湍流动能参数化在中尺度模式中的应用研究

在中尺度区域模式MM4的基础上对其中的湍流参数化方法作了改进,用湍流动能参数化方法代替原有的总体边界层方案中的局地K闭合,以高精度边界层方案作为控制方案,重点对1997-07-17的徐州暴雨进行了模拟。对湍流场的计算表明,这种闭合得到了合理的湍流场,代入模式计算稳定,预报的各物理量空间分布和原来的预报场相似,24h降水预报的位置没有改进,但是降水量有所提高,表明用湍流动能闭合方法代替局地K闭合是一种有希望的研究方向。该方法得到了比原模式中的湍流闭合方案更加合理的湍流扩散参数,对中尺度模式的改进有所帮助。     

用中尺度模式输出污染气象的拉格朗日湍流统计量

大气对污染物的稀释和扩散能力随气象条件的改变而发生巨大的变化，而各种湍流特征参数能反映出大气对污染物的扩散能力，因而计算这些参数对污染物浓度的预报有很大的帮助．以往，各种湍流特征参数都是通过局地测量获得的，而要获得较大尺度的扩散背景场，单靠单点测量是做不到的．试图利用MM5模式中的中尺度模式输出量来计算一些湍流特征参数，这些参数可以代表网格上的平均值．选择了MM5中的Mellor-Yamada level 2.5的边界层参数化方案，用输出的q^2-(湍流动能的两倍)，再通过解一个代数方程组，求得另外的各种二阶湍流矩量u^2-、v^2-、w^2-。然后利用这些二阶矩量来计算拉格朗日积分时间尺度、自相关系数，尝试用中尺度模式来输出这些量．经计算结果的分析表明，模式输出的这些拉格朗日湍流统计量是合理的，因而利用这种方法来计算拉格朗日湍流统计量是可行的，进一步，这种方法可应用于空气污染扩散的预报中．     

由中尺度风温场模拟湍流属性特征量

主要讨论了由中尺度模式中输出的风、温场用完全的二阶闭合方法,求取湍流二阶矩量,进而求得方差、湍流强度等湍流特征量,研究这些湍流特征量的时空分布规律,利用中尺度模式输出的风、温场,对不同下垫面上的湍流量的性质进行分析研究,以便 进一步了解中尺度系统中湍流结构的物理特征,对研究大范围的污染物的扩散很有帮助,研究结果表明模拟的湍流特征量符合已知规律;湍流强度有明显的日变化,湍流强度与下垫面的粗糙度有关,粗糙度大的地区,湍流强度也大;平坦地区,湍流强度小;湍流强度与稳定度有关,不稳定情况下的湍流强度比稳定情况下的湍流强度来得大,并进一步分析了不同稳定度下的归一化湍流速度标准差的廊线,也符合已知的观测及边界层模式的湍流量的模拟结果,方法为用中尺度模式预报风、温场诊断湍流场提供了一个有效的方法。     

一个含地形的二阶矩湍流闭合的大气中尺度数值模式

建立了一个包含地形作用的二阶矩湍流闭合的二维大气中尺度数值模式，该模式不仅具有描述大气边界层及其内湍流结构的能力，而且还能很好地模拟非线性地形波、波破碎观象以及波破碎区内的湍流结构．     

中尺度WRF模式在资源环境评估领域的应用进展研究

中尺度WRF模式是由美国国家自然科学基金和NOAA共同支持的新一代中尺度预报模式和同化系统.它采用高度模块化、并行化和分层设计技术,具有更为合理的模式动力框架、先进的三维变分资料同化系统、更丰富的内部参数化方案.介绍了WRF模式的动力学框架、WRF模式的各种参数化方案、近15年来WRF模式在气候资源预报领域的应用.最后,对WRF数值模拟存在的问题进行了阐述,并展望了WRF数值模拟今后的发展趋势.     

