高分辨率grapes-gfs的动能谱及其转折特征分析

大量观测数据的计算表明,在对流层高层和平流层低层,大气动能谱在大尺度的斜率近似为k-3,到中尺度转换为近似k-5/3,动能谱的斜率及其转折特征可作为大气运动的基本规律检验数值模式。利用这一特征对grapes-gfs全球中期数值预报模式产品进行了检验评估。采用0.25°分辨率grapes-gfs模式2013年5月的预报场,分析了模式动能谱的垂直分布及动能谱的辐散分量和旋转分量。结果表明:在对流层高层和平流层低层(225—10hpa),模式的动能谱曲线能较好地再现大气动能谱从大尺度过渡到中尺度的斜率转折特征,特别是在100hpa附近动能谱的转折特征比较明显,但是动能谱斜率的绝对值较通常的观测结果(k-3和k-5/3)偏大;在大尺度范围,旋转分量在总动能谱中占优,随着波数的增大(尺度的减小)辐散分量逐渐与旋转分量相当甚至超过旋转分量。基于条件极值的思想提出一种计算转折点(拐点)的新方法,该方法能够较准确地计算出动能谱曲线拐点的位置,而且拐点位置随高度的变化与辐散和旋转分量谱交点位置随高度的变化一致。此外,还计算了辐散分量谱的斜率,发现其在中尺度范围内非常接近k-5/3,验证了其对总动能谱转折过程中的关键作用。综上,grapes-gfs模式能够准确地再现大气动能谱由大尺度到中尺度的斜率转折特征;与旋转分量相比,模式对动能谱辐散分量的描述更为准确,而且模式对旋转分量的较大误差导致了总动能谱的斜率绝对值偏大。