地表非均匀加热影响对流边界层湍流特征大涡模拟研究

本文运用大涡模拟方法研究了地表非均匀加热对边界层湍流特征的影响.共进行五个算例的数值模拟,其中一个算例为地表均匀加热,四个非均匀算例的地表加热方式均采用“马赛克”分布,非均匀尺度分别为1.2km、2.5km、5.0km和10.0 km,其平均地表热通量与地表均匀加热算例相同.模拟结果表明:地表非均匀加热激发出有组织湍流...     

平坦非均匀地面对流边界层的准定常态

用大涡模拟方法研究对流边界层大气对非均匀地面条件的适应性。研究限于无风、平坦地形条件,地面热通量在一个水平方向作非均匀变化;平均地面热通量为0.15K·ms^-1、非均匀性变化幅度为0.05K·ms^-1;地面非均匀性的尺度在20km之内。模拟结果表明,在充分长的时间后,边界层达到一种适合于地面条件的准定常态。这种准定常态和向其过渡的过程中,水平平均的边界层廓线性质,如平均位温廓线、垂直热通量廓线等几乎与平坦均匀地面的结果相同,或差异极小。地面非均匀性的主要作用是使边界层动能增大,并以地面非均匀性变化方向的动能增加为主。边界层动能以一种振荡衰减的形式向其准定常态过渡。可以引入边界层平均动能达到其第1个峰值所需的时间t_c和准定常态无因次动能E_eq为这一过渡过程的2个特征量。此2个特征量与地面非均匀性尺度的定性关系是,非均匀性尺度越大,过渡时间t_c越长,达到的准定常态无因次动能E_eq也越大。     

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.     

从不稳定到近中性大气边界层的大涡模拟

用大涡模拟方法对不稳定到近中性层结的大气边界层情况进行模拟。模拟条件为：地面运动学热通量0.0001～0.2 K·m·s^-1、地转驱动风速0～15 m·s^-1,对应的无因次稳定度参数 - z/L 为0.0062～368。模拟结果显示,大气边界层直到 - z/L＝0.668的近中性情况,其热通量和动量通量等仍保留着典型对流边界层的基本特征,可由模式较好地求解,且在近地面与观测结果相符较好。对更接近中性的情况,模式分辨率限制了对边界层湍流特性的求解。在大风、弱不稳定边界层条件下模拟发现有滚动涡现象出现,其稳定度范围大致对应- z/L 的取值0.668～24.6。     

逆压梯度边界层壁面局部微振动诱导大涡结构

以边界层流动的Falkner - Skan解为基本流场,利用直接数值模拟方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了单个周期壁面局部微振动诱导有压梯度边界层内大涡结构的演化过程.结果表明:无论是零压梯度或者逆压梯度边界层中,大涡结构初始扰动速度分布面积与幅值是相似的,但随着时间的推移,不同逆压梯度边界层中的大涡结构扰动速度幅...     

城市冠层植被大气环境特性大涡模拟

 植被通过生物物理过程影响着周围微气候环境,对于城市植被环境流动的研究需要建立合理的植被模型。本研究发展了一套适于模拟植被边界层流动的大涡模拟数值方法,并通过水平均匀模型植被算例对其进行了验证。在此基础上,对空气流过三维非均匀分布钝体元阵列模型植被进行了大涡模拟,并将不同植被数值模型的计算结果与相应的风洞实验数据进行了比较。结果表明,树干部分采用刚性圆柱模拟、树冠用阻力模型的“阻力冠”方法相比于传统的“阻力元”方法能更好反映植被流动的影响。     

地表热通量的变化对边界层热力对流卷的影响

以1995年8月14日在Florida观测(SCMS实验期间)的位温、水汽和风速等为初始化的大涡模拟结果,分析研究了边界层对流卷的发展及地表热通量对边界层热力对流卷的影响。分析了热力对流卷的位温、垂直速度及水汽混合比的关系。结果表明在边界层对流卷中,上升气流较暖湿,下沉气流较干冷。还研究了边界层对流卷的演变,结果表明当地表热通量增大时,对流会变得非常活跃,对流层发展的高度也会加深。而当地表热通量增大致超过对流卷维持的临界值时,已经无法观察出对流卷的线性特点。利用地表热通量对对流卷形成和消散的敏感性实验模拟结果,分析得出地表热通量改变时,对流卷的组织性和对流的强度发生的相应变化。减小地表热通量时,对流的强度明显减弱。对流卷的组织性较显著。增加地表热通量时,对流的强度增大,对流会变得很不规则,但当地表热通量太大时,已经看不到有组织的对流卷。研究结果表明对流卷的维持需要一定的地表热通量。     

均匀剪切稳定分层流动中湍流特性的数值研究

采用大涡模拟的方法,研究了均匀剪切稳定分层流动.主要对不同梯度Richardson数下湍流动量和标量输运特性进行分析研究.结果表明:随着梯度Richardson数的增大,湍流动能减小,湍流势能增大；垂向热通量和雷诺应力减弱,流向热通量增强；并且在强分层情况下,存在动量和热量的逆梯度输运现象.     

