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科研进展

bob手机客户端下载AR:风场分解方法在追踪青藏高原涡中的应用

  风场的亥姆霍兹分解是一有效手段,即:水平风场可分为旋转和辐散分量,相应的由流函数和速度势表示。大尺度系统中旋转是主要部分,因此流函数在大气环流演变、大洋环流分析中有重要应用;速度势代表地转偏差,是引起大气垂直运动、产生水汽相变和潜热释放的根本原因,对中小尺度研究尤为重要。与全球风场分解有精确解析解不同,中小尺度研究针对有限区域,遇到的耦合边条件是求解难点,以往的计算方法精度低、效率低。对中尺度研究而言,气压场向风场适应,作为温压风湿中唯一一个矢量要素,风资料非常重要。为充分有效地利用风场信息,通过改进调和-余弦谱展开方法,使其适于任意小矩形有限区域,计算精度高、效率高,可直接用于天气诊断分析。然而,我国地形复杂,低层等压面常因地形阻挡出现资料洞和不规则边界;另一方面,数值模式高度发展,三角形网格等非结构化网格的应用,使得区域边界更加不规则。

  在中国科学院战略先导科技专项(XDA17010105)与国家自然科学基金重点项目(“青藏高原地—气耦合系统变化及其全球气候效应”,资助号91937301)等资助下,针对青藏高原异常复杂的地形特征,大气所曹洁副研究员改进了她和美国NOAA Qin XU教授等合作提出的有限区域流函数速度势的高效高精度算法。主要工作进展有:设计新的边界定位方法,自动搜索并快速定位青藏高原在中低层等压面上的不规则内边界,发现即使是点线&虚线圈出的复杂区域(图1c和1d)也能很好定位不规则边界条件,且计算代价小。用理想实验检验流函数和速度势重建的流场精度,以及该方法对初始资料不同空间分辨率的敏感性和计算效率,发现0.75*0.75足够精确且计算效率高。把该方法应用于追踪青藏高原涡(图2,蓝线),发现比使用青藏高原观测资料手动识别法(图2,黑线)提前42小时追踪到高原涡,且在高原涡移出高原以后仍有指示意义。

  研究结果证明了风场分解方法在追踪青藏高原涡方面的作用,未来将结合中尺度涡旋识别方法,拓展和改进其在西南涡、台风涡旋、梅雨锋涡旋、海风锋和城市中尺度涡旋中的应用前景。

  文章信息:

bob手机客户端下载  Cao Jie. Computing streamfunction and velocity potential near the Tibetan Plateau. Atmospheric Research, 2020, 247, p.105149.

  Cao Jie, Ran Lingkun, and Li Na. An application of the Helmholtz theorem in extracting the externally induced deformation field from the total wind field in a limited domain. Monthly Weather Review, 2014, 142, 2060-2066.

bob手机客户端下载  Xu Qin, Cao Jie, and Gao Shouting. Computing streamfunction and velocity potential in a limited domain. Part I: Theory and integral formulae. Advances in Atmospheric Sciences, 2011, 28(6), 1433-1444.

 

bob手机客户端下载图1. 超过4000米(a)和3000米(b)的地形高度,以及边界定位方法识别的相应的内边界(c和d)

 

图2. 两种方法识别的高原涡轨迹 

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