利用中国秒级探空资料改进重力波参数化

The high-resolution radiosonde observations at 120 stations updated with L band system in CHINA by the end of 2010 provide new data for investigating meso and small scale gravity waves in CHINA. Compared to other measurements, these data have much higher vertical resolution than satellites and broader distribution than radar, lidar, aircraft data and so on. In this study, three years raw profiles of all stations in CHINA will be used to study the temporal and spatial distributions of gravity wave activity, important parameters and momentum fluxes in the troposphere and lower stratosphere. Then the results will be used to constrain tunable parameters and improve source spectra formulation in gravity wave drag parameterizations, so as to set up schemes suitable to use in CHINA.

基于中国地区2010年底完成全国升级的L波段秒级探空120站的3年原始廓线，具有高时间（1.2秒）和垂直空间分辨率（8米）、定位准确，比卫星遥感垂直分辨率高、比雷达、飞机分布广泛的特点，本项目将利用这些资料研究中国地区中小尺度的重力波，分析中国地区对流层和下平流层重力波活动的特点、基本特征量时空分布和主要的产生源，给出较准确的重力波动量通量的分布状况，并利用这些观测结果限制重力波参数化方案中的可调参数，改进重力波在发射层的源谱模型，建立适合我国的重力波拖曳参数化方案。

中小尺度的重力波拖曳对大气动量收支起到非常重要的作用，同时影响短期天气系统的发展和长期气候。要正确模拟重力波拖曳对平均大气环流的影响，首先要对重力波性质的时空分布特点和重力波源的观测分布有较好的了解。2010年底我国探空站的探空系统全部升级为L波段探测系统，大大提高了大气的垂直探测精度，且提供了密集的“秒级”数据，为获取高垂直分辨率廓线提供了很好的平台。本项目利用这些资料研究了中国地区中小尺度的重力波基本特征量的时空特征，并根据这些观测结果改进重力波参数化方案中的物理参数，建立适合我国的重力波拖曳参数化方案。.本项目详细分析了中国区域秒级探空资料的质量和存在的问题，促进了初步使用的秒数据的质量改进。自主研发了利用高垂直分辨率秒级探空资料提取重力波信息和计算重力波基本特征量和动量通量的程序模块。分析了中国对流层和平流层下层重力波活动的特点和基本特征量的空间分布和动量通量的分布特征。.在全球GRAPES模式中研制了初值倾向的诊断方法，并利用此方法对模式进行了动量收支诊断，发现了现有重力波参数化存在的问题。从初始倾向的残差来看，在30°N的对流层上层的西风急流区耗散不够，而在60°N的平流层低层耗散又过强是与次网格尺度重力波参数化密切相关的，需要对重力波破裂的高度根据观测进行改进。另外，在大地形处边界层内的耗散不足。研制了两个不同复杂度的非地形重力波参数化方案，其中一个已经在业务模式中应用，改进了模式的预报，增加了高层的积分稳定性。.利用观测研究和动量收支诊断的结果，对中国气象局数值预报中心自行研发的全球GRAPES模式中的重力波拖曳参数化方案的三个物理参数进行了优化。敏感性试验的结果表明，优化的参数增加了模式在北半球中纬度对流层顶附近的耗散，使物理过程总的倾向与YOTC的参考结果更一致。同时，通过增加参考层的拖曳应力，改进了东亚低层的风场预报。