非均匀地表的湍流通量和掺混高度

叙述了掺混高度的概念及运用。利用大涡模拟作为手段,研究了地表平坦但地表热通量非均匀情况下的掺混高度。考察了地表热通量非均匀性尺度、风速以及非均匀性强度对掺混高度的影响,发现掺混高度是否存在以及高度受非均匀尺度和风速大小的影响非常明显,受非均匀性强度的影响不明显。若规定掺混高度出现在垂直湍流热通量水平涨落的标准差减为地表感热通量标准差5％的高度,这时掺混高度可以拟合为：Z_b = 1/C_wm * w'θ'_sfc/Θ₀ * L^a_hetero/U^b,其中a=1.266,b=0.854,C_wm=3.205×10^-3。     

边界层转捩过程中环状涡和尖峰结构的演化

采用高精度直接数值模拟方法, 研究在边界层转捩过程后阶段中的环状涡和尖峰结构的非线性演化及其对流动的影响. 以平板可压缩流边界层转捩为例, 精细的数值模拟清楚地展示了环状涡等典型的涡结构及其上喷和下扫的流动现象, 证实了边界层转捩过程中尖峰结构的形成与环状涡紧密相关, 特别是, 对于最近在实验中观测到的正尖峰结构, 文中的数值结果也发现同样的结构, 并进行了相应的机理分析.     

不稳定近地面层湍流的大涡模拟

采用加密网格的大涡模式获取边界层风、温场的高分辨率模拟结果,并据以分析近地面层大气的湍流特性。结果表明,较小的网格尺度使次网格湍流贡献率大为降低,模式计算结果对次网格参数的依赖性减小,边界层整体特征得到更好的反映。同时,模拟出的近地面层通量 廓线关系及湍流速度特征与实际观测结果吻合甚好,表明模式具有反映近地面层平均运动和湍流特性的能力。     

中尺度天气预报模式边界层参数化方案以及近地层方案对苏州东山冬季近地层气象要素模拟的影响

运用WRF3. 9模式并选取四种常用的边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和BL)和两种近地层方案(Eta和MM5)模拟了2015年1月16～25日苏州东山的近地层气象要素,并与东山气象站观测实验数据进行对比,评估了四种边界层参数化方案对近地层气象要素的模拟能力。同时设置了边界层参数化方案与近地层方案耦合的敏感性试验,分析两类方案的耦合对近地层气象要素模拟的影响。结果表明:①白天四种边界层方案对2 m温度的模拟差异较小,两种近地层方案的模拟结果有差异,对流混合较弱时Eta方案模拟较好,对流混合较强时MM5方案较好;夜间四种边界层方案和近地层方案均有影响,但是整个观测期间四种方案的模拟结果统计量差异较小;②无论白天还是夜间,四种边界层参数化方案模拟的2 m相对湿度均高于观测值,BL方案的模拟效果最佳,MYJ方案的模拟偏差最大;③无论白天还是夜间,四种边界层参数化方案对10 m风速的模拟均存在一定程度的高估,MYJ方案的模拟效果最好,四种方案对风向的模拟均优于对风速的模拟,白天的模拟效果整体优于夜间;④选择不同的近地层方案对风速和风向的模拟结果没有明显影响,对2 m气温模拟结果的影响小于对2 m相对湿度模拟结果的影响,BL边界层方案与MM5近地层方案耦合对近地层气象要素2 m气温和2 m相对湿度的模拟效果最好。     

区域气候模式RegCM3产流方案的改进及数值试验

用改进的水文模型与详细陆面方案、大气模式耦合的区域气候模式模拟研究了夏季风气候陆面水文、气候特征．针对区域气候模式RegCM3中陆面方案BATS地表产流方案的不足，将更符合观测实际地考虑入渗和降水非均匀性的地表产流方案VXM并入BATS，利用改进后的区域气候模式模拟了我国1990、1991和1998年的夏季风气候，并采用我国160站的月降水资料及UNH-GRDC（University of New Hampshire，USA-Global Runoff Data Center）月径流资料对1990、1991模拟结果进行了验证．结果表明，地表产流方案的改进对区域气候模式RegCM3模拟降水的影响不大，但模拟的径流有较大提高目与实测更为一致．     

