长江流域一次暴雨过程的模拟对行星边界层参数化的敏感性研究

用MM5对长江流域的一次暴雨进行模拟考察其对行星边界层参数化的敏感性。不同的边界层参数化表现在不同的地表通量和垂直混合设计上，本文分析了MM5中4个主要方案地表通量和垂直混合参数化方案的不同以及它们对降水强度、落区和时间的影响。研究还发现，地表通量对暴雨模拟结果的影响比垂直混合方案要大。     

在细网格模式中引入总体边界层参数化方案的数值试验

本文把MM4模式中的总体边界层参数化方案引入到十一层细同治原始方程数值模式中去，用它与仅考虑简单边界层国擦的细网格模式对一典型江淮气旋天气过程分别作了24小时对比模拟试验；初步试验结果表明：边界层总体参数化方案的引入是可行的，对模式的预报效果在某些方面有显著改进．     

边界层参数化方案对台风SANBA初生阶段影响的数值模拟研究

台风的形成和发展与边界层中低涡扰动的形成和发展密切相关。利用中尺度WRF模式,采用数值敏感性试验的方法来研究不同边界层方案对台风SANBA初生阶段的移动路径、强度及物理量场分布等方面的影响,结果表明:在台风形成初期,不同边界层方案对模拟的SANBA台风的强度和路径具有明显影响;未引入Bogus方案时,采用QNSE和ACM2边界层参数化方案的模拟结果与最佳路径资料最为接近。采用Bogus方法在初始场中引入热带扰动有关信息后,五种边界层参数化方案模拟的台风路径均有显著改进,其中QNSE和ACM2方案对台风路径和强度模拟结果的改进效果较其他几种边界层参数化方案的模拟结果改进小,说明这两种边界层参数化方案对SANBA台风发展初期边界层过程的处理较完善,能够较好地处理边界层过程和边界层热带扰动的形成和发展;对比分析表明由于不同边界层参数化方案对边界层过程处理的差异,导致SANBA台风发展到强盛阶段时近地层的有关物理量及自由大气中的物理场分布出现一定的差异,即使模拟效果较好的QNSE与ACM2边界层参数化方案模拟的台风垂直结构之间也存在一定的差异。数值试验也表明MYJ参数化方案对此次台风的模拟效果最差,在进行相关研究时应慎用该边界层参数化方案。     

数值模式中的大气边界层参数化方案综述

大气边界层对下垫面和自由大气之间的热量、动量和物质交换以及全球辐射的收支平衡有着非常重要的作用,数值模式中对边界层的模拟需要通过参数化方案表现出来。综述了数值模式中常用的边界层参数化方案,从闭合框架以及边界层内的重要物理过程这两个方面对各类方案进行了总结,并讨论了边界层参数化方案的发展方向。     

古尔班通古特沙漠大气边界层参数化方案的模拟评估[1]

为准确描述我国最大的固定/半固定沙漠-古尔班通古特沙漠区域的大气边界层结构，本文利用该沙漠腹地2017年的梯度铁塔和通量观测数据，基于中尺度气象模式WRF (Weather Research and Forecast v3.7.1)，分析了5种边界层参数化方案在古尔班通古特沙漠的适用性。结果表明：1）采用WRF模拟沙漠腹地近地层内的边界层特征时，2m气温的模拟存在冷偏差，5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节2m气温的日变化特征，其中非局地方案ACM2(Asymmetric Convective Model version 2)对2m气温效果最好，局地方案BL方案的模拟偏差最大；2）5种边界层参数化方案均能够模拟出10m风速的日变化特征，其中局地方案BL(Bougeault-Lacarrere)对10m风速效果最佳；3）采用WRF模拟沙漠近地层内的地表通量特征时，感热通量存在高估现象，潜热通量存在低估现象，5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节模拟时间段内地表净辐射通量的日变化特征，其中局地方案MYJ(Mellor-Yamada-Janjie)的模拟精度最高。     

