Study on a Boundary-layer Numerical Model with Inclusion of Heterogeneous Multi-layer Vegetational

1.IntroductionItiswellknownthattheecosystemcangreatlyinfluencebothlocalclimateandgeneralcirculation.Onthenumericalstudyoftheturbulenceinandaboveforestcanopies,alotofsignificantstudieshavebeendone.Inallthesestudies,modelsaregenerallydividedintotwotypes:oneis'K--theory'type(Waggoner,1975;Gross,1987;Gross,1988,Jietal.,1989;Schilling,I991;Dickinsonetal.,1993;Wang,1996),theotherappliesthehigher--orderclosuremethod(Wilsonetal.,1977,Yamada,1982;Yinetal.,1989)ortheLagrangianmethod(Rampach,1987;R…     

不同边界层方案对一次华北暴雨数值模拟的敏感性研究

以2010年8月17—19日华北地区的暴雨事件为研究对象,采用中尺度数值模式WRF,通过8个数值实验测试暴雨事件模拟结果对不同边界层方案的敏感性。结果表明,采用不同边界层方案的模拟结果存在明显差异。分辨率为12 km时,7个边界层方案实验均模拟出类似观测的四处较强降水,但模拟得到的降水强度和强降水中心位置与实况有所差异,NOPBL实验模拟的雨带收缩,降水相对其他模拟实验较少且更为集中。分辨率为4 km时,采用边界层方案的7个实验均可见小尺度降水结构,模拟出较多虚假降水中心,而在NOPBL试验中降水的小尺度结构不明显。检验表明:分辨率为12 km时,MYJ试验的TS评分、相关系数和误差分析等整体表现最优,分辨率为4 km时,Bou Lac试验整体表现最优。与NOPBL试验相比,加入MYJ边界层方案后,模拟的水汽输送增加、上升运动及涡散度绝对值增大。     

Lidar and Sun photometer observations of atmospheric boundary-layer characteristics over an urban area in a mountain valley

We present measurements of the vertical aerosol structure and the aerosol optical depth in the lower troposphere performed above the city of Sofia (an urban area situated in a mountain valley), western Bulgaria by means of a ground-based aerosol lidar operating continuously for a number of years. The lidar measurements were accompanied by measurements of the aerosol optical depth (AOD) in the visible and near infrared regions of the spectrum performed in October 2004 using Microtops II radiometers. The maximum values of the AOD were found to occur 1–2 h before the complete development of the atmospheric boundary layer, i.e. during the residual layer destruction, which confirms our hypothesis concerning the slope circulation effect on the processes taking place in the atmospheric boundary layer. The AOD values obtained by the lidar are lower than those taken by the sun photometer. Further, the AOD exhibits two different types of behaviour. In the case of a ‘clear atmosphere’ (i.e. in the absence of volcanic eruptions and/or dust transport from the Sahara) most of the aerosol accumulated within the atmospheric boundary layer over the urban area considered. The combined use of the two instruments allows the comparison between the optical characteristics of the atmospheric aerosol (e.g. aerosol extinction coefficient, etc.) obtained by the lidar and through an independent method (sun photometer).     

黄土高原植被变化对环境影响的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5非静力平衡模式,模拟了黄土高原2003年6月26~30日的一次降水过程。该试验是通过改变黄土高原局部地区植被覆盖情况,对比分析植被改变区域内各气象要素的变化情况。结果表明:植被改善能使雨量增加,径流量减小,湿度增大,温度日较差减小,使气候变的温和。植被退化却使雨量减少,径流加大,易使水土流失,对水土保持不利。试验较全面地揭示了非均匀地表大气边界层内的温、湿场与陆面相互作用的机理。     

Study on the Thermal internal Boundary Layer and Dispersion of Air Pollutant

ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＴｈｅｒｍａｌｉｎｔｅｒｎａｌＢｏｕｎｄａｒｙＬａｙｅｒａｎｄＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆＡｉｒＰｏｌｌｕｔａｎｔｉｎＣｏａｓｔａｌＡｒｅａｂｙＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ￥ＪｉａｎｇＷｅｉｍｅｉ（蒋维楣）ａｎｄＹｕＨｏｎｇ...     

