博士論文開題報(bào)告.ppt

1、博士開題報(bào)告有限區(qū)域三維流場(chǎng)分解方法有限區(qū)域三維流場(chǎng)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(yīng)用研究應(yīng)用研究 指導(dǎo)老師：高守亭 研究員 許 秦 研究員學(xué) 生： 曹 潔（2005級(jí)碩博連讀）2007年6月1 1 選題的目的和意義2 2 相關(guān)研究回顧3 3 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 研究手段全風(fēng)場(chǎng)看不清楚確切的中尺度信息資料同化處理數(shù)值模擬準(zhǔn)確性完全分解的旋轉(zhuǎn)輻散和垂直運(yùn)動(dòng)信息然而:中尺度運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究中：風(fēng)場(chǎng)信息在中尺度系統(tǒng)中有著重要的地位雷達(dá)、衛(wèi)星等高時(shí)空分辨率探測(cè)儀中尺度數(shù)值模式的發(fā)展 問(wèn)題得到一定緩解常規(guī)的觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)：

2、時(shí)空精度不夠 選題的目的和意義(續(xù)1) 選題的出發(fā)點(diǎn) 如何簡(jiǎn)單、有效地從全風(fēng)場(chǎng)信息中提取中尺度流場(chǎng)？ 意義1)提高災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)水平；2)深入理解中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)理等研究問(wèn)題；3)提高中尺度系統(tǒng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)水平。 基本思想 水平風(fēng)場(chǎng) 旋轉(zhuǎn)風(fēng)輻散風(fēng) 三維流場(chǎng) 地轉(zhuǎn)風(fēng)強(qiáng)迫的非地轉(zhuǎn)風(fēng) 完全的非地轉(zhuǎn)風(fēng)2-12-1）流函數(shù)、速度勢(shì)的一般計(jì)算方法 2-22-2）調(diào)和正（余）弦方法和有限區(qū)域水平風(fēng)場(chǎng)分解方法 2-32-3）準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似下的三維流場(chǎng)分解理論 2-42-4）半平衡近似下的三維流場(chǎng)分解理論 相關(guān)研究回顧(續(xù)1)2-1)2-1)流函數(shù)、速度勢(shì)的一般計(jì)算方法對(duì)全球大氣, 即周期條件下Poisson方程的求解

3、: ok 對(duì)有限區(qū)域問(wèn)題,即耦合邊條件下Poisson方程的求解:歷史上有代表性的幾個(gè)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(jiǎn)化耦合邊條件的形式（純數(shù)學(xué)處理）難以處理難以處理1, 邊條件2, 解不唯一相關(guān)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(gè)方法(圖示)Phillips(1958)Brown and Neilon (1961)Sangster(1960)相關(guān)研究回顧(續(xù)3)歷史方法常導(dǎo)致： 計(jì)算不穩(wěn)定、原始風(fēng)場(chǎng)無(wú)法還原、邊界上的系統(tǒng)缺失、迭代次數(shù)多、結(jié)果很不準(zhǔn)確2-2)2-2)H-S(C)方