中尺度模式中的边界层特征量分析

在中尺度数值天气预报模式MM4中，用level3及E-ε-l两种湍流闭合方法对原总体边界层参数化方案进行改进，使得中尺度模式中可以直接输出有关湍流量，并对地表通量参数化方案进行改进，进而对不同下势需如沙漠，植被上的有关湍流量和边界层特征量进行分析。研究中尺度系统中边界层结构的特征，本文主要从地表通量，湍流交换系数，湍流动能（q^2)，温度脉动方差（θ^2)及风温廓线等几个方面进行研究，结果表明，新方案能更好地反映边界层特征。     

WRF模式中QNSE方案的湍流长度尺度系数的调整试验研究

边界层参数化方案中湍流混合对数值模拟起着重要的作用,湍流混合作用的恰当描述对于温度、湿度、风场以及降水的准确模拟至关重要。我国长江中下游流域人口密集,暴雨灾害频发,很有必要寻找一种适合该地区降水模拟的边界层参数化方案。本文运用WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值模式,以QNSE（Quasi-Normal Scale Elimination）边界层参数化方案为基础,将其中湍流混合长度尺度系数调整为可变参数。本文将Noh et al.（2003）提出的Prandtl公式与Janji?提出的修正湍流长度尺度系数的方法相结合,通过考虑非局地项的强迫、地表稳定度与边界层高度对湍流长度尺度系数的影响,强调大气的动力结构特征与热力结构特征对湍流混合的共同影响,从而提高QNSE边界层参数化方案在不同地理环境下的模拟能力。文章通过进行长江中下游地区的典型暴雨试验,将调整参数后的QNSE方案与原方案进行比较,重点分析调整参数后的方案与原方案对关键基本气象要素场、边界层结构特征以及降水的模拟能力,并将模拟结果与观测结果进行对比,结果表明:调整参数后的方案一定程度上改进了地表温度、边界层结构以及降水的模拟效果。进一步研究表明,调整参数后的方案主要通过改变边界层混合缓解水汽混合比、位温模拟方面的误差。     

WRF模式不同边界层参数化方案对沈阳地区近地面气象要素模拟差异评估

采用WRF(weather research forecast)模式中三种不同边界层参数化方案（YSU、MYJ、MYNN2）对2022年8月沈阳地区近地面逐时气象要素进行模拟研究,对比分析不同边界层参数化方案在模拟沈阳地区近地面气象要素时所表现出的差异。结果表明：三种边界层参数化方案均能较好地模拟沈阳地区近地面气象要素逐时变化趋势。在模拟近地面风速方面三种边界层参数化方案模拟结果整体偏大;MYJ方案平均偏差最小,相关系数最高,模拟效果最好。三种参数化方案在对近地面温度模拟整体偏低,平均偏差均为负值;YSU方案相关系数最高,可达094。在模拟近地面相对湿度方面三种参数化方案模拟结果整体偏低;从相关系数来看YSU方案和MYNN2方案差异性不大。     

边界层参数化方案在梅雨暴雨模拟中的应用比较

利用新一代中尺度数值模式WRF中不同的边界层参数化方案,对2009年7月24日发生在江南地区的一次暴雨过程进行了模拟分析。结果表明,边界层参数化对于10km精度的模式模拟,具有重要影响;不管哪种边界层参数化方案,由于都已经考虑比较全面的边界层物理过程,因此模拟结果都比较接近实况;边界层对模拟的影响主要在低层,对暴雨强度有影响,对暴雨落区也有影响;不同的参数化方案之间,边界层结构就会有所不同,使得边界层内动量、热量、水汽以及能量的垂直输送有差异,从而对模拟结果会产生影响。就此个例而言,MYNN Level-3方案具有最佳的模拟效果。     

