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1、博士开题报告——有限区域三维流场分解方法及其在中尺度系统中的应用研究指导老师：高守亭研究员许秦研究员学生：曹洁（2005级硕博连读）2007年6月报告提纲1选题的目的和意义2相关研究回顾3拟解决的关键问题和4已完成的工作5待完成的工作6本研究的主要创新点研究手段选题的目的和意义全风场看不清楚确切的中尺度信息资料同化处理数值模拟准确性完全分解的旋转辐散和垂直运动信息然而:中尺度运动学和动力学研究中：风场信息在中尺度系统中有着重要的地位雷达、卫星等高时空分辨率探测仪中尺度数值模式的发展问题得到一定缓解常规的观测
2、风场：时空精度不够选题的目的和意义(续1)选题的出发点——如何简单、有效地从全风场信息中提取中尺度流场？意义——1)提高灾害性天气监测水平；2)深入理解中尺度系统结构机理等研究问题；3)提高中尺度系统业务预报水平。基本思想——水平风场→旋转风＋辐散风三维流场→地转风＋强迫的非地转风＋完全的非地转风相关研究回顾2-1）流函数、速度势的一般计算方法2-2）调和－正（余）弦方法和有限区域水平风场分解方法2-3）准地转近似下的三维流场分解理论2-4）半平衡近似下的三维流场分解理论相关研究回顾(续1)2-1)流函数、
3、速度势的一般计算方法对全球大气,即周期条件下Poisson方程的求解:ok对有限区域问题,即耦合边条件下Poisson方程的求解:历史上有代表性的几个方法(图示)的基本思想：在保证求得的χ满足D分布,ψ满足Ω分布的条件下,人为地简化耦合边条件的形式（纯数学处理）难以处理1,边条件2,解不唯一＋相关研究回顾(续2)ShuklaandSaha(1974)两种迭代方案历史上有代表性的几个方法(图示)Phillips(1958)BrownandNeilon(1961)Sangster(1960)相关研究回顾(续3)
4、历史方法常导致：计算不稳定、原始风场无法还原、边界上的系统缺失、迭代次数多、结果很不准确……2-2)H-S(C)方法和有限区域风场分解理论Chen等(1992a,b)提出的调和-正(余)弦展开法：函数fi(x,y)满足：完全由内部变量决定,故称为内部部分函数fh(x,y)满足：完全由边界条件决定,故称为外部部分相关研究回顾(续4)有限区域风场分解和重建流程图相关研究回顾(续5)2-3)准地转近似下的三维流场分解理论基本思想(Xu,1992,1993):从准地转近似下基本运动方程出发,三维流场→准地转分量＋由
5、准地转分量激发的非地转A分量＋包括重力波等信息的完全的非地转N分量2-4)半平衡近似下的三维流场分解理论对于大尺度锋面系统,准地转假设近似成立；然而对于高度弯曲的锋面和旋涡,Allen(1990,1991),Xu(1994)等提出了更高阶近似下的三维流场分解理论。拟解决的关键问题和研究手段资料：NCEP再分析资料，雷达资料，模式输出资料等。研究手段：算法改进,诊断分析,动力推导,数值模拟,综合集成化等拟解决的关键问题：1.改进传统天气图分析方法→中尺度系统的运动学诊断新思路2.建立一套包含地形、热力影响的三
6、维流场控制方程→分离天气尺度及中尺度系统的动力信息3.运用能量学、动力学等途径找寻中尺度系统信息→为中尺度系统相关动力研究和业务应用提供新途径本论文具体研究问题&论文章节初步安排改进的调和－余弦方法的理论及其在实际个例中的检验√改进的调和－余弦方法;与常用的张驰法在实际个例中的效果比较地形坐标系下辐散风和旋转风动能收支方程的研究√方程的理论推导和物理解释;一次次天气尺度涡旋生消过程的能量学研究水平风场分解在天气分析中的应用√对一次华北暴雨过程的分析;从风场分解角度比较两次台风过程准地转近似下的三维流场分解理
7、论的流程化√地形坐标下准地转近似三维Psi方程的理论求解方法及其在梅雨锋系统动力分析中的应用方程的理论推导;二维风场分解方法对梅雨锋系统水平结构的运动学分析;包含地形影响的准地转近似下的三维风场分解理论对梅雨锋系统三维结构、发生发展机理、与周围环境场相互作用的动力分析包含地形、热力效应的更高价近似下三维流场分解理论及其在台风系统动力分析中的应用方程的理论推导和算法构建;在ARPS模拟的一次台风个例中的应用有限区域三维流场分解方法的业务化框架已完成的工作4.1改进的H-C算法及其在实际个例中的检验从内部分量中
8、分离出由平均涡度散度和齐次边值决定的和；后面求解内部分量时，以原始涡度与平均涡度之差作为方程右项，散度类似，得到了内部分量的另一部分：和；改进算法的基本思路求解外部分量方法相同，得到和。对范围任意小的区域可能就会出现问题了H-C方法要求满足以下的必要性条件：对稍大区域一般都满足改进的必要性已完成的工作(续1)1979年3月30日00UTC,500hPa,(41N,130E),120km,NCEP资料BCDA风场的
