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高分辨率中尺度数值预报模式中的垂直坐标影响研究

李兴良  
【摘要】:如今,非静力高分辨率中尺度模式成为当前研究者们研究的热点问题,与之相关的一系列模式技术的新问题也随之提了出来,垂直坐标系的影响问题就是其中之一。同时,在大气(海洋)动力模式的设计中垂直坐标一直都是被受关注的问题,因为它直接关系到数值模式的边界处理、守恒属性、梯度计算误差等等。 在数值天气预报领域里,人们提出并使用过的垂直坐标很多。本论文研究和关注的是当今被高分辨率中尺度数值预报模式普遍采用的地形追随坐标系,包括气压地形追随坐标系和高度地形追随坐标系。论文通过理论分析,指出了高度地形追随坐标和气压地形追随坐标存在明显不同。气压地形追随坐标气压梯度力计算对地表气压的计算误差很敏感;两垂直坐标下气压梯度力计算误差在低层两者相差不大,但是往高层高度坐标的气压梯度力误差要明显小于质量坐标。在简化理想试验里,两种垂直坐标数值计算结果对分辨率、地形坡度、物理量误差随高度变化的分布等因素是敏感的。选择两次地形强降水过程进行数值模拟诊断研究,并比较研究不同垂直坐标下实际敏感性试验。 论文从理论分析、理想试验到实际个例模拟的研究结果表明,高分辨率中尺度模式的模拟结果对垂直坐标的选择是很敏感的。采用气压地形追随坐标地表气压出现偏差会引起的垂直速度计算出现差异,两者的垂直速度计算差异值可达1.5m/s,由此引起的降水差异最大差值达40mm。对非静力中尺度高分辨率模式模拟中的垂直坐标影响研究表明,两坐标在低层引起的误差基本一样,越往高层两坐标引起的误差越大,并且高分辨率下实际天气过程模拟的24小时预报要素场的相关系数和均方根误差分析表明,高度坐标的预报能力要优于质量坐标。对多尺度统一模式的垂直坐标选择影响问题表明,不同分辨率下高度坐标和质量坐标两者预报的各要素场是不一样的,随着分辨率的提高,两坐标预报的要素场差异变大,例如30km分辨率两坐标垂直速度最大的差值为0.15m/s,但到了2.5km分辨率下两坐标垂直速度最大的差值达4.5m/s。对不同垂直坐标选择对地形降雨的影响的简要讨论表明,不同坐标系对地形降水预报跟分辨率密切相关。分辨率越高,不同坐标系对地形降水预报差异愈加明显。 这一研究结果对于非静力高分辨率多尺度统一数值模式的发展具有一定的参考价值。


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