湍流模式——研究现状与发展趋势

随着人们对湍流运动的物理认识的深入,湍流模式的研究近年来有了长足进展,以线性的涡粘性和二阶矩闭合模式发展到非线性的描述,以模式系数的经验标定进入了理性推导。传统上湍流模式建立在连续介质力学理论基础上,目前统计力学方法也被成功地应用于模式的研究,如概率密度函数方法和重整化群理论等。本文除介绍和讨论了目前工程应用中常见的一些湍流模式外,还就作者本人的研究体会探讨了湍流模式的研究动向和发展趋势。     

藉不可逆热力学理论改进中尺度数值天气预报模式水平扩散参数化的一个尝试

大气动力学控制方程组中引入的诸水平扩散项虽属模式动力学的一个组成部分,但从目前通用的四阶扩散算子的数学表示以及实际计算/模拟的效果看,无论线性或非线性的方案均不能恰当地反映扩散的物理实质,从而影响到预报和模拟精度.针对原水平扩散方案中不符合物理耗散规律的部分进行修正,藉刻画多体系统不可逆过程演变方向的热力学第二定律重新构造了一个改进的水平扩散方案以取代原方案,最后通过一个具有解析解的趋于定常流动的一维Burgers方程和1992年在美国佛罗里达州登陆的飓风Andrew个例的计算,揭示了改进方案所取得的若干有意义的结果:对于Burgers方程,采用改进方案后获得了与解析解一致的数值解,而对于飓风Andrew(1992)则获得了与实际观测资料更加接近的地面最大风速和最小气压随时间变化的模拟预报结果.     

WRF不同边界层参数化方案对重庆一次暴雨过程的模拟

利用中尺度天气预报数值模式(WRF)中的3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2)模拟了重庆2012年8月30日-9月1日的一次暴雨过程,结合同期的观测资料分析了3种不同边界层参数化方案模拟降水强度和降水落区的差异,对各方案模拟重庆区域内的降水能力进行了检验评估.通过垂直速度、水汽通量散度和相对涡度等基本物理量的诊断,对比分析了不同方案模拟降水的差异.结果表明, 3种边界层方案均能模拟出此次雨带的移动方向,但YSU方案能较好地模拟出降水落区、降水强度和降水趋势, MYJ方案模拟效果次之, ACM2方案模拟效果较差. YSU方案模拟降水的动力条件和水汽条件配置符合实际降水情况,是模拟效果较好的主要原因.     

一个湍流重正化群二阶矩封闭模式的数值模拟

通过对充分发展旋转槽道和后台阶流动两个二维定常湍流问题的计算,比较了标准k-ε模型、Gibson-Launder二阶矩和一个基于湍流重正化群理论推导的二阶矩模型模拟复杂湍流运动的能力,尤其是检验这种新型的湍流重正化群二阶矩模型的性能．计算结果表明,与标准k-ε模型相比,Reynolds应力模型能够捕捉到旋转流动中由旋转带来的湍流流场结构的改变,能更准确地预测后台阶流动中的回流区长度,对于各物理量的计算,湍流重正化群二阶矩模型和Gibson-Launder模型的精度相当．     

有云条件下WRF模式中5种边界层参数化方案的比较研究

利用中尺度气象模式WRF中五种边界层参数化方案,对中国安徽寿县地区进行高分辨率的数值模拟,评估有云条件下边界层参数化方案对不同气象要素以及边界层结构的模拟能力。结果表明:两种非局地方案(ACM2、YSU)在云层存在的时间、云底高度、云底厚度方面模拟效果较好,局地方案模拟结果较差;对于向下短波辐射模拟,ACM2方案更接近观测值;对2 m温度和比湿模拟ACM2方案最好,而局地方案在风速和风向上存在优势;垂直结构方面,白天弱不稳定条件下,非局地方案考虑大涡输送更能表征位温廓线和湿度廓线,而风速和风向廓线的模拟,除了MYJ方案外,其它方案均能成功模拟,在夜间弱稳定条件下,5种方案都能模拟出弱不稳定层结、逆湿结构、急流等。     

