湍流参数不确定性对典型海上大气波导过程数值模拟的影响研究

发布时间：2020-06-18 20:18

【摘要】：大气波导是一种异常大气折射现象,对于电磁波在大气中的传播有着显著的影响,因此在军事上具有极大的利用价值与应用前景。大气波导可发生在不同的天气条件或天气形势下,其形成原因、变化机理与数值预报长期以来一直是军事海洋气象学研究中的难点与热点。本文选取0920号超强台风“卢碧”以及2016年一次西北太平洋远海副热带高压环流背景下发生的强海上大气波导过程开展研究,内容主要包括大气波导成因分析、边界层参数化方案中湍流特征参数的不确定性分析以及对大气波导模拟影响研究等。论文利用高垂直分辨率GPS探空资料与欧洲中期天气预报中心再分析资料,对0920号超强台风“卢碧”引发的强海上大气波导的生成原因进行了分析。结果表明:此次台风型波导主要发生在台风环流西侧外围的弱下沉运动区,其形成有几个先决条件,一是中层850hPa高压带断裂,在高空槽后的偏北气流、大陆高压东侧及台风西侧偏北气流的接力输送下,北方大陆干空气被不断向南输送至台风西侧外围形成显著的干舌;二是海洋作为水汽源通过湍流运动向低层大气输送水汽,加上台风在低层的辐合抽吸作用使洋面低层大气处于高湿状态;三是低层1000hPa高压带的维持阻止了大陆干空气的南下,使得台风西侧的低层大气仍然可以保持相对高湿,从而形成了典型的湿度随高度锐减层和强波导现象。另外海上对流边界层顶夹卷层内的逆温和湿度锐减对此次强波导的形成也有贡献。论文基于WRF模式(3.8版本),对0920号超强台风“卢碧”引发的强海上大气波导过程进行了数值模拟研究。通过与GPS下投式探空的实测对比表明,WRF模式具有模拟海上大气波导的能力,台风型大气波导以悬空波导为主且主要分布在台风外围的洋面上,与台风强度、眼墙结构相比,与台风尺度和螺旋雨带的模拟效果关系更为密切。边界层物理过程是影响大气波导发生发展的重要条件,改进和优化边界层参数化方案是提高大气波导数值模拟准确率的重要途径。在WRF模式(3.8版本)提供的边界层参数化方案中,YSU与ACM2方案(两者均属于非局地K理论方案)整体而言对这次台风型波导过程的模拟效果较好,但依然存在对波导特征量(特别是强度和顶高)的模拟效果不够理想的缺陷。研究发现无论是对于YSU还是ACM2方案,形态参数pfac都是影响大气波导模拟最重要的湍流特征参数(其默认取值均为2.0),减小pfac的取值可以增大边界层内的湍流热量、水汽交换系数K_h,使K_h极值出现的高度逐渐抬升,混合层中上部至夹卷层内K_h的垂直梯度绝对值明显增大,即意味着夹卷层厚度的显著减小和边界层顶的抬升,从而使模拟的波导顶高提升的同时伴随着波导强度的维持甚至是增强。本文研究认为,对台风型大气波导个例而言,形态参数pfac在YSU方案与ACM2方案中分别取1.0与1.5更为合适。这可能与台风型大气波导除了受不稳定层结引起的热力湍流增强作用(对流边界层),还受很强的风切变(强风条件)引起的机械湍流增强的影响,本身的湍流交换强度就比一般情况下更大。论文基于高垂直分辨率GPS探空观测资料与欧洲中期天气预报中心再分析资料,对2016年西北太平洋远海高压型强大气波导的生成原因进行了分析。结果表明:此次高压型波导主要受到远海高压的影响,下沉气流将高空干空气输送到低空,促进了湿度锐减层的形成,进而引发强大气波导现象,而高压下沉运动加剧了对流边界层顶的覆盖逆温对此次强波导的形成也有贡献。与台风型波导类似,YSU与ACM2方案能够较好地模拟此次高压型波导过程,形态参数pfac仍是影响模拟结果最重要的参数。有趣的是,尽管高压型个例中机械湍流增强作用稍弱,整体的湍流交换强度不如台风型个例,但两种边界层方案中形态参数pfac同样取1.0与1.5更为合适,这可能与高压下沉运动引起的较强覆盖逆温的贡献有关。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P732
【图文】：

国防科技大学研究生院硕士学位论文1.2 研究进展1 大气波导基础知识大气的折射状态受到大气温度、湿度、气压等气象要素的影响。由于这素在垂直方向上分布并不均匀，所以大气折射状态也具有垂直方向上不的特征，为了定量地表征大气的折射状态，需引入大气修正折射率(M式 1.1; Bean and Dotton 1968；戴福山等 2002），以及大气波导现象存在0Mdz （波导陷获层）。陷获层顶所在的高度就是波导顶所在的高度，陷 M 等于陷获层顶 M 的高度称为波导底。5277.6 5.6 3.75 10 0.157P e eM zT T T

据 0dMdz （波导陷获层）。陷获层顶所在的高度就是波导顶所在的高度，陷获层以下 M 等于陷获层顶 M 的高度称为波导底。5277.6 5.6 3.75 10 0.157P e eM zT T T (1.1)图 1.1 大气波导传播与大气波导（引自戴福山等（2002））大气中通常存在三类大气波导（图 1.2）：表面波导、悬空波导、蒸发波导。

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本文编号：2719781