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文檔簡介
波包的結構、特征及傳播
TheStructure,Characteristicsand
PropagationofBaroclinicWavePackets
(Chang1993,1999,2000,&2001)
大氣動力學(第四講)管兆勇南京信息工程大學2008年5月本講要點
[參考文獻:
EDMUNDK.M.CHANG,
CharacteristicsofWavePacketsintheUpperTroposphere.PartII:SeasonalandHemisphericVariations,JAS,56,1729-1747,1999;
EDMUNDK.M.CHANG,
TheStructureofBaroclinicWavePackets,JAS,58,1694-1713,2001.]重點難點:波包;波作用量通量講授內(nèi)容:
斜壓波動
波包及其結構
波包的維持
波作用量通量
上下游效應第一部分:斜壓波包的結構1.1引言、問題1.2
波包能量學1.3波作用量和通量第二部分:波包的特征2.1北半球冬季2.2季節(jié)變化和半球內(nèi)變化
第三部分:波包的傳播斜壓波的下游發(fā)展對流層上層斜壓波與江淮流域降水內(nèi)容:第一部分:斜壓波包的結構
PartIThestructureofbaroclinicwavepackets1.1、引言●斜壓波動是影響中緯度地區(qū)的地面氣旋與反氣旋的承載系統(tǒng)●觀測研究表明,斜壓波動的下游發(fā)展發(fā)生于對流層中-上層(e.g.,NamiasandClapp1944;Cressman1948;Hovmoller1949)●數(shù)值模擬表明,斜壓不穩(wěn)定大氣中斜壓波的下游發(fā)展與起始的局地擾動有關(e.g.,SimmonsandHoskins1979;ChangandOrlanski1993)●研究表明,斜壓波傾向于組織成局地化的波包,其中一些可以持續(xù)相當長一段時間(Chang1993;LeeandHeld1993;BerberyandVera1996;ChangandYu1999;Chang1999)●線性理論中,波包向其上、下游雙向頻散能量(Inlineartheory,thewavepacketdispersesbothtowarditsupstreamanddownstreamdirections)●觀測研究波包能量頻散主要向下游方向(Observationalstudiesmentionedabovedonotsupportthelinearpicture,inthatpredominantlydownstreamdispersionisobserved,withlittleevidenceofupstreamdispersion
)●非線性理論提示:上游波動發(fā)展受到抑制可能與波動向下游傳播形成的正壓衰減有關(EslerandHaynes(1999)suggestedthatinaweaklydissipativesystemliketheatmosphere,wavepacketsareprobablymaintainedbynonlinearself-focusingratherthanenhancedupstreambarotropicdissipation)問題Aim:ToexaminethestructureofwavepacketsTotrytounderstandhowitismaintained目的:研究波包結構;理解波包維持1.2波包能量學Wavepacketenergetics(OrlanskiandKatzfey1991)a:
基本方程:
月或季節(jié)平均b:
動能方程的各項
(3.15)In(3.15)
Finally,foreddykineticenergy(EKE)(3.15)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(3.15)(1)---------convergenceoftotalenergyflux(advectivefluxplusageostrophicgeopotentialordispersiveflux)(2)---------baroclinicconversionfromeddyavailablepotentialenergy(3)---------barotropicconversion(4)---------conversionbetweenEKEand,whichisatransientkineticenergyequalto(5)---------convergenceofverticaladvectivefluxofEKE(6)---------verticalenergyflux(7)---------budgetresidue第4天長度:60經(jīng)度移速:30經(jīng)距第4天波幅先增后減Conclusion:Onaverage,boththelengthandwidthofwavepacketsremainaboutthesameastheyevolveintime.平均而言,波包演變過程中波包的長度(緯向)和寬度(經(jīng)向)基本不變。Next,wewillexaminethecompositesoftheenergeticstermsassociatedwiththesecoherentwavepackets.Perturbationheremeansthatthezonalaveragehasbeentakenouttohighlightthewavepacket.Conclusion:Typicalpackethasalengthofabout60oinlongitude,andawidthofnearly30oinlatitude(Fig5a).(典型緯向尺度60經(jīng)向30)Thelargestbudgettermisconvergenceofthetotalenergyflux(5b),withthesecondlargesttermbeingbaroclinicconversion(5c).Barotropicconversionismuchsmaller(5d).(最大的收支項為總能量通量,其次為斜壓轉換項,正壓轉換項很小)
Theconvergenceoftotalenergyfluxisadipoleanditsmaineffectclearlyleadstothezonaltranslationofthewavepacket.(Fig5b-d)
(總能量通量散度具偶極結構,其導致波包的緯向局地增強與減弱)1.2WavepacketenergeticsNextwewillexaminethebudgetinaframemovingalongwiththewavepacket.When(3.15)isintegratedvertically,andtranslatedintoaframefollowingthewavepacket,theequationes(3.16)<>
representsverticalintegral,whilevaluesfollowedbythesubscriptT
representfluxesintooroutofthetoporthebottom(subscriptB)ofthecolumn.TheD/Dt
onthelhsrepresentrateofchangeintheframeofreferencefollowingthewavepacket.總能量通量散度斜壓轉換氣柱質(zhì)量變化Firstterm---------inflowofenergyduetototalhorizontalenergyfluxcomputedrelativetothespeedofthewavepacket.相對于波包移速而算出的總的能量通量Lastterm---------energychangeduetothechangeinmasswithinthecolumn
因氣柱質(zhì)量變化而產(chǎn)生的能量變化Theothertermsareasdiscussedaboveunder(3.15).Fig6a-------TheEKEtendencyduetotransformingintoaframemovingalongwiththewavepacketFig6b--------Thesumofthistermandtheconvergenceoftotalenergyflux,whichmakesupthefirsttermontherhsof(3.16)Fig6c--------DK/DtFig6d--------convergenceofrelativeenergyflux(REF)-6h,0,+6h粗實線虛線點線EKEREFConclusion1:Wecanconcludethatthetotalenergyfluxhasthreemaineffectsonthewavepacket(FromFigs6and7):
