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《中国海洋大学》 2004年
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非线性优化方法在阻塞研究中的应用

姜治娜  
【摘要】:大气环流的持续性异常往往会导致大范围的灾害性天气,而发生在中高纬度西风带的大气阻塞形势是造成持续性异常的重要原因之一。如1954、1991、1998年夏季发生在江淮流域的特大洪水与东亚地区阻塞形势的不断活动有关(李双林,1999);又如1976/1977年冬季,阻塞高压控制阿拉斯加上空,导致北美西海岸和阿拉斯加地区出现异常的暖冬,东海岸出现了百年不遇的严寒(Benzi,1986),自此各种阻塞理论纷纷提出。Tibaldi和Molteni(1990)研究表明,中期预报模式失败的一个主要原因是低估了阻塞的发生频率。由此可见,阻塞的研究不仅具有实际意义,而且在动力学、数值预报和气候模拟上也具有重要的理论意义。 以前阻塞的动力学理论研究主要分为两大类,一类是基于阻塞的全球理论,主要包括非线性相互作用理论,多平衡态理论以及共振理论。另一类是突出阻塞形势的局地特征,主要包括‘modons’理论以及KdV型Rossby孤立子理论。但这些理论都有其一定的“片面性”,如:理论推导过程中的某些假设在阻塞区域并不能完全满足;只能描述阻塞的某些方面的特征等等。理论的多样性也正说明了阻塞的复杂性。罗德海(1999)提出的天气尺度波强迫的包络Rossby孤立子理论克服了modons理论要求的位涡与流函数成线性关系以及KdV型Rossby孤立子理论要求的满足长波近似的缺点,并且很好的描述了阻塞的生命循环和多涡结构,有其相当的优越性。 本文用行星尺度波和天气尺度波相互作用的相当正压模式模拟了阻塞的发生、发展和消亡,并采用一系列的对比试验研究了阻塞的发生条件。结论如下: a)没有地形情况下,在给定的初始条件下,行星尺度波发展成偶极型阻塞;天气尺度波在阻塞区域分裂成南北几乎对称的两支,并且在阻塞的中心区域天气尺度波强度很弱,这与罗德海(1999)的理论吻合的很好。模式中双波地形的加入,对行星尺度场和天气尺度场都产生了一定的影响。在与前者相同的初始条件下,行星尺度波发展成Ω型阻塞;天气尺度波尽管也分裂成两支,但北支明显强于南支。 b)通过调整造波器的振幅、位置、关闭时间、类型等模拟阻塞的产生,结果 发现,其变化主要是影响行星尺度场上阻塞的生命周期和强度。由此可见,初始 阻塞高压脊只有在合适的天气尺度波的作用下,才能够产生阻塞事件。 c)适当的弱的基本西风气流对阻塞的发生和维持起着很重要的作用,这与以 前的数值模拟结果(Shutts,1983)一致。 d)在阻塞形成区域上游的天气尺度波具有的北负南正的涡度强迫对阻塞的 形成起着重要的作用。 同时,本文也提出另一个问题,即:在给定行星尺度初始场的条件下,什么 样的天气尺度波能使其在给定时间内发展成阻塞事件,也就是所谓的最优前期征 兆问题,本文采用了非线性优化方法来研究此问题,结论如下: a)非线性优化方法为研究阻塞的最优前期征兆问题提供了有利的工具。 b)最优天气尺度初始场的显著特征是,在阻塞区域的上游存在着波列结构。 采用的优化时间不同,则最优天气尺度初始场的强度有所不同,优化时间越短, 强度越大;反之,优化时间越长,强度越小。 c)用己知的行星尺度初始场和得到的最优天气尺度初始场作为初始条件看 流场的发展演变情况,结果发现,行星尺度场在对应的优化时间内发展成阻塞模 态,天气尺度场在阻塞区域分裂成两支,并且从其演变过程可以发现,仅位于阻 塞上游的两三个涡旋才对阻塞高压脊的发展起作用。 d)对最优天气尺度初始场涡动强迫研究发现,阻塞形成区域上游具有的北负 南正的结构是阻塞形成的必要条件。 本文采用的模式虽然简单,却很好地模拟了阻塞的生命循环和多涡结构,并 采用一系列的对比试验揭示了阻塞事件不同生命周期和强度的可能原因。特别是 首次运用非线性优化方法得到了阻塞产生的最优天气尺度扰动,为阻塞先期条件 的解决提供了可能。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:P434

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【参考文献】
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