湍流模型对风琴管喷嘴空化射流数值模拟的影响分析

针对不同湍流模型对空化射流流场数值模拟影响问题,本文基于ZGB空化模型和WALE亚格子模型,采用大涡模拟（LES）和RANS模型对风琴管喷嘴空化射流流场进行数值模拟研究,分析内外流场的压力分布、速度分布以及空化云演变规律,并将空化云演变规律与实验结果进行对比分析。结果表明,LES模型速度、压力分布更符合实际情况,空化云演变规律与高速摄像拍摄结果基本吻合,LES模型可以更准确地模拟风琴管喷嘴空化射流流场。对风琴管喷嘴结构优化、打击力度与目标靶距的预测更准确。     

涡轮流量传感器内部流场数值模拟中湍流模型比较

为了能够采用非实流标定方法来准确预测涡轮流量传感器的仪表系数以及获得传感器内部流场流动情况,分别应用S-A、标准k-ε、RNGk-ε、Realizablek-ε以及标准k-ω5种湍流模型,对涡轮流量传感器内部流场进行三维数值模拟,并将应用各湍流模型得到的仿真仪表系数与实流标定值进行对比和分析.对比结果表明,相比其他4种模型,标准k-ω模型可以更准确地预测涡轮流量传感器的仪表系数,其平均仪表系数与实流标定的仪表系数的相对误差为2.023%.因此,标准k-ω模型更适合应用于涡轮流量传感器内部流场的仿真与仪表系数的预测.     

三维引射流动数值模拟及紊流模型选择

针对引射流动三维湍流流动的特点,应用κ-ε、S-A以及k-ω湍流模型分别对三维引射流动进行了数值模拟。比较引射流量的数值结果与实验结果表明,湍流模型的选取对数值结果具有较大影响,采用k-ω模型进行模拟可以较为准确地预测引射流量。     

大气边界层湍流积分尺度的分析方法

分析了大气边界层风洞中模拟湍流和实测大气湍流的积分尺度，通过风洞中的模拟湍积分尺度分析，检验了Taylor假设的合理性，并比较了五种常用方法的计算结果，确定出合适的分析方法；利用自相关函数直接积分和自拟合模型（AR模型）的方法分析了实际大气湍流的积分尺度，结果证明自相关函数直接积分的方法最为简便合理。     

圆管弯道内部流动数值模拟及湍流模式比较研究

运用有限体积法数值离散雷诺平均的Navier-Stokes方程,对90°大曲率圆形截面弯管内的湍流流动进行了计算模拟(其中雷诺应力分别采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型进行封闭),并将计算结果与实验资料进行了比较.结果表明,RNG k-ε湍流模型结合双层壁面区域处理方法能够较为准确地模拟大曲率管道中的流动现象.     

浙南山区小流域WRF模式参数化方案对比与优化组合

准确的降水预报对好溪流域防洪减灾具有重要意义。本研究选取好溪流域典型降水场次,基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式,开展云微物理过程参数化方案和积云对流参数化方案敏感性分析,优选适用于好溪流域的物理过程参数化组合方案,提高好溪流域降水预报精度。研究结果表明：云微物理过程和积云对流参数化过程的方案选择及组合对降水预报影响显著,然而没有某一种组合方案的模拟效果对于所有场次的降水都是最佳的;综合考虑所有的典型降水场次,当云微物理参数化方案选择Lin（Purdue Lin）方案、积云对流过程参数化方案选择KF（Kain-Fritsch）方案时,降水预报精度最高。     

静力学中两种解题方法的比较

加深对势能概念的认识 ,对静力学中两种解题方法进行比较 .     

小浪底河段浑水流动的三维数值模拟

基于湍流随机理论,针对黄河中游小浪底工程建成前的河段水沙流动特点,建立了河流的三维水沙流数学模型。在此模型中,采用了各向异性湍流的Reynolds应力数值格式和自由面位置的Poisson方程,并将精细壁函数应用于边壁处理。建立了床面附近含沙量表达式,将传统的床沙级配控制方程推广到三维模型。在贴体坐标系下,用此数学模型计算了此河段的含沙量和流速沿河宽和垂线分布,计算结果与原型实测成果基本吻合,从而证明了此模型的可行性,以及计算方法和程序的可靠性。