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1、博士開題報告有限區(qū)域三維流場分解方法有限區(qū)域三維流場分解方法及其在中尺度系統(tǒng)中的及其在中尺度系統(tǒng)中的應用研究應用研究 指導老師：高守亭 研究員 許 秦 研究員學 生： 曹 潔（2005級碩博連讀）2007年6月1 1 選題的目的和意義2 2 相關研究回顧3 3 擬解決的關鍵問題和4 4 已完成的工作5 5 待完成的工作6 6 本研究的主要創(chuàng)新點 研究手段全風場看不清楚確切的中尺度信息資料同化處理數(shù)值模擬準確性完全分解的旋轉輻散和垂直運動信息然而:中尺度運動學和動力學研究中：風場信息在中尺度系統(tǒng)中有著重要的地位雷達、衛(wèi)星等高時空分辨率探測儀中尺度數(shù)值模式的發(fā)展 問題得到一定緩解常規(guī)的觀測風場：

2、時空精度不夠 選題的目的和意義(續(xù)1) 選題的出發(fā)點 如何簡單、有效地從全風場信息中提取中尺度流場？ 意義1)提高災害性天氣監(jiān)測水平；2)深入理解中尺度系統(tǒng)結構機理等研究問題；3)提高中尺度系統(tǒng)業(yè)務預報水平。 基本思想 水平風場 旋轉風輻散風 三維流場 地轉風強迫的非地轉風 完全的非地轉風2-12-1）流函數(shù)、速度勢的一般計算方法 2-22-2）調和正（余）弦方法和有限區(qū)域水平風場分解方法 2-32-3）準地轉近似下的三維流場分解理論 2-42-4）半平衡近似下的三維流場分解理論 相關研究回顧(續(xù)1)2-1)2-1)流函數(shù)、速度勢的一般計算方法對全球大氣, 即周期條件下Poisson方程的求解

3、: ok 對有限區(qū)域問題,即耦合邊條件下Poisson方程的求解:歷史上有代表性的幾個方法(圖示)的基本思想： 在保證求得的滿足D 分布,滿足分布的條件下,人為地簡化耦合邊條件的形式（純數(shù)學處理）難以處理難以處理1, 邊條件2, 解不唯一相關研究回顧(續(xù)2)Shukla and Saha(1974) 兩種迭代方案兩種迭代方案歷史上有代表性的幾個方法(圖示)Phillips(1958)Brown and Neilon (1961)Sangster(1960)相關研究回顧(續(xù)3)歷史方法常導致： 計算不穩(wěn)定、原始風場無法還原、邊界上的系統(tǒng)缺失、迭代次數(shù)多、結果很不準確2-2)2-2)H-S(C)方

4、法和有限區(qū)域風場分解理論Chen等(1992a,b)提出的調和-正(余)弦展開法： 函數(shù)fi (x, y)滿足：完全由內部變量決定,故稱為內部部分函數(shù)fh (x, y)滿足：完全由邊界條件決定,故稱為外部部分相關研究回顧(續(xù)4)有限區(qū)域風場分解和重建流程圖相關研究回顧(續(xù)5)2-3)2-3)準地轉近似下的三維流場分解理論基本思想(Xu,1992,1993): 從準地轉近似下基本運動方程出發(fā), 三維流場 準地轉分量 由準地轉分量激發(fā)的非地轉A分量 包括重力波等信息的完全的非地轉N分量2-4)2-4)半平衡近似下的三維流場分解理論 對于大尺度鋒面系統(tǒng),準地轉假設近似成立； 然而對于高度彎曲的鋒面和

5、旋渦, Allen(1990,1991), Xu(1994)等提出了更高階近似下的三維流場分解理論。資料：NCEP再分析資料，雷達資料，模式輸出資料等。 研究手段： 算法改進, 診斷分析, 動力推導, 數(shù)值模擬, 綜合集成化等擬解決的關鍵問題： 1.改進傳統(tǒng)天氣圖分析方法 中尺度系統(tǒng)的運動學診斷新思路 2.建立一套包含地形、熱力影響的三維流場控制方程 分離天氣尺度及中尺度系統(tǒng)的動力信息 3.運用能量學、動力學等途徑找尋中尺度系統(tǒng)信息 為中尺度系統(tǒng)相關動力研究和業(yè)務應用提供新途徑 本論文具體研究問題&論文章節(jié)初步安排 改進的調和余弦方法的理論及其在實際個例中的檢驗 改進的調和余弦方法;與常用的張

