一种湿大气地形重力波参数化方法

本发明属于数值天气预报，尤其涉及一种湿大气地形重力波参数化方法。

背景技术：

1、地形对大气的影响在流体动力学领域一直是个复杂且有趣的研究热点。当气流经过地表时，地形会引起大气阻塞或扰动。这些扰动会对气流产生摩擦和拖曳，并影响各种天气系统的演变。数值天气预报模式（nwp）是目前进行天气预报的主要方式，它通过数值积分，对地球系统的状态进行逐网格的求解，是一个演绎推理的过程。然而，数值模式只能解析网格尺度以上的地形效应，而无法描述小尺度次网格地形对大气环流的影响。

2、小尺度次网格地形会在一定的大气条件下激发生成的重力波并垂直向上传播，振幅增大，在它们变得不稳定时产生破碎，并对平流层和中层大气的大尺度环流产生显著的非局部影响。考虑地形重力波影响在准确呈现平流层状态方面发挥着重要作用，而平流层对于中期天气预报、季节预报和气候预测非常重要。重力波破碎会引起晴空湍流，这可能会影响飞机飞行安全。在对流层低层，重力波破碎还可能产生严重的下坡风暴。然而。可见小尺度次网格地形对大气环流有着重要的影响，因此需对小尺度的次网格地形过程进行参数化以考虑次网格效应。

3、早在上个世纪80年代，基于早期的山脉波理论，在nwp模式中描述了次网格尺度地形激发的重力波的影响。不过这些都局限于二维的单波参数化且具有一些假设条件（例如，稳定分层气流、忽略地球自转影响、无粘性、静力平衡和干空气假设）。lott & miller（之后称为lm97）针对之前方案中未考虑的非线性低层山脉拖曳提出了一种新的地形重力波拖曳（ogwd）参数化方案，考虑了由于次网格尺度地形产生的气流阻塞效应。随后该ogwd参数化方案应用在了多个nwp模式中，包括ecmwf的ifs、met office的um、jma的gsm2003、dwd的icon和météo‐france的arpege等。ogwd参数化方案对于减小对流层和平流层模式误差，提高nwp模式性能具有重要作用,然而，由于缺乏对对流层和平流层地形拖曳的观测和理论约束，参数化方案一般是基于许多假设和经验公式，不确定性较大，约束性较差，使得参数化方案本身也成为了nwp模式的误差源之一。迄今为止，在数值模式中表示未解决的地形过程仍然是一项重大挑战。因此，地形重力波参数化方案仍需继续去假设化和去近似化以变得更加完善。

4、目前ogwd参数化方案中还保留有一个重要假设：干空气近似。实际大气中包含有水汽，水汽对大气状态有着重要影响，并且也是气候变化的重要影响因素。水汽可以说是所有关键地球大气过程的核心。在地形重力波传播中，水汽对大气的稳定性也具有重要影响。当含有水汽的气团受到向上扰动时，若气块中水汽凝结并释放潜热, 其热量可以部分地补偿了气块因绝热膨胀的冷却, 使得湿空气块与环境的密度差小于干气团与环境的密度差,气块所受的浮力变小; 对向下小扰动的气块, 由于蒸发吸收潜热也会产生类似的浮力变小, 这样湿空气的振荡频率要比干空气块的小。有学者研究了水汽对被困山脉背风波的影响，并发现水汽的变化在不同的环境和高度可产生不同的波响应。可以看出，现有技术中忽略水汽的影响给数值天气预报模式带来了误差，因此需要在地形重力波参数化方案中准确考虑水汽的影响，以提高模式的准确度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明将在地形重力波参数化方案中的去除干空气假设，从最初的大气运动控制方程组出发，考虑水汽、液态水和固态水的影响，利用线性重力波理论推导并计算湿大气地形重力波表面应力。在重力波垂直传播过程中，应用综合考虑干绝热过程和湿绝热过程的湿大气浮力频率参数，确定重力波应力的垂直分布，以更加准确的描述次网格地形效应，提高数值模式在复杂地形区域的模拟预报能力。