WRF模式中边界层参数化方案在藏东南复杂下垫面适用性研究

藏东南地区是青藏高原山地复杂下垫面的典型代表,其边界层大气过程异常复杂,给数值模拟和预报带来较大困难。大气边界层参数化方案的选取关系到能否正确模拟和预报局地大气过程。本研究采用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对藏东南林芝地区对流和稳定边界层大气过程进行模拟,与2013年夏季"藏东南地区复杂下垫面地气交换观测实验"资料对比,研究ACM2,Boulac,M YJ,QNSE和YSU5种边界层参数化方案在青藏高原复杂下垫面的适用性。结果表明:对于水汽混合比垂直结构的模拟,Boulac和MYJ方案分别在模拟对流边界层和稳定边界层时能力最优。ACM 2方案最适宜藏东南复杂下垫面条件下的位温和风速垂直分布的模拟。各边界层参数化方案模拟对流边界层高度均较实际观测偏低,其中,QNSE方案模拟的边界层高度最接近观测。同一种边界层参数化方案对于夜间稳定边界层和正午对流边界层的模拟能力也不相同。该地区边界层风场受地形影响显著,风速较小,模拟的近地层风场较观测偏弱,MYJ和QNSE方案对近地层风场的模拟效果较好。     

On the vertical velocity at the top of the planetary boundary layer in nonstationary conditions

The non-stationary planetary boundary layer is parameterized for use in weather forecasting numerical models.     

Three-dimensional numerical study of the height and mean structure of a heated planetary boundary layer

The heated boundary layer for DAY 33 of the Wangara data of southeast Australia (Clarke et al., 1971) is studied numerically with a three-dimensional model using 64000 grid points within a volume 5 km on a side and 2 km deep. Subgrid-scale transport equations were utilized in place of eddy-coefficient formulations. The rate of growth of the mixed layer is examined and parameterized, and the vertical profiles of heat flux, moisture flux and momentum fluxes are examined. The momentum boundary layer is found to coincide essentially with the mixed layer, and to grow with the latter during the hours of solar heating of the surface.The National Center for Atmospheric Research is sponsored by the National Science Foundation.     

Synoptic Controls on Boundary-Layer Characteristics

We report the characteristics of the three-dimensional, time evolving, atmospheric boundary layer that develops beneath an idealised, dry, baroclinic weather system. The boundary-layer structure is forced by thermal advection associated with the weather system. Large positive heat fluxes behind the cold front drive a vigorous convective boundary layer, whereas moderate negative heat fluxes in the warm sector between the cold and warm fronts generate shallow, stably stratified or neutral boundary layers. The forcing of the boundary-layer structure is quantified by forming an Eulerian mass budget integrated over the depth of the boundary layer. The mass budget indicates that tropospheric air is entrained into the boundary layer both in the vicinity of the high-pressure centre, and behind the cold front. It is then transported horizontally within the boundary layer and converges towards the cyclone’s warm sector, whence it is ventilated out into the troposphere. This cycling of air is likely to be important for the ventilation of pollution out of the boundary layer, and for the transformation of the properties of large-scale air masses.     

基于微波辐射计和气溶胶激光雷达的边界层高度研究及应用

分别基于微波辐射计温湿度廓线资料的气块法、位温法和比湿法,地面气象资料的罗氏法及气溶胶激光雷达数据的梯度法,计算得出广州地区大气边界层高度,对比分析5种边界层高度结果及其与气象条件、空气质量之间的关系,结合典型大气污染过程分析边界层高度对PM_2.5、O₃浓度的影响。结果显示:（1）利用位温法、气块法、罗氏法、比湿法和梯度法计算得出广州地区平均边界层高度分别为2 207 m、1 239 m、901 m、717 m和660 m,位温法显著高估了广州地区的边界层高度;（2）利用气块法得出的混合层高度日变化能够较好地表征白天大气边界层演变特征,利用气块法和比湿法得出的白天混合层高度与近地面O₃浓度有显著的正相关关系,相关系数在0.5以上,在O₃污染防治中,应同时考虑边界层内垂直输送的影响;（3）利用梯度法得出的边界层高度在污染天气时与PM_2.5浓度的相关性较好,能较好地表现出大气污染情况,在PM_2.5污染天气过程分析中具有较好的应用价值。      