6、馳法在實際個例中的效果比較 地形坐標系下輻散風和旋轉風動能收支方程的研究 方程的理論推導和物理解釋;一次次天氣尺度渦旋生消過程的能量學研究 水平風場分解在天氣分析中的應用 對一次華北暴雨過程的分析;從風場分解角度比較兩次臺風過程 準地轉近似下的三維流場分解理論的流程化 地形坐標下準地轉近似三維Psi方程的理論求解方法及其在梅雨鋒系統(tǒng)動力分析中的應用方程的理論推導;二維風場分解方法對梅雨鋒系統(tǒng)水平結構的運動學分析;包含地形影響的準地轉近似下的三維風場分解理論對梅雨鋒系統(tǒng)三維結構、發(fā)生發(fā)展機理、與周圍環(huán)境場相互作用的動力分析 包含地形、熱力效應的更高價近似下三維流場分解理論及其在臺風系統(tǒng)動力分析中

7、的應用方程的理論推導和算法構建;在ARPS模擬的一次臺風個例中的應用 有限區(qū)域三維流場分解方法的業(yè)務化框架 4.14.1 改進的H-C算法及其在實際個例中的檢驗從內部分量中分離出由平均渦度散度和齊次邊值決定的 和 ；mm后面求解內部分量時，以原始渦度與平均渦度之差作為方程右項，散度類似，得到了內部分量的另一部分： 和 ；icic改進算法的基本思路求解外部分量方法相同，得到 和 。hh對范圍任意小的區(qū)域可能就會出現(xiàn)問題了 H-C方法要求滿足以下的必要性條件：對稍大區(qū)域一般都滿足改進的必要性已完成的工作(續(xù)1)1979年3月30日00UTC, 500hPa, (41N,130E), 120km,

8、NCEP資料 BCDA風場的流線圖已完成的工作(續(xù)2)風場的 分量UBACD已完成的工作(續(xù)3)風場的 分量VABCD已完成的工作(續(xù)4)更多試驗： 不同時次，不同層次，不同空間分辨率，不同環(huán)流背景，不同資料來源，結論： 改進的H-C方法能以很高的計算效率實現(xiàn)更高的計算精度，完成風場分解和重建。計算效率及精度：里查遜法：2000次迭代，9.209933加速利布曼法：1000次迭代，9.202168改進的H-C方法：3次迭代，0.4114308 已完成的工作(續(xù)5)4.24.2 水平風場分解在天氣分析中的應用基本思路： 利用改進的H-C算法分解水平全風場,得到旋轉風和輻散風兩個分量場信息; 在此

9、基礎上,應用傳統(tǒng)天氣圖分析,試圖得到更多的流場信息。改進的傳統(tǒng)天氣圖分析方法實驗設計： 一、對2004年8月12-13日一次華北暴雨的診斷分析; 二、對2006年臺風“桑美”和“碧利斯”的比較研究。著眼點：水平風場分解水平風場分解已完成的工作(續(xù)6)850hPa全風場旋轉風 輻散風12日08UTC 華北暴雨已完成的工作(續(xù)7)全風場旋轉風 輻散風700hPa12日08UTC 華北暴雨已完成的工作(續(xù)13)“桑美”7日18UTC全風場全風場 旋轉風旋轉風“碧利斯”11日00UTC已完成的工作(續(xù)14)“桑美”9日12UTC全風場全風場 輻散風輻散風地面高空已完成的工作(續(xù)15)“碧利斯”11日0

10、6UTC全風場全風場 輻散風輻散風地面高空已完成的工作(續(xù)11)a)全風場，b)旋轉風場，c)輻散風場，衛(wèi)星云圖，雷達圖像“桑美”10日12UTC已完成的工作(續(xù)12)a)全風場，b)旋轉風場，c)輻散風場，衛(wèi)星云圖，雷達圖像“碧利斯”14日06UTC已完成的工作(續(xù)18)“桑美”：8月11日18UTC“碧利斯”：7月14日12UTC低層水汽輸送旋轉風場已完成的工作(續(xù)14) 輻散風和旋轉風能顯示原始全風場看不輻散風和旋轉風能顯示原始全風場看不到的天氣尺度系統(tǒng)和中尺度系統(tǒng)信息到的天氣尺度系統(tǒng)和中尺度系統(tǒng)信息優(yōu)勢不足1. 單純的水平風場分析不足以提供中尺度系統(tǒng)中占重要地位的垂直運動；2. 對旋轉

11、風輻散風相互作用的表現(xiàn)不很明顯。從風場分解角度改進傳統(tǒng)天氣圖分析方法:能量學研究三維流場分解已完成的工作(續(xù)15)4.34.3 地形坐標系下輻散風和旋轉風動能收支方程的研究過去的能量學研究表明： 輻散風起著 “催化劑”的作用；但對輻散風和旋轉風的計算欠精確，且出發(fā)方程不包括地形效應。地形坐標系下的動力理論： 在模式構建中很有效；但直接應用等面上的位勢高度得不到與天氣系統(tǒng)有關的信息 。目的： 為中尺度研究提供新思路和新途徑； 地形坐標系的新應用。出發(fā)點： 輻散風和旋轉風相互作用在傳統(tǒng)的渦度方程和散度方程中很難體現(xiàn)。已完成的工作(續(xù)16)有限區(qū)域旋轉風旋轉風和輻散風輻散風動能收支方程已完成的工作(

