大涡模拟与大气边界层研究--30年回顾与展望

对大涡模拟(LES)技术应用于大气边界层(PBL)研究30年来的发展历程、应用前景及发展趋势作了简要评述,内容包括:LES网格体积平均方程组,次网格闭合方案(K闭合、湍能(TKE)闭合、二阶闭合、动力学闭合、随机闭合、各向异性TKE闭合和非线性闭合);均匀、非均匀下垫面对流边界层(CBL)的大涡模拟,稳定边界层(SBL)、实际PBL的大涡模拟,森林下垫面流场和建筑物周围流场的大涡模拟,污染扩散的大涡模拟,LES-化学模式,对流层大涡模拟,大涡模拟对模拟域、网格及大涡时间尺度的敏感性,适用于LES和中尺度模拟的湍流方案研究等.提出了LES需要进一步研究的问题,如次网格(SGS)闭合方案,物理过程参数化方案,高分辨卫星和Doppler雷达资料的使用,与中尺度模式的连接与嵌套等;以及可能的应用领域,如大气湍流发展及湍涡相互作用,复杂地形流场及城市边界层模拟,污染扩散模拟,LES-大气化学模拟,中尺度气象模拟,数值天气预报及大气环流模式中高分辨边界层方案(大涡机制)的引入.希望能为大气边界层研究与应用中发挥LES模拟效能的成功实施起到一定的推动作用.     

一次梅雨锋中尺度暴雨的模拟试验

利用中尺度气象模式MM5对1998年6月23－26日梅雨锋中的一次中尺度暴雨过程中进行了二重网格双向嵌套全物理过程的模拟试验。控制试验模拟结果与实况比较吻合，对降水的模拟结果表明，选择合适的物理方案，MM5能很好地模拟出梅雨锋中尺度雨团的位置、强度及移动，对开展中尺度天气数值预报具有报导意义。对可分辨尺度降水物理方案和边界层方案的试验表明：就本个例而言，用简单冰相的参数化方案能较好地描述梅雨锋中的中尺度降水物理，其效果优于混合冰相；Blackadar高分辨率边界层方案效果优于MRF方案。     

城市地表能量平衡方案研究的新进展

系统介绍了城市地表能量平衡的物理过程及其参数化方案的研究进展.由于城市化等因素的影响,城市地表能量平衡方案中的各个物理量发生变化,进而影响不同尺度的大气环境和城市气候,尤其是微尺度气候.另外,分析和比较了几种城市冠层模型的特点,及其与中尺度大气模式的耦合,提出目前存在的一些问题和未来的发展方向.结论认为,从中尺度大气模式的研究和发展来看,城市冠层模型和中尺度大气模式的耦合可以有效地提高中尺度大气模式的模拟水平,这也有助于中尺度大气模式的精细化模拟研究,从而更好地理解城市地表能量平衡中各个物理量的变化对大气环境和气候变化的影响.     

气候嵌套模式的进展及双向嵌套模式对降水的模拟

区域气候模式发展的回顾表明区域气候模式在近20年来取得了长足的进步，将它与全球大气环流模式进行嵌套是研究区域气候变化的有效方法。单向嵌套是目前区域气候研究的主要手段，对区域气候的模拟和预测有明显的改进，加深了人们对区域气候变化的认识；双向嵌套能够体现不同尺度大气运动之间的相互作用，是区域气候变化研究的发展方向，尽管实现的难度很大，但模拟的结果明显优于单向嵌套。利用一个双向嵌套模式进行数值试验，结果表明它能够成功模拟我国南方的降水。     

城市建筑物对城市边界层三维结构影响的数值模拟

设计了一个考虑城市建筑物动力作用和人为热量影响的城市边界层参数化方案(UBP),并将之耦合到新一代中尺度模式WRF中。利用WRF/UBP模式对北京地区夏季晴空下边界层结构进行了数值模拟分析,并与不考虑建筑物及人为热源影响的MYJ方案的模拟结果进行对比。结果表明, UBP方案模拟的边界层结构反映了城市下垫面作用下的边界层结构特征,近地面层风场和温度场的模拟与自动气象站的观测结果更为接近。人为热源使得城市热岛效应增强,诊断分析显示由于夜间为稳定边界层,而白天边界层发展,湍流输送加强,热岛效应的日变化与人为热源的日变化有明显的反相关。另外,对湍流动能和边界层高度也进行了对比分析,发现城市建筑物使得湍流动能增加,夜间边界层高度有明显升高。研究表明,考虑了建筑物影响的UBP方案大大改善了模式对于城市近地面要素的模拟能力,对城市边界层的描述更为合理。     

模式湿物理过程的组合对一次南京大暴雨降水模拟的影响分析

以第五代中尺度模式（MM5）为基础,本文对一次南京大暴雨个例进行了三组数值模拟试验,研究了模式湿物理过程参数化方案的组合对梅雨暴雨降水预报的影响.试验结果表明：模式的积云对流参数化方案的选用对南京大暴雨的预报至关重要,积云对流参数化方案的选用比边界层参数化对暴雨数值预报的影响大;对20km模式分辨率而言,采用单一的积云...     

