results among different data. Thirdly, based on observations and numerical simulations, this research will carry out experiments for the selected gravity wave events in China, to investigate their potential source mechanisms according to tools such as ray tracing models, and to study their coupling with moist convection in midlatitudes. This project will further improve the understanding of the dynamics of atmospheric gravity waves in midlatitudes and provide useful references for improving gravity wave parameterization, as well as the performance of severe weather forecast.
大气重力波不仅深刻影响着大气环流的许多方面,还常与湿对流天气过程的发生发展有着密切的联系。然而,针对中纬度地区,过往传统的研究要么多集中于局部地区的个例分析,要么基于理想数值模拟实验,结论往往不具有普遍性。本项目采用了欧洲中期天气预报中心的高分辨率全球气候模式模拟数据和高分辨率再分析资料,综合统计了全球中纬度地区大气重力波的活动特征。研究主要有以下三点发现。..(1)定量诊断冬夏两季平流层大气重力波垂直动量通量及其时空分布特征:首先,相比夏半球,冬半球中纬度地区表现为较强较系统的向西动量通量为主导的分布特征。这个空间分布特征主要由冬半球较强的斜压不稳定性所决定。其次,中纬度地区向西动量通量的信号也在复杂地形(比如,安第斯山脉)的影响下显著增强。最后,随着高度的增加,重力波动量通量也逐渐减弱。这种衰减的分布趋势主要是背景风场对波动信号的过滤效应和密度随高度不断减少等因素所导致的波破碎物理过程的联合结果。..(2)探讨识别对流层内大气重力波扰动信号的关键科学问题及其解决方案:如何准确地统计和揭示中纬度地区大气重力波的活动特征是本项目需要解决的关键科学问题之一。针对对流层的重力波分析,需要考虑去除由对流强迫所造成的虚假波动信号。参照前人基于理想数值模拟实验的工作,本项目代表作首次提出了采用累积降水信息过滤对流强迫干扰的方案,并指出新方案有助于更准确地识别对流层内大气重力波扰动信号。..(3)验证和对比不同种类高分辨率全球数据下之间波动结构的异同和特点:本项目定量揭示了不同国家数值预报中心高分辨率全球数据之间关于中尺度重力波特征的不确定性。研究表明,不同全球数据产品的分布总体特征一致。然而,它们在量级上仍存在着较大的差异,其不确定性与其分辨率密切相关,同时也受到其他因素的影响(包括但不限于所选的能量类型、季节、高度、纬度、模式扩散、参数化方案、湿对流过程、同化方法和观测等)。
湿对流作用下中纬度地区大气重力波的误差演变规律及其控制机理研究
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批准号:42375003
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项目类别:面上项目
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:卫俊宏
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依托单位:
国内基金
海外基金