Poleward heat flux by an ocean gyre

A calculation to determine the poleward heat flux by an oceanic subtropical gyre is described. The circulation is given by Stommel's (1948) barotropic wind-driven model, and the temperature field is treated as a passive tracer. Air-sea heat exchange is parameterized as linearly proportional to the difference between air and sea temperatures. The problem so formulated reduces to the solution of the advection-diffusion (heat) equation for the temperature. The results show how ocean circulation, with a narrow western boundary layer, transports significantly more heat than does a symmetric circulation. A more intense circulation transports more heat but the increase levels off beyond a certain point. A wide ocean basin transports more of its heat by conduction than does a narrow basin. Approximate analytical solutions for both weak and strong circulations yield results that agree semiquantitatively with the numerical results.     

乌鲁木齐冬季大气边界层温度和风廓线观测研究

为了进一步认识乌鲁木齐冬季大气边界层的结构特征及其对大气污染的影响,为改进城市空气污染预报和污染治理提供科学依据,利用2008年1月11—13日系留气艇对乌鲁木齐市城区大气边界层过程进行观测试验的资料,分析了观测期间乌鲁木齐风、温廓线和混合层厚度的变化特征,并探讨了大气边界层结构对乌鲁木齐大气污染的影响。结果表明:观测期间乌鲁木齐近地面全天存在悬浮逆温,且有时为多层逆温,大气层结稳定;受逆温层的影响,近地面全天风速都很小,均在4m/s以下,风向随高度变化规律明显;观测期间乌鲁木齐大气混合层厚度平均为274m。乌鲁木齐冬季大气边界层风、温廓线的特征及混合层厚度,对大气污染的影响作用显著,是造成该地区冬季多污染的主要原因之一。     

冷空气过程对黄海东海区域海洋大气边界层结构影响的个例分析

利用一次冷空气过程的14组GPS探空数据,采用位温梯度法确定了冷空气过境前后大气边界层高度,并分析了冷空气过程对大气边界层结构的影响。结果表明：冷锋过境加大了海洋大气边界层的静力不稳定度,使边界层内对流活动增强,且锋面过后距离锋面越近的区域边界层的静力不稳定度越大;冷锋过境使边界层的平均高度升高,边界层顶处逆温梯度增大。结合ERA-Interim再分析资料,分析认为大气边界层高度与静力稳定度（海气温差）存在显著的正相关关系（相关系数达0.73）,海气温差越大,大气边界层高度越高。     

On the Possible Impact of a Following-Swell on the Atmospheric Boundary Layer

A simple model of the atmospheric boundary layer over the ocean where the swell impact on the atmosphere is explicitly accounted for is suggested. The model is based on Ekman’s equations, where the stress in the wave boundary layer is split into two parts: the turbulent and wave-induced stress. The turbulent stress is parameterized traditionally via the eddy viscosity proportional to the generalized mixing length. The wave-induced stress directed upward (from swell to the atmosphere) is parameterized using the formalism of the wind-over-waves coupling theory. The model can be seen as an extension of the model by Kudryavtsev and Makin (J Phys Oceanogr 34:934–949, 2004) to the scale of the entire atmospheric boundary layer by including the Coriolis force into the momentum conservation equation and generalizing the definition of the mixing length. The regime of low winds for swell propagating along the wind direction is studied. It is shown that the impact of swell on the atmosphere is governed mainly by the swell parameter—the coupling parameter that is the product of the swell steepness and the growth rate coefficient. When the coupling parameter drops below − 1 the impact of swell becomes significant and affects the entire atmospheric boundary layer. The turbulent stress is enhanced near the surface as compared to the no-swell case, and becomes negative above the height of the inner region. The wind profile is characterized by a positive gradient near the surface and a negative gradient above the height of the inner region forming a characteristic bump at the height of the inner region. Results of the model agree at least qualitatively with observations performed in the atmosphere in presence of swell.