4、法和有限區(qū)域風(fēng)場(chǎng)分解理論Chen等(1992a,b)提出的調(diào)和-正(余)弦展開法： 函數(shù)fi (x, y)滿足：完全由內(nèi)部變量決定,故稱為內(nèi)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(guān)研究回顧(續(xù)4)有限區(qū)域風(fēng)場(chǎng)分解和重建流程圖相關(guān)研究回顧(續(xù)5)2-3)2-3)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似下的三維流場(chǎng)分解理論基本思想(Xu,1992,1993): 從準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似下基本運(yùn)動(dòng)方程出發(fā), 三維流場(chǎng) 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)分量 由準(zhǔn)地轉(zhuǎn)分量激發(fā)的非地轉(zhuǎn)A分量 包括重力波等信息的完全的非地轉(zhuǎn)N分量2-4)2-4)半平衡近似下的三維流場(chǎng)分解理論 對(duì)于大尺度鋒面系統(tǒng),準(zhǔn)地轉(zhuǎn)假設(shè)近似成立； 然而對(duì)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(chǎng)分解理論。資料：NCEP再分析資料，雷達(dá)資料，模式輸出資料等。 研究手段： 算法改進(jìn), 診斷分析, 動(dòng)力推導(dǎo), 數(shù)值模擬, 綜合集成化等擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題： 1.改進(jìn)傳統(tǒng)天氣圖分析方法 中尺度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)診斷新思路 2.建立一套包含地形、熱力影響的三維流場(chǎng)控制方程 分離天氣尺度及中尺度系統(tǒng)的動(dòng)力信息 3.運(yùn)用能量學(xué)、動(dòng)力學(xué)等途徑找尋中尺度系統(tǒng)信息 為中尺度系統(tǒng)相關(guān)動(dòng)力研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供新途徑 本論文具體研究問(wèn)題&論文章節(jié)初步安排 改進(jìn)的調(diào)和余弦方法的理論及其在實(shí)際個(gè)例中的檢驗(yàn) 改進(jìn)的調(diào)和余弦方法;與常用的張

6、馳法在實(shí)際個(gè)例中的效果比較 地形坐標(biāo)系下輻散風(fēng)和旋轉(zhuǎn)風(fēng)動(dòng)能收支方程的研究 方程的理論推導(dǎo)和物理解釋;一次次天氣尺度渦旋生消過(guò)程的能量學(xué)研究 水平風(fēng)場(chǎng)分解在天氣分析中的應(yīng)用 對(duì)一次華北暴雨過(guò)程的分析;從風(fēng)場(chǎng)分解角度比較兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)程 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似下的三維流場(chǎng)分解理論的流程化 地形坐標(biāo)下準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似三維Psi方程的理論求解方法及其在梅雨鋒系統(tǒng)動(dòng)力分析中的應(yīng)用方程的理論推導(dǎo);二維風(fēng)場(chǎng)分解方法對(duì)梅雨鋒系統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;包含地形影響的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似下的三維風(fēng)場(chǎng)分解理論對(duì)梅雨鋒系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展機(jī)理、與周圍環(huán)境場(chǎng)相互作用的動(dòng)力分析 包含地形、熱力效應(yīng)的更高價(jià)近似下三維流場(chǎng)分解理論及其在臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力分析中

7、的應(yīng)用方程的理論推導(dǎo)和算法構(gòu)建;在ARPS模擬的一次臺(tái)風(fēng)個(gè)例中的應(yīng)用 有限區(qū)域三維流場(chǎng)分解方法的業(yè)務(wù)化框架 4.14.1 改進(jìn)的H-C算法及其在實(shí)際個(gè)例中的檢驗(yàn)從內(nèi)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(nèi)部分量時(shí)，以原始渦度與平均渦度之差作為方程右項(xiàng)，散度類似，得到了內(nèi)部分量的另一部分： 和 ；icic改進(jìn)算法的基本思路求解外部分量方法相同，得到 和 。hh對(duì)范圍任意小的區(qū)域可能就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題了 H-C方法要求滿足以下的必要性條件：對(duì)稍大區(qū)域一般都滿足改進(jìn)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(fēng)場(chǎng)的流線圖已完成的工作(續(xù)2)風(fēng)場(chǎng)的 分量UBACD已完成的工作(續(xù)3)風(fēng)場(chǎng)的 分量VABCD已完成的工作(續(xù)4)更多試驗(yàn)： 不同時(shí)次，不同層次，不同空間分辨率，不同環(huán)流背景，不同資料來(lái)源，結(jié)論： 改進(jìn)的H-C方法能以很高的計(jì)算效率實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算精度，完成風(fēng)場(chǎng)分解和重建。計(jì)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(jìn)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(fēng)場(chǎng)分解在天氣分析中的應(yīng)用基本思路： 利用改進(jìn)的H-C算法分解水平全風(fēng)場(chǎng),得到旋轉(zhuǎn)風(fēng)和輻散風(fēng)兩個(gè)分量場(chǎng)信息; 在此

