4-2014-09-中尺度-重力波G

Balance adjustment, as a generalization of geostrophic adjustment,
is the likely mechanism in generating these mesoscale gravity waves
CASE2 2005年12月山东半岛强降雪过程的数值模拟与中尺 度特征分析
在重力位势中心附近的 气压梯度力（用箭头表 示）的分布
旋转流场中地转偏向 力的分布（地转偏向力 用粗箭头表示）
在均匀的纬向气流中地转偏向 力的分布 （地转偏向力用粗箭头表示，箭 头长度代表力的大小）
温度变化引起等压面高度变化
• 静力学关系：等压面高度取决于温度 • 温度局地变化引起等压面高度变化 • 不均匀的温度局地变化，引起局地等压面 形势变化，造成气压梯度力的变化
g z 1 Ri 2 U z 4
热成风调整与重力波的发生发展
V f fD 0 t
D 2 f 0 t
C 2 R dQ V 2 0 t p C p p dt p p
非平衡流的诊断分析 非线性平衡方程可以表达为：
NBE 2J (u, v) u f 2F （1）
（1）式是通过对散度方程的尺度分析，去掉了所有包含散度，垂直速度和 水平速度中的散度成分的项而得到的。应用于小时间尺度，包含了曲率 的影响。（1）式中，F为位势高度， 为二维拉普拉斯算子；，u为 水平风速分量，J为雅各比算子；f为地转参数，为相对涡度；。四项均 可通过模式输出的高空风场和高度场资料进行计算。Zhang等的分析与 计算表明，当NBE的量级与（1）式右端三项相比较小时，非线性平衡假 设成立，即流场处于准平衡状态；当NBE的量级与右边三项的量级相同 或者较大时，流场处于非平衡状态。这时，质量场（气压）与动量场 （速度）重新向平衡态调整，从而产生重力波。（1）式可用于分析模 式输出场中非平衡流的量级。在前人的研究中，波动形成的区域就是的 极值区。高空急流出口区域，非线性平衡方程右端四项的和有明显的非 零值

1 2 ( 200 850 ) (200 850 ) f
物理意义
T gT

1
f

2

1
f
(21 23 )
设不变 变大
T

gT
1
f

2

变小
Rossby number dV dt Ro fV
dV k fVag dt Vag Ro V
upper-tropospheric jet streak exit region

Residual of nonlinear balance equation is useful in diagnosing imbalance and predicting the location of wave generation
重力波的作用
1引起CAT；2 触发对流；3高低层交换；4大中小交换
§3.2 重力波的动力学性质
波的位相传播各向异性 波长较长的重力波，位相传播方向接近垂直 波长较短的重力波，位相传播方向接近水平 波的能量传播各向异性 波长较长的重力波，能量传播方向接近水平 波长较短的重力波，能量传播方向接近垂直
涡度的变化机理（个别变化）
d f fD v , dt y
2） 地球自转涡度转化项 dD f 2
北风：地转偏向力的作用下转 dt y 变为气旋式风速切变的东风； 地球自转涡度转化为相对涡度 （正）；
f u
1）散度制造项
在地转偏向力的作用下，辐 合流场转化为气旋式旋转流 场（正涡度）；辐散流场转 化为反气旋式旋转流场（负 涡度）
NBE 2J (u, v) u f 2F
CASE1
Modeling and Dynamics of a Large-Amplitude Mesoscale Gravity Waves along the East Coast of the United States
(Zhang et al. 2001 QJRMS; Zhang et al. 2003 MAP)
p0 T ( 0 ) R ln t p t
等压面厚度公式
热力学方程和温度局地变化
• • • • •
（水平）温度平流 绝热变化（垂直平流和绝热个别变化） 非绝热变化 地转平衡情况下，w = 0； 干空气绝热过程中，Q 0
V f t D 0 t V p t p
Fuqing Zhang
Bosart et al. ( 1998)
14Z 4 Jan 1994
4 January 1994 Gravity Wave Observations
(Bosart et al. 1998, MWR) GW generated at 06~07 Z, wavelength ~ 100km, phase speed ~ 27m/s, amplitude ~ 7-8 mb
g dw dz dt z
令空气微团的初始平衡位置为z=0,则
g dw z dt z

