夹卷层厚度定义对其参数化的影响

关于边界层顶部夹卷层厚度的参数化,通常采用的方案是建立无量纲夹卷层厚度与对流理查森数之间的指数对应关系.以往的研究结果显示,幂指数存在很大的不确定性,至今尚无定论.基于对流边界层的垂直结构模型(即一阶模型),本文分析了"热泡理论"和"能量平衡理论"在物理模型上的差异,及其对夹卷层厚度参数化方案的影响,并用大涡模拟数据进行了验证.结果表明,"热泡理论"对应的夹卷层厚度与"能量平衡理论"对应的夹卷层厚度不同;前者的夹卷层厚度应该满足对流理查森数的-1次律,而后者的夹卷层厚度应该满足对流理查森数的-1/2次律.     

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     

对流边界层顶部夹卷速度参数化的模拟研究

提出一个关于夹卷速度的新参数化方案，即混合层顶部夹卷速度W。可由对流边界层特征量W*、θ*、zi及覆盖逆温强度δθ^ /δz确定，对流槽实验模拟的测量结果证实了该参数化方案的合理性，并由实验数据拟合得出了参数化方案中的系数。数值模拟结果表明此方案可直接预报对流边界层高度zi，并能很好地预报出zi的变化过程，具有很强的实用性。     

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.     

临界理查森数对不稳定状态下边界层模拟的影响

在边界层参数化方案中,临界理查森数可以用来判断湍流状态和计算边界层高度。大部分模式会将临界理查森数设置为常数,但实际上它会发生改变。本文基于WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值预报模式和YSU（Yonsei University）边界层参数化方案（以下简称WRF/YSU）,以一次夏季的晴好天气过程为背景,研究了当临界理查森数发生变化,会对气象场和边界层湍流产生的影响。结果表明：（1）当临界理查森数增加时,大范围区域的边界层的高度会增加。在时空上能够体现出来。在空间上,边界层高度分布不均。从时间上看,在下午边界层高度受到的影响最大;（2）理查森数的临界值增加,湍流扩散系数也增大,水汽混合比增加,并且地面热通量总体增大,又会进一步使边界层高度增大;（3）YSU方案中湍流扩散方程由一个局部项、一个非局部项和一个夹卷项组成。对于热通量,夹卷项对总热通量的贡献与局部项和非局部项的贡献相当。对于水汽和动量通量,局地项及夹卷通量项在边界层中最大。     

Kuo(1965,1974)和Anthes(1977)对流参数化方案对降水影响的数值研究

本文应用11层原始方程模式和一次实际降水个例对 Kuo(1965)、Kuo(1974)以及Anthes(1977)对流参数化方案进行了初步试验,结果表明:考虑对流参数化后降水强度增加,但对降水落区影响很小,其中 Anthes(1977)方案对降水的增加最多,Kuo(1965)方案增加最少.在三种参数化方案中,Kuo(1974)方案模拟出的对流降水比重最高,Anthes(1977)方案的对流降水比重最低,但是 Anthes(1977)方案的反馈作用却最大,其影响的大尺度降水比不考虑对流作用时高出近10倍.由于模式还不够完善,降水的模拟与实况相比还有一定差距,但初步的结论是 Anthes(1977)对流参数化方案效果较好,Kuo(1974)方案次之,不考虑对流作用时模拟的降水强度与实际相比太小。     

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。     

纳米尺度并列双圆柱绕流的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法，对纳米尺度下的等大并列双圆柱绕流问题进行了数值研究．模拟结果表明：在低雷诺数（Re=22）、纳米尺度下，同样存在由于L^＊／D^＊（L^＊为两圆柱轴线之间的距离，D^＊为圆柱的直径）值的变化，导致流场内呈现出单涡脱落、双稳态以及双涡对称同步脱落的不同流动状态，这与宏观尺度下的研究结论相一致．然而，各种流动状态所对应的L^＊／D^＊范围却与宏观尺度下的数值和实验研究结果不一致．单涡脱落区域为L^＊／D^＊〈1．1，双稳态现象出现的区域为1．1％L^＊／D^＊〈1．8，且由于间隙流的影响，当L^＊／D^＊一1．2时，就已出现了典型的双稳态现象，双涡对称同步脱落区域为L^＊／D^＊〉1．8．微观尺度下的3种不同特性的流动状态均比宏观研究结果提前，表明流动状态的变化具有明显的尺度特征．     

适用北京地区短历时强降水模拟的WRF模型物理参数化方案研究

以短历时强降水为特征的暴雨事件增多是北京地区近年来暴雨内涝频发的主要原因.为提高北京地区短历时强降水的模拟和预报能力,选用WRF(weather research and forecasting,WRF)模型中对降水模拟结果影响较为明显的3类参数化方案组成12组物理参数化方案组合,对北京地区具有不同中尺度环流特征的2类共8场短历时强降水事件进行模拟.基于构建的评价指标体系,评估各类参数化方案模拟北京地区短历时强降水过程的能力,评选出综合表现最好的物理参数化方案组合.研究结果表明:积云对流参数化方案对各类型强降水模拟结果的影响最大,云微物理参数化方案次之,行星边界层参数化方案的影响最小;从模拟北京地区短历时强降水过程的综合能力来看,表现较好且较稳定的方案分别为WSM6云微物理参数化方案、GD积云参数化方案和MYJ行星边界层方案;从模型模拟不同类型强降水过程的整体表现来看,模型对具有连续性降水特点且受地形抬升作用影响相对较小的第2类强降水过程的模拟效果最好,而对具有间歇性降水特点的深对流强降水过程及其相关的湿物理过程的模拟效果较差.研究结果对于提高区域强降水预警预报能力,改进模型参数化方案具有参考意义.     

5m尺度上夹卷率的变化特征及其与云微物理量之间的关系(英文)

云在全球辐射平衡和气候变化中起重要作用.气候模式中的积云参数化方案影响降水和气候等的数值模拟研究.夹卷率是积云参数化中一个重要的物理量,但夹卷率的估算存在很大的不确定性,关于夹卷率概率密度分布函数的观测研究鲜有报道.本文利用积云飞机观测资料,发现从云的边界到云的中心,夹卷率递减.夹卷率的概率密度分布函数可以用对数正态分布、伽玛分布或者威布尔分布拟合,其中威布尔分布的效果最好.夹卷率与云滴数浓度、半径和含水量负相关,与离散度正相关.夹卷率对云滴谱的影响显著,总体而言,这与云滴谱的系统理论是一致的.