9、基礎(chǔ)上,應(yīng)用傳統(tǒng)天氣圖分析,試圖得到更多的流場(chǎng)信息。改進(jìn)的傳統(tǒng)天氣圖分析方法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)： 一、對(duì)2004年8月12-13日一次華北暴雨的診斷分析; 二、對(duì)2006年臺(tái)風(fēng)“桑美”和“碧利斯”的比較研究。著眼點(diǎn)：水平風(fēng)場(chǎng)分解水平風(fēng)場(chǎng)分解已完成的工作(續(xù)6)850hPa全風(fēng)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)風(fēng) 輻散風(fēng)12日08UTC 華北暴雨已完成的工作(續(xù)7)全風(fēng)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)風(fēng) 輻散風(fēng)700hPa12日08UTC 華北暴雨已完成的工作(續(xù)13)“桑美”7日18UTC全風(fēng)場(chǎng)全風(fēng)場(chǎng) 旋轉(zhuǎn)風(fēng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)“碧利斯”11日00UTC已完成的工作(續(xù)14)“桑美”9日12UTC全風(fēng)場(chǎng)全風(fēng)場(chǎng) 輻散風(fēng)輻散風(fēng)地面高空已完成的工作(續(xù)15)“碧利斯”11日0

10、6UTC全風(fēng)場(chǎng)全風(fēng)場(chǎng) 輻散風(fēng)輻散風(fēng)地面高空已完成的工作(續(xù)11)a)全風(fēng)場(chǎng)，b)旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)，c)輻散風(fēng)場(chǎng)，衛(wèi)星云圖，雷達(dá)圖像“桑美”10日12UTC已完成的工作(續(xù)12)a)全風(fēng)場(chǎng)，b)旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)，c)輻散風(fēng)場(chǎng)，衛(wèi)星云圖，雷達(dá)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(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)已完成的工作(續(xù)14) 輻散風(fēng)和旋轉(zhuǎn)風(fēng)能顯示原始全風(fēng)場(chǎng)看不輻散風(fēng)和旋轉(zhuǎn)風(fēng)能顯示原始全風(fēng)場(chǎng)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(shì)不足1. 單純的水平風(fēng)場(chǎng)分析不足以提供中尺度系統(tǒng)中占重要地位的垂直運(yùn)動(dòng)；2. 對(duì)旋轉(zhuǎn)

11、風(fēng)輻散風(fēng)相互作用的表現(xiàn)不很明顯。從風(fēng)場(chǎng)分解角度改進(jìn)傳統(tǒng)天氣圖分析方法:能量學(xué)研究三維流場(chǎng)分解已完成的工作(續(xù)15)4.34.3 地形坐標(biāo)系下輻散風(fēng)和旋轉(zhuǎn)風(fēng)動(dòng)能收支方程的研究過(guò)去的能量學(xué)研究表明： 輻散風(fēng)起著 “催化劑”的作用；但對(duì)輻散風(fēng)和旋轉(zhuǎn)風(fēng)的計(jì)算欠精確，且出發(fā)方程不包括地形效應(yīng)。地形坐標(biāo)系下的動(dòng)力理論： 在模式構(gòu)建中很有效；但直接應(yīng)用等面上的位勢(shì)高度得不到與天氣系統(tǒng)有關(guān)的信息 。目的： 為中尺度研究提供新思路和新途徑； 地形坐標(biāo)系的新應(yīng)用。出發(fā)點(diǎn)： 輻散風(fēng)和旋轉(zhuǎn)風(fēng)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(zhuǎn)風(fēng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)和輻散風(fēng)輻散風(fēng)動(dòng)能收支方程已完成的工作(