z
0
dw g z 1 g 2 dz zdz z dt z 0 2 z
2
1 U 1 g 2 2 z z 8 z 2 z

高低高低§3.4 重力波的发生发展
l 0 z
2
Ri<0.25
1 1 2 1 1 1 1 U 2 2 2 U U U U U U z 2 2 2 8 8 z 2


2
2
2
u v v u 2 D D D 2 u v D 2 F f u t x y x y x y
D D D NBE u v D2 t x y
u v v u 2 NBE 2 F f u x y x y
Ro
小,接近地转, 大,非地转 是地转调整产生重力波的动力条件
Ro 0.5
可能出现大振幅中尺度重力波
Ro=2p / fT
Gravity Wave Synoptic Environment
(Uccelini and Koch 1987)
Vg
•Exit region of the upper-level jet streak where flow is strongly diffluent and unbalanced •Cold side of a surface frontal boundary
fD t D 2 f t 2 C 2 t p p
C2 t p
2 p ˆ 2 ˆ f t 2
1 2 f

中尺度气象学
Mesoscale Meteorology
（4）
寿绍文 南京信息工程大学大气科学学院 201４.0９
第三章 自由大气中的重力波
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 重力波的观测特征及天气背景 重力波的动力学性质 重力波的结构及其对天气的影响 重力波的发生发展
§3.1 重力波的观测特征及天气背景
利用非静力平衡模式MM5V3.6对2005年12月3日影响山东半岛的一次 强降雪过程进行数值模拟，对其中中尺度重力波（MGW）的特征进行分 析。并且通过非线性平衡方程（NBE）对高分辨率模式数据进行诊断分 析，较详细的说明了非平衡流的出现而引起的地转适应过程以及地形强 迫对重力波产生和发展的作用，和他们对强降雪过程的影响。 研究表明：这次强降雪过程中的中尺度重力波波长约为100km，相速 约20m/s。在有利的大尺度环流形势下，太行山的地形强迫与非平衡流 是其产生的首要机制，而冬季海陆热力差异形成的海洋的热力作用也是 造成区域性强降雪的一个重要原因。非线性平衡方程（NBE）对于非平 衡流的诊断对于确定波动产生区域和波动的传播方向方面有比较好的指 示作用。通过对波动的结构以及维持机制所作的分析，这次过程中的中 尺度重力波符合波导条件和Wave-CISK理论框架。因此，波动能够从环 境场中得到足够的能量从而维持相当长的一段时间，从而造成这次罕见 的连续性强降雪过程。
南风：地转偏向力的作用下转 变为反气旋式风速切变的西风； 地球自转涡度增加，相对涡度 减小（负）；
辐散、辐合流场中的地转偏向力 （用粗箭头表示）的分布
均匀的经向气流中地转偏向力的分布 （地转偏向力用粗箭头表示，箭头的长度表示地 转偏向力的大小）
散度的变化机理（个别变化）
d f 1 ）气压梯度 fD v , dt y 力散度制造项
重力波是静力稳定大气受到扰动后产生的振荡的传播
T1
T0
T1
T0
dw 1 p ' T ' g dt z T
T1 T1
T z '
T z
'
重力波
重力波的性质
重力波是垂直横波 重力波的类型
大气很高层重力波 大气很低层重力波 大气主体层重力波
（天气尺度、 波长 振幅 次天气尺度、 >1，000km 0.1-5hPa 中尺度 4.4-300km 0.9hPa ）
24-h Gravity Wave Animation at 13 km
24-h Gravity Wave Animation at 13 km
24-h Gravity Wave Animation at 13 km