1)Actstomovethepacketatitsgroupvelocity(起使波包按群速度移動的作用)
2)Changestheshapeofthepacketnearitspeak(改變波包峰部形狀)
3)Redistributesenergyfromtheupstreampartofthewavepackettowarditsdownstreamend,maintainingthedownstreampartofthewavepacket(將波包上游的能量重新分布至下游,維持波包的下游部分)Conclusion2:Intheframemovingwiththewavepacket,themainbalanceisbetweenconvergenceofrelativeenergyflux(Fig6d),baroclinicconversion(Fig5c),barotropicconversion(Fig5d),anddissipation.移動坐標系中,四項之間平衡REF斜壓轉換Overthedownstreamendofthewavepacketwherewavesaregrowing,themaintermcontributingtopositivetendencyisrelativeenergyfluxconvergence,anditisclearthatoverthatregionthistermbalancesfrictionalandbarotropicdissipation,withsomesmallpositivecontributionsfrombaroclinicgeneration.Towardtheupstreamendofthewavepacket,baroclinicgenerationbalancesenergyfluxdivergenceanddissipation.在波包的下游尾部,波動增強,其趨勢性增強的主要貢獻來自于相對的能量通量散度,此項平衡了摩擦和正壓耗散。斜壓轉換的貢獻很小。Conclusion(Fig8)1.3WaveactivityandfluxesNextwewillshowwavepacketcompositesbasedontheframeworkofanapproximatelyconservededdyactivityanditsfluxesasderivedbyPlumb(1986).波包活動與波作用量守恒位渦守恒Whenthemeanflowiszonal,Itcanbeshownthatinthealmost-planewavelimitsuggestthatMalongwithitsfluxesshouldbeagooddiagnosticofeddyactivity.Wetransformedallbudgettermsintoaframemovingalongwiththewavepacketatitsgroupvelocity.Inthisframe,therelativefluxofwaveactivityis波包由其尾部向上的通量所維持,這個通量轉向位于對流層上層的波包下游并再次環(huán)繞波包。這樣,波包下游區(qū)域的波作用量全部由來自波包上游的波作用量通量維持,即使跟隨了波包移動。
Figure11suggeststhatthewavepacketismaintainedbyupwardfluxatitsrear,whichturnstowardthedownstreamsideintheuppertroposphereandrecirculatesaroundthewavepacket.Thuswaveactivityinthedownstreamportionofthewavepacketisentirelymaintainedbywaveactivityfluxesfromtheupstreampartofthewavepacket,eveninaframemovingwiththewavepacket.Conclusion(Fig11)PartIICharacteristicsofwavepacketsintheuppertroposphere對流層上層的波包特征2Characteristicsofwavepacketsintheuppertroposphere1°用一點相關發(fā)現(xiàn)波包
經(jīng)向風v’的一點相關基點:(180,40N)NorthernhemispherewinterEnvelopeofwaves,WavePacket?Ve為包絡函數(shù)Ve的一點相關可估算波包結構及群速度Basicpropertiesofwavesandwavepackets2°由相關估計波長和周期周期波長/相速度波數(shù)波長由相關分布估計相速群速群速Similarly,wecandefineaphasedecorrelationtimebasedonsamephasecoherence(Fig.7c).WCI2indexisdefinedastheaveragemagnitudeofapairofthestrongest(eitherpositiveornegative)correlationvalues3°波動的凝聚特征波動凝聚:WAVECOHERENCECharacteristicsofwavepropagationoverselectedregions(Entrance
tothePacificstormtrack)4°波導與波包傳播經(jīng)向風v’的一點相關基點:(65E,25N)波導特征波數(shù),由相關獲得相速度:由-1至+1天最大相關的移動特征周期:波長/相速度緯向群速度:由-1至+1天最大相關的移動經(jīng)向群速度:由-1至+1天最大相關的移動下游/上游不對稱指數(shù):>1表示下游發(fā)展Downstream/upstreamasymmetryindexcomparestherelativemagnitudeoftheupstreamanddownstreamnegativecorrelationcentersflankingthereferencepositivecenteratdays+1and-1.
Itisequaltothesumofthemaximumnegativecorrelationupstreamatday-1andthatdownstreamatday+1,dividedbythesumofthemaximumdownstreamnegativecorrelationatday-1andthatupstreamatday+1.TheWCIindexbasicallyindicateshowwellthewavesateachlocationcorrelatewithupstreamwaves2daysearlieranddownstreamwaves2dayslater,thusshowingthetendencyofthedownstreamdevelopmentofwaves.Thewavecoherenceindexateachbasepointrepresentstheaverageofthemaximum(positiveornegative)correlationupstreamonday22anddownstreamonday12.3
PropagationofbaroclinicwavesintheuppertropospherePartIIIPropagationofwavepacketsintheuppertroposphereSchematicdiagramofdownstreamdevelopment1°
下游發(fā)展Downstreamdevelopmentofbaroclinicwavesasinferredfromregressionanalysis2°斜壓波發(fā)展
3.2RelationshipbetweenbaroclinicwavepacketsandMeiyuRelationshipbetweenbaroclinicwavepacketsinupper-troposphereandMeiyuinReachesofYangtzeandHuaiheValley(2003、19
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