12、續(xù)17)坐標(biāo)系下有限區(qū)域系統(tǒng)動(dòng)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(guò)程的能量學(xué)研究 2004年8月12日在0.825上的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng) 06UTC09UTC10UTC14UTC已完成的工作(續(xù)19)渦生消過(guò)程中區(qū)域-垂直平均的四種動(dòng)能時(shí)間變率隨時(shí)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(jié)論：兩種風(fēng)分量能反映天氣尺度和中尺度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)差異輻散風(fēng)有“催化劑”般作用考慮地形效應(yīng)的必要性風(fēng)場(chǎng)分解準(zhǔn)確性的重要性 動(dòng)能轉(zhuǎn)換項(xiàng)C(KD, KR)在渦旋發(fā)展到了頂峰之后發(fā)生反向；科氏力項(xiàng)在低層起主要作用,垂直相關(guān)項(xiàng)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(xiàng);其他一些大值項(xiàng)都與垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān),垂直梯度大,積分后貢獻(xiàn)小。INTR和GD在渦旋由發(fā)展向衰亡轉(zhuǎn)變時(shí)變號(hào),二者與輻散流有關(guān)。 CR和CD量值很小,與地面氣壓傾向有關(guān);地面氣壓傾向項(xiàng)有利于動(dòng)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(zhǔn)地轉(zhuǎn)三維流場(chǎng)分解理論的流程化 求解齊次邊條件下的絕熱、無(wú)摩擦、f平面的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)方程,產(chǎn)生的問(wèn)題是：得到的地轉(zhuǎn)流強(qiáng)迫的部分非地轉(zhuǎn)解不完整 為得到完整的有限區(qū)域三維非地轉(zhuǎn)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(diǎn)不足：1.沒(méi)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(duì)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(zhuǎn)流的斜壓和正壓分量 把地轉(zhuǎn)風(fēng)激發(fā)的非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量 分成 齊次側(cè)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(shì)高度的地轉(zhuǎn)部分 ; obg利用地轉(zhuǎn)關(guān)系 ,得到地轉(zhuǎn)風(fēng) ; gfgVk,0ggu vgV用不同的方法得到地轉(zhuǎn)風(fēng)激發(fā)的非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量 的邊條件： V12,alongxLyLV0,onzzHV和 由已知的觀測(cè)風(fēng)場(chǎng) ,計(jì)算得到的地轉(zhuǎn)風(fēng) 及其激發(fā)

15、的非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量 之差,得到完全的非地轉(zhuǎn)風(fēng)分量 。 obVgVVV1 1 地形坐標(biāo)下準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似的三維Psi方程的理論推導(dǎo)正在進(jìn)行；難點(diǎn)：針對(duì)不同的模式有不同的出發(fā)方程2 2 包含地形影響的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)三維流場(chǎng)分解理論在實(shí)際梅雨鋒個(gè)例中的診斷和動(dòng)力分析即將開始個(gè)例的選取和數(shù)值模擬；難點(diǎn)：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(yīng)的更高價(jià)近似下三維流場(chǎng)分解理論的可行性和求解方法難點(diǎn)：理論推導(dǎo)和物理解釋4 4 更高價(jià)近似下的三維流場(chǎng)分解方法在實(shí)際個(gè)例中的應(yīng)用 難點(diǎn)：中尺度模式ARPS調(diào)試; 動(dòng)力知識(shí)積累5 5 完善本研究的理論和算法，建立一套可供業(yè)務(wù)單位應(yīng)用的分析系統(tǒng) 本研究期望達(dá)到的最終

16、目標(biāo)發(fā)展普適的有限區(qū)域水平風(fēng)場(chǎng)分解算法和應(yīng)用方法為傳統(tǒng)天氣圖分析提供新途徑運(yùn)動(dòng)學(xué)理論化并算法化高階近似下的三維流場(chǎng)分解方法為中尺度動(dòng)力學(xué)研究提供新思路動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)化并業(yè)務(wù)應(yīng)用中尺度系統(tǒng)動(dòng)力分析新方法 業(yè)務(wù)應(yīng)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(yù)測(cè)中的應(yīng)用, 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，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