对流边界层高度预报方案的改进

基于对流边界层“一阶模型”,并考虑机械湍流和夹卷过程对对流边界层发展的贡献,提出了对流边界层顶部夹卷速度参数化的改进方案.理论分析表明,在对流边界层受热力湍流和机械湍流共同驱动的情况下,夹卷速度的参数化方案中应该包括机械湍流、热力湍流、夹卷过程和边界层顶上自由大气的逆温强度.用1979年7月美国CIRCE试验的边界层观测资料对改进后的参数化方案进行了对比验证,结果表明新方案能很好地预报对流边界层高度的演变过程.这一改进不仅使物理意义更加合理,也使夹卷速度参数化方案与实际大气状况符合得更好.     

对流边界层顶部夹卷速度参数化的分析研究

应用 1979年 7月美国CIRCE试验边界层观测资料对两个夹卷速度参数化方案进行了对比验证 ,结果表明 :基于简单夹卷层结构模型的参数化方案we/w =A·Ri- 1 只适用于自由对流边界层 ,当对流边界层中存在较强机械湍流时 ,该方案变得不再适用 ;而基于“侵吞模型”的参数化方案we/w =B·θ /(Γzi)则不仅适用于自由对流边界层 ,对于含有较强机械湍流的对流边界层也能较好地符合 ,因而具有较强的适用性 .当对流边界层受机械湍流和浮力湍流共同驱动时 ,仅以浮力对流速度w 表征混合层垂直湍流速度尺度是不恰当的 ,还应该包含机械湍流的贡献 .对比验证表明 ,这一改进非常有效 ,不仅使物理意义更加合理 ,也使夹卷速度参数化方案与实际大气状况符合得更好     

模拟区域气候变化的模式系统的建立及其效能检验

建立了一个富有特色的模拟区域气候变化的模式系统．该模式系统对模式中陡峭地形的处理方法进行了改进，并且在云量参数化方案中考虑了大气的动力学结构．其中大气模式与海洋模式和土壤模式简单耦合，和ＧＣＭ单向嵌套以反映大气环流背景对区域气候的影响．通过对模拟结果的比较和检验，发现区域模式对侧边界条件的依赖性很强，客观真实的侧边界条件是模式能够正确模拟区域气候要素的最重要的条件之一．模式分辨率的提高，中尺度强迫如地形高度和下垫面类型的细致刻划，都有利于气候要素场特别是边界层和地表气候状况模拟效果的改善．     

多尺度大气边界层与陆面物理过程模式的研究进展

本文以大气边界层物理、大气动力学、土壤物理、水文学和生物物理等理论为基础,研发了一系列适用于不同时空尺度的大气边界层与陆面物理过程模式：（1）基于地表能量和水分平衡方程,构建了新一代北京大学陆面物理过程模式（Land Surface Physics Process Model of Peking University,LSMPKU）;（2）基于城市街谷冠层结构以及相应物理过程,构建了北京大学单层城市冠层模式（Modified SingleLayer Urban Canopy Model of Peking University,UCMPKU）;（3）基于计算流体力学理论,构建了北京大学街区尺度模式（Block Scale Model of Peking University,BSMPKU）．通过模拟研究表明：上述模式在各自的时空适用尺度上均能很好地模拟出相应尺度上的主要大气物理过程,在与其他同类模式的对比实验中表现出明显的改进和提高．     

珠三角城市化对大气边界层特征影响的数值模拟

利用WRF/UCM模式对珠江三角洲2008年秋季一次大气污染过程的气象场特征进行模拟。在模式中针对下垫面类型数据和人为热通量来设置敏感性试验以探讨城市化对大气边界层特征的影响。研究结果表明:城市化发展(包括城市土地利用类型的改变以及人为热通量的加入和增加)均能增强城市热岛效应和干岛效应,使夜间地面逆温现象更加显著,地面污染物容易积累;地表粗糙度的增加使风速减小,城市化使热岛环流增强,污染物难以扩散,这也是造成空气污染事件的原因;同时城市的发展能抬升白天和夜晚的大气边界层高度。     

城市风温场的特征分析

人类活动的影响改变了城市下垫面的性质，引起近地层气象要素的的变化．同时，随着城市化的发展越来越多的污染物质进入大气，影响城市的辐射平衡和热平衡，使城市的风场和温度场分布更加复杂．本文结合实测资料，在总结前人工作的基础上，分析城市气候最明显的特征，即城市热岛的成因及其发展特征，并进一步阐明由于热岛效应引发的局地风系和城市边界风场结构，对一些观测现象给出物理解释．     

