【摘 要】
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湍流是大气的一种重要的运动形式,承载着大气中物质和能量的交换,也可以反映大气中的动力和热力过程,但是由于大范围高分辨率实测数据的缺乏,自由大气中特别是高空湍流的时空分布特征及其影响机制尚有待研究。本文利用中国地区120个探空站2011年至2018年的秒级探空数据,采用Thorpe分析的方法计算了在数值模式的高阶闭合方案中控制湍流强度的湍流耗散率,研究了湍流耗散率的时空分布及其影响机制。主要结论如下
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湍流是大气的一种重要的运动形式,承载着大气中物质和能量的交换,也可以反映大气中的动力和热力过程,但是由于大范围高分辨率实测数据的缺乏,自由大气中特别是高空湍流的时空分布特征及其影响机制尚有待研究。本文利用中国地区120个探空站2011年至2018年的秒级探空数据,采用Thorpe分析的方法计算了在数值模式的高阶闭合方案中控制湍流强度的湍流耗散率,研究了湍流耗散率的时空分布及其影响机制。主要结论如下:(1)湍流强度在水平方向上呈现出南高北低的分布,在对流层上部的湍流较强。在对流层中,中国北部地区湍流的出现频率更高但是湍流较弱,青藏高原的边缘湍流出现的频率较低但是平均强度比同纬度的其他地区更强,这与青藏高原边缘上空由复杂地形引起的重力波的破碎有关;考虑湿饱和效应的湍流比晴空湍流更强,特别是在对流云和降水占主导地位的中国南方地区。在垂直方向上,平均湍流耗散率的最大值出现的高度随着纬度的升高而下降与北半球对流层顶高度的经向分布一致;冬季30°N以北的平均湍流耗散率的垂直廓线的双峰模态与高空急流轴附近的强的垂直风切变有关,因为垂直风切变导致的剪切不稳定是湍流的一个重要的源。对流层内湍流的季节变化明显,春夏季较强,冬季最弱。(2)从统计结果来看,湍流耗散率呈正态分布。大气稳定度较低的大气层有较大的湍流耗散率,也对应着较大的Thorpe尺度,观测到的湍流耗散率的数值范围与理论值相符,也与针对其他国家和地区的研究结果相似。(3)中纬度地区高层的湍流在1980至2019年间有明显增强的趋势,这是由于气候变化背景下高层的温度经向水平梯度增大使急流周围的垂直风切变增大,从而导致湍流增强。由CMIP6模式预测结果推断,在气候变化的背景下,截止本世纪末中纬度地区高空的纬向风风速和湍流强度可能持续增加。
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