湿物理过程对大气中尺度能量串级的影响及可能机制研究

Energy cascade lies at the core of the dynamics producing the mesoscale energy spectra in the atmosphere and embodies the nature of nonlinear scale interactions. Until now, it is remarkable that no scientific consensus yet has been reached on the important issue whether the energy cascade through the mesoscale atmosphere is upscale or downscale, or both. Previous studies based on the inertial turbulence theories overlook the important fact that there exist abundant physical forcing processes in the mesoscale atmosphere, especially moist physical processes that will release latent heat and excite vertically propagating inertia–gravity waves. With the regional nonhydrostatic model WRF (the Weather Research and Forecast model) and the global nonhydrostatic model MPAS (the Model for Prediction Across Scales), mesoscale energy cascade of moist nonhydrostatic atmosphere is investigated from the point view of spectral budgets of rotational and divergent kinetic energy by quantitatively diagnosing the outputs of high-resolution idealized baroclinic wave simulations, especially for the effect of moist physical processes on energy cascade through the mesoscale and its possible mechanism. This study is expected to improve the understanding of the dynamics producing the mesoscale energy spectra in the atmosphere, and provide important contribution for exploring the development mechanism of moist convective systems.

能量串级是大气中尺度能量谱动力学机理研究的核心问题之一，其体现了大气中尺度运动的非线性本质。目前为止，关于大气中尺度范围上能量串级到底是升尺度的还是降尺度的，或者是两者共存，还没有明确的科学定论。以往基于湍流惯性理论假设的研究忽略了大气中尺度上丰富的物理强迫过程，尤其是与湿物理过程相关的潜热加热和重力惯性波的垂直传播。本项目基于有限区域非静力模式WRF和全球非静力模式MPAS，采用理论推导和数值研究相结合的方法，从涡旋动能和辐散动能谱收支的角度，通过定量诊断高分辨率理想斜压波数值模拟结果，研究非静力湿大气的中尺度能量串级特征，重点揭示湿物理过程对大气中尺度能量串级的影响以及可能的物理机制。项目研究结果能够加深对大气中尺度能量谱动力学机理的认识，为揭示中尺度湿对流系统发展机理提供重要参考。

能量串级是大气中尺度能量谱动力学机理研究的核心问题之一，其体现了大气中尺度运动的非线性本质。目前为止，关于大气中尺度能量串级到底是升尺度的还是降尺度的，或者是两者共存，还没有明确的科学定论。项目采用理论推导和数值研究相结合的方法，从平衡/非平衡运动分解的角度，研究了湿物理过程对大气中尺度能量串级的影响及其物理机制。.基于Helmholtz分解理论建立了涡旋/辐散动能与涡度/散度拟能之间的关系；构建了高度坐标系下f平面上适用于有限区域中尺度非静力湿大气的涡度/散度拟能谱收支理论；显式推导了动能串级与涡度/散度拟能串级之间的关系表达式。开展了基于WRF模式的理想干/湿斜压波系统模拟诊断研究，定量揭示了对流层高层和平流层低层上与涡旋模态相关的非线性相互作用和与辐散模态相关的非线性相互作用所分别产生的串级过程，尤其是湿物理过程的影响。定量计算了理想湿斜压波系统中平流层低层升尺度能量串级对应尺度范围上的均方根Rossby数，揭示了中尺度范围上地球旋转作用的重要性；对比分析了理想干/湿斜压波系统中析辐散动能谱和涡旋动能谱之间的转化项，发现了包含湿过程后斜压波系统中显著的非平衡运动向平衡运动转化过程。进一步研究了理想热带气旋的中尺度能量谱特征和形成机理，揭示了在气旋的成熟阶段，水平动能和有效位能谱都在波长小于500km的尺度上呈现出准-5/3的斜率；水平动能谱在对流层表现为弓状分布，在平流层低层表现为准线形分布；垂直传播的重力波不仅具有直接垂直输送能量的作用，还能影响能量串级的强度和方向。基于全球非静力模式MPAS-Atmosphere，开展了全球能量谱特征与收支研究，重点揭示了全球大气中不同高度上的能量串级特征。在这些理论研究基础上，进一步发展了静力/非静力全球湿大气谱模式动力框架改进技术，有效改进了理想热带气旋和超级单体模拟效果。.项目研究结果加深了对中尺度能量谱动力学机理的认识，为改进数值模式提供了重要理论参考。