地球系统科学模拟有关重大问题

从20世纪70年代开始,科学家们已经开始把大气、海洋、冰雪和陆面四个圈层作为一个整体来考虑,既研究各圈层内部的物理过程也研究其间的相互作用,这实际上是一个物理气候系统.进入21世纪,人们的视野从物理气候系统扩展到了地球系统,进一步考虑生态系统、空间天气和固体地球系统,通过研究圈层内部的物理、化学和生物地球化学过程以及圈层之间的能量、动量和物质交换来了解地球能量过程、生态过程和新陈代谢过程的运行规律.人们越来越重视诸如碳、氮循环等生物地球化学耦合过程在气候系统中的作用及人类活动对这些循环过程的影响.地球系统模式基于地球各圈层中的物理、化学和生物过程建立起来的数学方程组,然后用数值计算方法求解,编制成一种大型综合性计算程序.地球系统模式是迄今为止最复杂和最具综合性的科学数值模拟工具,是地球系统科学理论和知识的集大成.地球系统模式的先进性,体现了一个国家在地球系统科学研究的核心竞争力,是衡量一个国家地球科学研究综合水平的重要指标.建成国际领先的地球系统模式对大幅度提升我国在地球系统科学领域的水平具有不可替代的作用.本文概述了地球系统数值模拟研究的科学意义、国家需求、国际发展趋势、我国已经取得的成就和未来的发展目标和任务.     

地气耦合系统中下垫面气候效应的数值模拟

区域气候环境的变化，不仅受大尺度气候环境的影响，而且在一定程度上还取决于该区域下垫面状况的改变。本文利用一维十六层地气耦合模式研究了陆地下垫面特征变化对近地层气候的影响，分析了大气边界层垂直温度特征、地面温度变化特征以及地面能量平衡和转换特征、试验结果表明下垫面特征是影响区域气候的一个重要因子，其变化对边界层垂直温度结构、地面温度日变化以及地面能量平衡和转换机制具有重要的影响，进而改变一个地区的区域气候状况。     

Weakening of tropical Pacific atmospheric circulation due to anthropogenic forcing

Since the mid-nineteenth century the Earth's surface has warmed, and models indicate that human activities have caused part of the warming by altering the radiative balance of the atmosphere. Simple theories suggest that global warming will reduce the strength of the mean tropical atmospheric circulation. An important aspect of this tropical circulation is a large-scale zonal (east-west) overturning of air across the equatorial Pacific Ocean--driven by convection to the west and subsidence to the east--known as the Walker circulation. Here we explore changes in tropical Pacific circulation since the mid-nineteenth century using observations and a suite of global climate model experiments. Observed Indo-Pacific sea level pressure reveals a weakening of the Walker circulation. The size of this trend is consistent with theoretical predictions, is accurately reproduced by climate model simulations and, within the climate models, is largely due to anthropogenic forcing. The climate model indicates that the weakened surface winds have altered the thermal structure and circulation of the tropical Pacific Ocean. These results support model projections of further weakening of tropical atmospheric circulation during the twenty-first century.     

城市街谷大气环境研究进展

机动车尾气排放不断增加以及城市通风能力降低,常导致城市街谷内的空气污染。城市街谷大气环境主要研究方法包括外场观测、实验室物理模拟和数值计算。外场观测和物理模拟可以考察街谷内污染物的传输扩散规律并对数值模式进行检验,另外,复杂的数值模式则可对城市冠层内大气扩散问题进行详细模拟,数值模拟和外场观测及物理模拟相配合,可用于环境质量评价、污染控制决策及交通规划。重点介绍了近十年内城市街谷大气环境研究的主要成果。     

东亚地区人为硫酸盐气溶胶辐射气候效应不同模拟方法的对比

 利用区域气候模式RegCM2与大气化学模式连接的模拟系统,研究了中国地区人为排放生成的硫酸盐气溶胶分布及其辐射气候效应,并与全球模式的结果进行了比较,同时对比了硫酸盐气溶胶辐射气候效应的在线、离线模拟方法所得结果差异的细致情况.通过以上工作表明:区域气候和大气化学耦合模式系统能在比大气环流模式更精细的尺度上获得硫酸盐分布规律和辐射气候效应;并且区域气候模式与大气化学模式的在线与离线连接方法得到的硫酸盐柱含量、有反馈和无反馈大气顶直接辐射强迫和地表温度响应在较小区域平均的尺度上存在较显著的差异,并且在全区域平均尺度上也不能被忽略;通过对气候响应的进一步分析发现:模拟结果显示了从硫酸盐含量到辐射强迫和地表温度响应逐渐加大的不确定性.     

环境风洞的模拟技术研究

在环境风洞中模拟大气边界层是大气污染对流扩散试验研究的前提．根据环境风洞污染扩散试验的特点，通过试验调整大气边界层模拟装置，实现了在环境风洞中模拟部分大气边界层，并通过湍流结构确定了模拟比尺，当大气边界层得到正确模拟时，在环境风洞中模拟污染扩散和在大气边界层中的实际情形相似。     

应用一改进的模式对北京夏季风、温和湿度场的模拟

对北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式进行了适当改进,引入第2代陆面过程模式的参数化方案,在计算地表能量水分收支时更加注重植被的影响,根据植物生态和土壤的地理分布特征确定陆面参数。结果表明,改进后的模式在模拟夏季北京气温场、风场、湿度场时都取得令人满意的效果。模拟结果可为了解北京地区区域气候的形成、污染物的扩散及城市规划提供参考和帮助。