2、为实现上述目的，本技术公开的湿大气地形重力波参数化方法，包括以下步骤：

3、采集站点降雨观测数据；

4、在地形重力波参数化方案中去除干空气假设，计算近地面湿大气中包含湿度影响的未饱和湿空气浮力频率和空气总密度

5、基于线性重力波理论，计算湿大气地形重力波地表应力；

6、计算地形重力波垂直传播过程中综合考虑干绝热过程和湿绝热过程的湿大气浮力频率参数；

7、在地形重力波应力向上传播过程中，进行如下步骤处理：逐层计算的湿大气浮力频率参数；逐层计算重力波振幅，局部richardson数；若局部richardson数小于临界值，则计算重力波发生破碎的重力波振幅和该层的重力波应力；若局部richardson数仍大于临界值，则该层地形重力波应力继续向上传播；

8、基于数值天气预报模式，应用考虑湿大气的地形重力波参数化方法，对强降雨事件进行数值模拟，分析考虑水汽的地形重力波参数化对降雨的影响。

9、优选地，在地形重力波应力逐层向上传播过程中，进行如下步骤处理：

10、a. 基于数值模式中第k层的水平风场、湿大气浮力频率、湿空气总密度和下一层的重力波应力计算该层的重力波振幅；

11、b. 基于该层的地形重力波振幅和湿大气浮力频率，计算局部richardson数；

12、c．根据局部richardson数与临界值的比较，判断地形重力波是否发生破碎，并计算该层地形重力波；

13、d．重复步骤a、b、c,直到模式层顶。

14、优选地，在地形重力波参数化方案中去除干空气假设，计算湿大气运动控制方程组中包含了水汽、液态水和固态水的空气总密度和未饱和湿空气的干绝热浮力频率，空气总密度计算如下：

15、；

16、其中p为空气块气压，、分别表示干空气气压和干空气比气体常数，、分别表示湿空气气压和湿空气比气体常数，为液态水密度，为固态水密度，t表示气块的温度，表示水汽混合比，表示总混合比，表示干空气比气体常数与湿空气比气体常数之比；

17、未饱和湿空气的干绝热浮力频率计算如下：

18、；

19、其中，表示比热容，为重力加速度。

20、优选地，基于线性重力波理论，计算湿大气地形重力波地表应力：

21、

22、其中，为次网格山高减去气流阻塞高度后得到的有效山高，是椭圆山脉锐度的函数，和是椭圆山脉各向异性函数，和分别表示平行和垂直于风向的分量，为山脉方位角与风向的夹角。

23、优选地，在湿大气地形重力波垂直传播过程中综合考虑湿大气中的干绝热过程和湿绝热过程，湿大气浮力频率计算如下：

24、；

25、其中，t表示气块的温度，g为重力加速度，为干绝热递减率，为湿绝热递减率，表示饱和混合比，表示总混合比，表示汽化潜热，表示干空气比气体常数，表示高度，和为干系数和湿系数，它们由下式确定：

26、；

27、其中为比湿，为饱和比湿，表示饱和调节系数。

28、优选地，湿大气地形重力波垂直传播过程中，重力波振幅计算如下：

29、；

30、其中表示第k+1层的重力波应力，表示第k层的空气密度，表示第k层的湿空气浮力频率，表示第k层的风速。

31、优选地，湿大气地形重力波垂直传播过程中，局部richardson数计算如下：

32、；

33、其中为气流的平均richardson数，为气流的froude数。

34、优选地，所述确定重力波应力的垂直分布，包括计算第层的应力：

35、；

36、其中为重力波发生破碎时的振幅，是表示临界richardson数值，这样逐渐向上迭代传播，以确定重力波应力的垂直分布。

37、本发明去除了“干空气”假设，从最初的大气运动控制方程组出发，考虑水汽的影响，开发了一个新的湿大气ogwd方案，可更准确的描述次网格地形效应。