地形重力波非局地拖曳理论研究

Orographic gravity waves (OGWs) are very common in the atmosphere. The drag effect owing to momentum transport by OGWs has an important influence on the atmospheric general circulation. Previous studies of orographic gravity wave drag (OGWD) mainly focus on vertically propagating OGWs. However, there is only limited knowledge about the non-local OGWD caused by three-dimensionally propagating OGWs. Based on ray tracing theory and numerical simulation, this project studies the three-dimensional propagation of OGWs in a rotating atmosphere and establishes a theoretical model of non-local OGWD. This model is then adopted, in association with reanalysis and high-resolution terrain data, to investigate the influence of three-dimensional propagation of OGWs on the wave-induced drag in the realistic atmosphere. This study can help improve the understanding of OGWD and lay a theoretical foundation for the improvement of OGWD parameterization in numerical models.

地形重力波是地球大气中常见的波动，其动量传输导致的拖曳效应对大气环流具有重要的影响。过去对地形重力波拖曳的研究主要集中于垂直传播的地形重力波，但是对地形重力波三维传播导致的非局地拖曳认识十分有限。本项目基于射线追踪理论和数值模拟，对地形重力波在旋转大气中的三维传播进行研究，建立一个地形重力波非局地拖曳理论模型。在此基础上，利用再分析资料以及高分辨率地形数据，研究实际大气中地形重力波三维传播对其拖曳效应的影响机理，促进对地形重力波拖曳的认识，并为数值模式中地形重力波拖曳参数化的改进提供理论依据。

地形重力波是对流层大气和中高层大气相互耦合的重要物理过程。垂直传播的地形重力波能够将动量由地表输送至地球大气的中高层，通过波流相互作用影响中高层大气环流的动量和能量收支。然而在大尺度数值模式中，地形重力波通常为次网格物理过程，因此需要对其进行参数化。过去对地形重力波拖曳的研究主要集中于垂直传播的地形重力波，但是对于地形重力波三维传播导致的非局地拖曳的认识十分有限。本项目基于射线追踪理论和数值模拟，对地形重力波的三维传播进行研究，建立一个地形重力波非局地拖曳理论模型。在此基础上，利用再分析资料以及高分辨率地形数据，探讨实际大气中地形重力波三维传播对其拖曳效应的影响机制。.本研究首先根据线性波动理论和高斯波束近似方法，从理论上推导出地形重力波的近似解，并利用数值模拟对不同条件下的近似解进行验证。在此基础上，发展建立了基于高斯波束近似解的新的地形重力波参数化方案。利用ECMWF多年再分析资料对新的地形重力波参数化方案进行离线测试，分别研究了水平频散以及方向性垂直风切对北半球地形重力波拖曳的影响。结果表明，地形重力波的水平频散能够减小地形重力波的振幅，不利于地形重力波的破碎以及动量传输。在此情况下，地形重力波更易于在高层大气发生破碎。定量计算表明，平流层低层的地形重力波拖曳减少，而平流层上层以及中间层的地形重力波拖曳增加。地形重力波水平频散对冬季地形重力波拖曳的影响最显著，主要集中于青藏高原西部，北美落基山脉，以及格陵兰岛等地区。此外，在低纬地区的对流层，冬夏季风的存在导致水平风场具有很强的方向性切变（方向变化超过90°）。受此影响，超过一半的地形重力波动量在对流层被吸收，同样能够导致低层重力波拖曳的减少和高层重力波拖曳的增加。研究成果促进对地形重力波拖曳的认识，为数值模式中地形重力波拖曳参数化的改进提供了理论依据。