梯度计算的集合变分方案及其在大气Ekman层湍流系数反演中的应用

大气Ekman层湍流系数的准确计算对数值天气预报和污染物扩散计算有着重要的意义. 将集合计算和变分法结合起来, 提出了目标泛函梯度计算的集合变分方案, 并根据正演模式的线性化情况提出了两种计算流程. 利用这种集合变分梯度算法及两种流程对Ekman层湍流系数进行了反演试验, 结果表明这种算法实施简单、方便, 根据观测资料能够比较准确地反演湍流系数值. 关键词： 梯度计算 集合变分 湍流系数 反演     

Improvement of surface flux calculation:A study based on measurements over alpine meadow in the eastern Tibet Plateau in summer

An improved flux-gradient relationship between momentum φm（ζ） and sensible heat φh（ζ） is obtained by the use of the observational data over an alpine meadow in the eastern Tibet Plateau, in Maqu of China during the period June to August, 2010. The empirical coefficients of Businger-Dyer type function for the cases of unstable and stable stratification are modified. Non-dimensional vertical gradients of wind and potential temperature are calculated by three fitting func- tions; that is, the log-linear, log-square, and log--cubic functions, respectively. It is found that the von Karman constant approaches 0.4025 and the Prandtl number is about 1.10 based on the measurements in near-neutral conditions, which are within reasonable range proposed in previous studies. The revised flux-gradient profile functions of -1/5 power law for momentum and - 1/3 power law for sensible heat are best fitted in unstable stratification conditions. Meanwhile, 2/5 power law, instead of linear functions, is more appropriate in stable stratification cases for momentum and sensible heat. Com- pared with results from previous studies in which traditional functions are used, the momentum and sensible heat fluxes estimated by the revised profile functions in the current study are much closer to the observations for the unstable and stable stratification conditions.     

非均匀地表空气动力学有效粗糙度的统计特征

利用基于大气边界层Monin-Obukhov相似理论、通量守恒和质量守恒原理设计的非均匀地表空气动力学有效粗糙度计算方案, 研究了3种不同地表类型情况下有效粗糙度的统计特征, 并分析了大气层结稳定度和粗糙变率对有效粗糙度的影响. 结果表明, 有效粗糙度总是大于面积加权平均粗糙度, 大部分情况下有效拖曳系数比平均拖曳系数大10%以上; 有效粗糙度虽然和大气层结稳定度有关, 但对粗糙变率更敏感, 粗糙变率加倍将使有效粗糙度相对变化百分比达到加倍前的4倍, 有效拖曳系数相对变化百分比达到加倍前的3倍. 因此, 非均匀下垫面的数值模式中, 不能简单地采用面积加权平均粗糙度, 需要采用能表示下垫面非均匀性综合效应的有效粗糙度. 关键词： 非均匀性 有效粗糙度 粗糙变率 层结稳定度     

基于区域逐步分析的集合变分资料同化方法

集合变分数据同化方法的同化效果对集合样本容量具有很强的依赖性,研究发现此问题的出现是因为其计算过程中分析增量被表示为集合扰动向量或其展开正交基向量的线性组合.这样的处理方法虽然避免了计算梯度而引入伴随模式,但是因为物理控制变量个数远大于集合样本容量,就会导致物理量的同化分析值对集合样本容量很敏感.根据此原因,提出了区域逐步分析方法,减小了同化分析区域内物理变量个数与集合样本容量数之间的比值,使问题得到解决.利用浅水方程模式进行资料同化数值试验表明,基于区域逐步分析的集合变分资料同化方法可以得到较好的结果,能明显提高同化的精度.     

估算大气重力波参数的垂直扰动廓线获取新方法

重力波是大气中最基本的动力过程, 估算大气重力波参数是大气动力学理论研究的重要内容之一. 针对常用曲线拟合方法获取大气垂直扰动廓线存在的固有缺陷, 本文提出了估算大气重力波参数时垂直扰动廓线获取新方法. 基于小波变换中的影响锥曲线性质, 以影响锥曲线最大值作为区分背景场和扰动场的临界值, 利用10阶ButterWorth高通滤波器对小于临界值的信号进行滤波得到扰动场. 对实际大气过程高时空分辨率模拟纬向风和经向风垂直廓 线的Morlet小波和Fourier功率谱分析表明, 本文方法获得的扰动廓线中不再包含强背景场信息, 且不会引入虚假波信号, 克服了常用多阶曲线拟合方法的缺陷, 利用该方法可以估算出合理的大气重力波参数.