绿洲区域气候效应的数值模拟

在改进的土壤植被大气模式（MSPAS）的基础上,引入一个有效的大气辐射传输方案,建立了一个能在物理上真实地描述陆气相互作用及其反馈机制的二维模式（MLAIM）。利用HEIFE实验的观测资料,对改进了土壤水分传输、近地面层湍流输送以及植被物理过程参数化方案后的MLAIM进行了检验。结果表明,MLAIM能够合理地模拟陆气相互作用中的各种物理过程,能够有效地模拟绿洲与沙漠的地表能量收支情况。因此利用MLAIM对绿洲的气候效应进行了研究,分析了绿洲“冷岛效应”与“湿岛效应”的形成机理,并且着重研究了绿洲对其周围沙漠的影响。结果表明,绿洲对沙漠的水汽输送是影响沙漠地表能量收支以及绿洲周边区域气候的最重要的因子。     

Semi-analytical analysis of the response of the air temperature over the land surface to the global vegetation distribution

Response of the air temperature over the land surface to the global vegetation distribution is investigated, using a three-dimensional governing equation to simulate the steady, large-scale, limited amplitude perturbation of the free, inviscid and adiabatic atmosphere. The adoption of the static equation leads to a temperature governing equation in the terrain following coordinate. With the prescribed temperature as the upper boundary condition and the radiation balance as the lower boundary condition, the semi-analytical solution of the global circulation temperature can be calculated. In this article, only the air temperature （at 2 m height） over the land surface is analyzed, and the result suggests that this model can simulate the air temperature pattern over the land surface reasonably. A better simulation occurs when a simple feedback of the albedo on the temperature is included. Two sensitivity experiments are analyzed through this model. One suggests that the air temperature over the land surface descends obviously when the land surface is covered with ice all over, while another suggests that the air temperature rises a little when the land surface is covered with forest except the ice-covered area. This model appears to be a good tool to study the response of the air temperature to the vegetation distribution. Limitations of the model are also discussed.     

湍流动能闭合对区域气候模拟效果影响的机理研究

利用湍流动能(TKE)闭合改进了RegCM2中原高分辨的边界层参数化方案,并用1998年夏的NCEP/NCAR气候资料对TKE闭合方案影响区域气候模拟效果的机理作了探讨.研究表明,在区域气候模式中采用TKE闭合的边界层方案可以将垂直扩散直接与湍流变化联系起来,改善地表通量及各层垂直扩散项的计算,使地表通量和垂直扩散的日变化及各层分布更为合理,从而改进模式对各预报量及降水的模拟,提高模式的模拟能力     

城市绿化灌溉对气象环境影响的模拟分析

城市绿地灌溉作为城市重要的水文过程,研究其对城市气象条件的影响有利于提高城市精细化预报并理解城市水循环过程。基于WRFV3. 7. 1模式,选取Noah/SLUCM陆面及城市冠层模型,以2010年夏季一次强烈的高温热浪天气过程作为天气背景,模拟分析了城市绿化灌溉对于中国东部重要城市南京的气象环境的影响。结果显示,绿地灌溉对城市地表能量平衡存在较大的影响。城市地区潜热最大增加45 W/m~2,地表温度最大减小0. 25℃。绿地灌溉对于城市地区边界层内的气温的有降低的作用,在边界层附近下降得最为明显,而边界层以上的温度则略有上升。对于日趋严重的热岛效应,城市绿地灌溉有减弱其强度的作用,在09:00时,可以将热岛强度最大减小0. 25℃。     

应用WRF模型模拟分析风力发电场风速

风能的规划和设计中需要比较准确地确定所选厂址区域的风力资源分布,要有先进而准确的分析手段.论文选用美国WRF中尺度模式,分别选用4种不同的陆面过程方案（SLAB、Noah、RUC和Pleim-Xiu）,对2008年6月16日08：00至6月23日08：00（北京时间）贵州乌江源地区某风电场区域进行水平分辨率1,km的数值模拟,对比分析了近地面风场以及4种陆面过程对模拟结果的影响.结果发现：WRF模式较好地模拟出了该区域近地面风场的变化特征.Noah方案模拟的风速最大值与实际测站的风速最大值较接近;SLAB方案与Noah方案模拟的7,d的风功率密度更接近实际测站的风功率密度.可见,WRF模式能够较好地反映该区域的近地面风场情况,且模拟结果受到地形及地表粗糙度的影响较大.     

城市及乡村大气边界层结构的数值模拟

建立了一个研究城乡非均匀下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了城市及郊区、乡村下垫面的地面热量通量、地表温度、混合层高度及大气边界层结构等特征。对城乡之间的差别进行了对比。模式主要依赖于以下参数和物理量：地面反照率、下垫面粗糙度、土壤的可含水量、下垫面的热容量和热扩散系数、云量等参数。结果表明,本模式能合理地模拟不同地表热量平衡、地表气温、混合层高度、湍流交换系数、湍流动能、位温廓线等,以及它们的日变化。该模式所取参数主要针对北京市,时间为九月初,对于其他城市,参数应作相应的调整。本模式还可以用于其他均匀或非均匀下垫面的模拟。