半隐式半拉格朗日动力框架的动能谱分析

• 作者: 郑永骏 金之雁 陈德辉
• 来源期刊: 气象学报
• 学科: 地球科学
• 关键词: 动能谱 GRAPES模式 半拉格朗日动力框架 最高有效分辨尺度 最大有效时间步长 中小尺度 Spinup
• 年，卷（期）: 2008,（2）
• 所属期刊栏目: 论文
• 页码范围: 143-157
• 页数: 15页
• 分类号: P435
• 字数: 11495字
• 语种: 中文
• DOI: 10.3321/j.issn:0577-6619.2008.02.002

摘要

大量的观测事实表明自由大气动能谱与波数之间满足如下关系:在大尺度区域满足E∝k-3关系,过渡到中尺度区域表现为E∝k-5/3关系.数值模式动能谱是测量模式动力框架的耗散的直接度量,而耗散对模式的性能有着重要影响,因此动能谱是研究和评估模式动力框架的非常规的有效方法.文中使用基于半隐式半拉格朗日动力框架的全球/区域一体化模式GRAPES进行数值模拟试验,然后计算GRAPES模式的动能谱并与实际观测得到的大气动能谱比较,得到GRAPES模式能够很好地复制出实际大气动能谱的分布特征,包括从大尺度区域的E∝k-3关系向中尺度的E∝k-5/3关系的过渡特征.并且发现GRAPES模式存在最大有效时间步长,当时间步长小于最大有效时间步长时,模式动能谱随时间步长增大而逐渐衰减;当时间步长大于最大有效时间步长时,模式动能谱随时间步长增大而虚假增长.同时通过与实际大气动能谱比较,发现模式动能谱在5Δx波长附近开始明显衰减,因此将5Δx波长定义为GRAPES模式的最高有效分辨尺度;当空间分辨率提高与时间步长等相协调时,中小尺度模式动能谱向中小尺度延伸而更接近实际大气动能谱;当空间分辨率提高与时间步长等不相协调时,中小尺度模式动能谱存在较大误差,相应的大尺度模式动能谱亦存在较大误差.此外,时间步长对模式spin up过程有着重要的影响,较小时间步长时,spin up过程能够很好发展出合理的动能谱结构,在物理空间上表现为模式能够在spin up时间内生成和发展出合理的中小尺度系统;而较大时间步长时,spin up过程很难发展出合理的动能谱结构,在物理空间上表现为模式未能在spin up时间内生成和发展出合理的中小尺度系统.最后,GRAPES模式动能谱与WRF模式动能谱具有一致性,GRAPES全球中期模式能够完美地模拟出大尺度的E∝k-3动能谱特征.综上所述,本文通过研究GRAPES模式动力框架的动能谱得到了一些有意义的结果,为进一步研究、完善、优化和应用模式提供了科学的指导,可见动能谱是评估模式动力框架的有效方法.

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	陈德辉	中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室	46	1072	15.0	32.0
2	金之雁	中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室	21	335	11.0	18.0
3	郑永骏	中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室	3	47	3.0	3.0