两类典型对流系统中的重力波特征研究

论文摘要

本文基于高分辨率数值模式,针对梅雨锋和热带气旋这两类典型的对流系统,通过设计理想试验和敏感性试验,利用波谱和能量谱分析的方法,研究了梅雨锋系统中重力波的产生机理、波谱特征及水汽对波谱的影响,对比了梅雨锋和热带气旋产生重力波的波谱特征,考察了对流层垂直风切变对于热带气旋重力波的影响,分析了热带气旋的能量谱特征及重力波的作用。主要结果如下:在梅雨锋的演变过程中,先后出现了两类重力波。第一类是由锋面激发的fanlike波,其从对流层到平流层低层垂直传播,并有连贯的波动结构。第二类是锋前湿对流激发的对流重力波,其在对流层被垂直捕获,在平流层低层向上、下游垂直传播。定量诊断表明,“机械振子”机制主导了平流层低层对流重力波的产生。对流重力波在平流层有向北的净动量通量和拖曳强迫,拖曳作用随高度增加明显加强。随初始水汽含量的增加,对流波引起的动量通量和拖曳强迫加强,并向更小的时空尺度延伸。但水汽变化不会改变动量通量的相速谱结构,只是在一定相速范围内修改其强度。锋面激发的fanlike波虽然振幅较弱,但在谱空间下能量相对集中,能够在较慢的相速内与对流波发生耦合,导致波包强度减弱。比较两类典型对流系统发现,不同结构对流系统产生重力波的波谱特征截然不同。梅雨锋作为准二维线状系统,表现为线状波源,平流层低层重力波以穿越锋面传播为主导;热带气旋作为涡状系统,表现为点状波源,重力波的波谱结构为各向同性分布,由风暴中心向各个水平方向传播。对流层垂直风切变对热带气旋重力波的影响显著,在无切变时,平流层低层的重力波动量通量均匀分布在较宽广的谱空间内,相反方向的通量具有对称性。在西风切变的影响下,重力波产生了向西的净动量通量和拖曳强迫,通量谱向更短的水平波长延伸,向更长的周期和更慢的相速收缩。热带气旋能量谱的研究结果表明,在气旋的成熟阶段,水平动能和有效位能谱都在波长小于500 km的尺度上呈现出准–5/3的斜率。水平动能谱在对流层表现为弓状分布,在平流层低层表现为准线形分布,有效位能谱在各个高度上都表现为准线形分布。有效位能谱收支被非绝热和能量转换过程主导,非绝热效应是有效位能最重要的来源,随后位能通过浮力效应转换为其它形式的能量,在较大尺度转换为水平动能,在较小尺度转换为湿物质的重力势能。垂直传播的重力波不仅具有直接垂直输送能量的作用,还能影响能量串级的强度和方向,从而影响HKE谱的形成和维持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题背景
•   1.2 相关研究进展
•     1.2.1 对流重力波的产生机制
•     1.2.2 热带气旋激发的重力波
•     1.2.3 锋面激发的重力波
•     1.2.4 大气能量谱
•   1.3 本文的研究工作
•     1.3.1 问题的提出
•     1.3.2 论文框架
• 第二章 模式和研究方法
•   2.1 模式介绍
•   2.2 二维谱分析技术
•   2.3 重力波信号的提取
•   2.4 重力波谱及动量通量谱的计算
•     2.4.1 重力波谱的计算
•     2.4.2 动量通量谱的计算
• 第三章 梅雨锋系统中的重力波特征
•   3.1 引言
•   3.2 试验设计
•     3.2.1 模型介绍
•     3.2.2 初始条件
•     3.2.3 敏感性试验
•   3.3 模拟的梅雨锋系统特征概述
•   3.4 与初始锋面相联系的fanlike波
•   3.5 与梅雨锋锋前深对流相联系的重力波
•     3.5.1 中间尺度波
•     3.5.2 短尺度波
•     3.5.3 源函数分析
•   3.6 敏感性试验
•   3.7 本章小结
• 第四章 水汽对于梅雨锋重力波的影响
•   4.1 引言
•   4.2 试验设计和模拟结果概述
•   4.3 水汽对于重力波动量通量的影响
•     4.3.1 动量通量的垂直分布
•     4.3.2 经向动量通量谱分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 梅雨锋与热带气旋重力波的波谱特征比较
•   5.1 引言
•   5.2 试验设计
•   5.3 结果分析
•     5.3.1 两类对流系统的模拟结果概述
•     5.3.2 平流层低层重力波的波谱分析与比较
•   5.4 本章小结
• 第六章 对流层垂直风切变对于热带气旋诱发重力波的影响
•   6.1 引言
•   6.2 试验设计
•   6.3 结果分析
•   6.4 本章小结
• 第七章 热带气旋中尺度水平动能谱的形成及重力波的作用
•   7.1 引言
•   7.2 模拟结果概述
•   7.3 水平动能谱特征分析
•     7.3.1 水平动能谱的时间演变特征
•     7.3.2 成熟阶段水平动能谱的性质
•   7.4 水平动能谱的收支特征
•     7.4.1 缓慢加强阶段
•     7.4.2 迅速加强与成熟阶段
•   7.5 讨论与启示
•   7.6 本章小结
• 第八章 热带气旋的中尺度有效位能谱
•   8.1 引言
•   8.2 有效位能谱收支方程简介
•   8.3 有效位能谱通量及能量串级特征
•   8.4 有效位能谱的收支分析
•     8.4.1 缓慢加强阶段
•     8.4.2 迅速加强和成熟阶段
•   8.5 非绝热效应和能量转换过程的进一步分析
•   8.6 本章小结
• 第九章 结论与展望
•   9.1 主要研究内容和结论
•     9.1.1 理想梅雨锋系统中的重力波
•     9.1.2 理想热带气旋中的重力波及其与梅雨锋重力波的比较
•     9.1.3 理想热带气旋能量谱及重力波在能谱形成中的作用
•   9.2 论文创新点
•   9.3 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王羱

导师: 张立凤

关键词: 重力波,对流,梅雨锋,热带气旋,波谱分析,能量谱

来源: 国防科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 国防科技大学

分类号: P433

DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2019.000104

总页数: 144

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