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本文证明并给出了一套地形动力作用分析方法及参数化方案。首先,证明了地形谱理论基础,给出二维地形场一维化处理方案并讨论其适用性和地形谱计算方法。
利用地形谱分析方法,讨论我国中东部地区地形特征尺度、降水场和风场对地形作用的响应在谱空间的分布状态及理论模型、次网格地形的解析形式及其理论基础,以及模式分辨率选择判据等方面。分析发现中东部地区地形的特征尺度比照大气特征尺度的划分应在meso-α和meso-α尺度以下;地形对纬向移动系统的影响远大于对经向移动系统影响等规律。我国中东部地区冬季和夏季降水谱最强峰的波长尺度(波数)与地形谱最强峰存在着明显的地形-降水锁相关系:冬季的地形-降水锁相关系表现为共振锁相;夏季,地形-降水关系表现为移位锁相;春季、秋季以及全年平均的情况均说明共振模型是我国中东部地形性降水最本质的触发机制。对我国中东部地区各高度层次纬向风场分析同样有以上的模型。
根据地形谱得到统一的能谱密度拟合函数形式,其普遍性的理论基础基于地形分形学特征。用得到的地形特征函数给出一种更为合理的选取地形高度场格距的方法。在特定季节中小尺度地形对降水的触发作用比大尺度地形作用重要,特别在灾害性降水频发的夏季江淮地区预报中必须对地形作用采用足够精细的格距或足够精细的参数化方案才能进一步提高预报的准确率。
建立了引入完整的大气准地转、层结性、可压性、非静力等逼近“真实大气”动力学特征的二维大气控制方程组,推导出扰动垂直速度方程并结合地形周期性边界条件得到其定解。根据重力波拖曳(GravityWaveDrag,下文简称“GWD”)的普遍形式和垂直速度解,利用傅立叶变换理论和地形谱理论推导出地形触发的GWD解析形式。
结合中国中东部地区的实际地形特征进一步讨论了适合该区域地形特征的重力波拖曳参数化方案以及重力波拖曳系数、动力通量、感热通量等参数的计算。经过与实际观测的对比分析,证实了上述理论及参数化方案的合理性和有效性。文章基于以上重力波拖曳分析,提出“拖曳抽吸”概念,从地形强迫的角度解释了高空急流加速的必然性,论证了我国中东部地区以中小尺度地形为特征的地形强迫不能忽略,该地区地形对于大气的作用主要体现在急流加速的GWD抽吸和中尺度对流涡旋系统的旋转增强效应。