12、續(xù)17)坐標系下有限區(qū)域系統(tǒng)動能收支示意圖 已完成的工作(續(xù)18)一次次天氣尺度渦旋生消過程的能量學研究 2004年8月12日在0.825上的旋轉風場 06UTC09UTC10UTC14UTC已完成的工作(續(xù)19)渦生消過程中區(qū)域-垂直平均的四種動能時間變率隨時間變化 a) 渦發(fā)展階段b) 渦衰亡階段已完成的工作(續(xù)20)一些有趣的現(xiàn)象和結論：兩種風分量能反映天氣尺度和中尺度系統(tǒng)的運動學差異輻散風有“催化劑”般作用考慮地形效應的必要性風場分解準確性的重要性 動能轉換項C(KD, KR)在渦旋發(fā)展到了頂峰之后發(fā)生反向；科氏力項在低層起主要作用,垂直相關項隨高度變化有很大差異。GR和HKR是DKR

13、穩(wěn)定的能量源,HKD是DKD的匯,INVKD是主要源項;其他一些大值項都與垂直運動有關,垂直梯度大,積分后貢獻小。INTR和GD在渦旋由發(fā)展向衰亡轉變時變號,二者與輻散流有關。 CR和CD量值很小,與地面氣壓傾向有關;地面氣壓傾向項有利于動能的增加,在渦衰亡階段更加明顯。 已完成的工作(續(xù)21)4.44.4 準地轉三維流場分解理論的流程化 求解齊次邊條件下的絕熱、無摩擦、f平面的準地轉方程,產生的問題是：得到的地轉流強迫的部分非地轉解不完整 為得到完整的有限區(qū)域三維非地轉A分量環(huán)流的完整解,Xu和Keyser(1993a,b)提出了兩種不同的解決方法。 但是，存在幾點不足：1.沒有算法化2.缺

14、少地形、熱力影響已完成的工作(續(xù)22)直接求解非齊次邊條件下的三維Psi方程 針對不同類型的邊條件,求解得到有限區(qū)域矢量Psi流函數(shù) 12, 由 得到1zu2zv12xyw, ,u v wV分別求解非地轉流的斜壓和正壓分量 把地轉風激發(fā)的非地轉風分量 分成 齊次側邊條件決定的 非齊次邊條件決定的分別求解,由 得到VaVbV, ,u v wVabVVV從 分解出位勢高度的地轉部分 ; obg利用地轉關系 ,得到地轉風 ; gfgVk,0ggu vgV用不同的方法得到地轉風激發(fā)的非地轉風分量 的邊條件： V12,alongxLyLV0,onzzHV和 由已知的觀測風場 ,計算得到的地轉風 及其激發(fā)

15、的非地轉風分量 之差,得到完全的非地轉風分量 。 obVgVVV1 1 地形坐標下準地轉近似的三維Psi方程的理論推導正在進行；難點：針對不同的模式有不同的出發(fā)方程2 2 包含地形影響的準地轉三維流場分解理論在實際梅雨鋒個例中的診斷和動力分析即將開始個例的選取和數(shù)值模擬；難點：模擬效果待完成的工作(續(xù)1)3 3 探討包含了地形、熱力效應的更高價近似下三維流場分解理論的可行性和求解方法難點：理論推導和物理解釋4 4 更高價近似下的三維流場分解方法在實際個例中的應用 難點：中尺度模式ARPS調試; 動力知識積累5 5 完善本研究的理論和算法，建立一套可供業(yè)務單位應用的分析系統(tǒng) 本研究期望達到的最終

16、目標發(fā)展普適的有限區(qū)域水平風場分解算法和應用方法為傳統(tǒng)天氣圖分析提供新途徑運動學理論化并算法化高階近似下的三維流場分解方法為中尺度動力學研究提供新思路動力學系統(tǒng)化并業(yè)務應用中尺度系統(tǒng)動力分析新方法 業(yè)務應用Gao S T, and Cao J: Physical basis of generalized potential temperature and its application to cyclone tracks in non-uniformly saturated atmosphere, accepted by JGR in June, 2007. 周玉淑, 曹潔曹潔, 王東海: 非均勻飽和廣義濕位渦在暴雨分析與預測中的應用, 應用氣象學報，已接收，2007. Cao J, and Gao S T: Extended interpretations in Q vector analyses and applications in a torrential rain event, accepted by GRL in June, 2007. Gao Shouting, Cao Jie, and Zhou Yushu: Rotational and diverg