苏锡常地区热岛观测与数值模拟研究

结合气象观测、遥感和模式模拟的方法研究了环太湖城市的热岛现象,分析了苏锡常地区2010年5月24日的热岛特征。气象站资料显示苏锡常地区近地面热岛强度具有明显的日变化,12 h前热岛强度在0.5~1℃之间,夜间可达2℃以上。LANDSAT和MODIS卫星观测反演的地表热岛强度约5~7℃。随着太阳辐射的增加热岛加强,其分布及强度与城市下垫面结构和城市发展水平密切相关,苏州的热岛强度最高,无锡次之。WRF模式模拟结果表明城市感热通量大、潜热通量小,高波恩比促进了热岛的发展,进而抬升边界层高度。城市动力、热力特性的改变破坏了自然的能量平衡,会对边界层内气象要素和湍流通量的垂直分布造成影响。     

A Flume Experiment on the Adjustment of the Mean and Turbulent Statistics to a Transition from Short to Tall Sparse Canopies

Water-flume experiments are conducted to study the structure of turbulent flow within and above a sparse model canopy consisting of two rigid canopies of different heights. This difference in height specifies a two-dimensional step change from a rough to a rougher surface, as opposed to a smooth-to-rough transition. Despite the fact that the flow is in transition from a rough to a rougher surface, the thickness of the internal boundary layer scales as x ^4/5, consistent with smooth-to-rough boundary layer adjustment studies, where x is the downstream distance from the step change. However, the analogy with smooth-to-rough transitions no longer holds when the flow inside the canopy and near the canopy top is considered. Results show that the step change in surface roughness significantly increases turbulence intensities and shear stress. In particular, there is an adjustment of the mean horizontal velocity and shear stress as the flow passes over the rougher canopy, so that their vertical profiles adjust to give maximum values at the top of this canopy. We also observe that the magnitude and shape of the inflection in the mean horizontal velocity profile is significantly affected by the transition. The horizontal and vertical turbulence spectra compare well with Kolmogorov’s theory, although a small deviation at high frequencies is observed in the horizontal spectrum within the canopy. Here, for relatively low leaf area index, shear is found to be a more effective mechanism for momentum transfer through the canopy structure than vortex shedding.     

中尺度碘化银催化数值模式在人工影响天气业务中的应用试验

数值模式越来越多地应用于人工影响天气业务工作中.文中着眼北京地区人工影响天气业务对数值模式预报的需求,结合地基作业的特点,初步进行了碘化银(AgI)冷云催化数值模式在人工影响天气业务中的应用试验.试验采用同化了多种观测资料的北京睿图快速更新和多尺度分析预报系统-临近子系统(RMAPS-ST,Rapid-refresh?...     

高速公路路面温度极值预报模型研究

应用地表热量平衡方程,在太阳短波辐射、大气和地面长波辐射、感热和潜热等参数化方案的基础上,提出一种用于预报高速公路路面温度极值的数值模型.并利用沪宁高速公路梅村站和仙人山站2006年7月8日-12月31日的逐分钟的各要素实测数据对模型的有效性进行验证,结果表明:模型的平均绝对误差为1.32 ℃,预报误差在±3 ℃以内的频率高达85.23%,且对冬季路面温度低于0 ℃时的预报误差基本在-1～0 ℃,可以运用于冬季高速公路路面溜滑的实际预报中.     

应用城市冠层模式研究建筑物形态对城市边界层的影响

文中将城市冠层模式耦合到南京大学城市尺度边界层模式中,通过模拟对比发现,耦合模式对城市地区气温模拟结果更接近于观测值,尤其是对城市地区夜间气温模拟的改进.运用改进耦合模式通过多个敏感性试验的模拟,从城市面积扩张、建筑物高度增加、建筑物分布密度变化等角度研究城市建筑物三维几何形态变化对城市边界层及城市气象环境的影响,试验结果表明:(1)城市面积扩张使得城市下垫面的热通量增大,热力湍流活动增强,动量通量输送增强,城市湍能增大,湍流扩散系数变大,城市气温升高,且对不同时刻城市区域大气层结稳定度均有不同程度的影响.(2)建筑物高度增加增大了城市下垫面的粗糙度和零平面位移.同时也增大了城市街渠高宽比.城市建筑物越高,白天城市地区地表热通量越小,城市上空大气温度越低,平均风速减小,湍能减小;夜间由于高大建筑物释放储热比低矮建筑物要多,其热力湍流相对活跃,地表热通量增大,使得城市区域气温较高.(3)建筑物密度增大,会减小城市下垫面的粗糙度同时增强街渠对辐射的影响.建筑物密度增大在白天会减小地表热通量和动量通量,使城市气温降低,平均风速增大,城市湍流活动能力减弱;夜间城市释放较多储热使得气温较高.     

基于数值预报模式的乡镇温度预报方法研究

利用2015年8月至2017年7月长兴岛站和交流岛站日最高气温、日最低气温实况资料,对ECMWF细网格2 m温度预报值和日本FSFE02(24 h地面形势场预报)、FSFE03(36 h地面形势场预报)进行了检验。结果表明:根据历史回归统计检验,ECMWF细网格模式24 h的2 m最高气温、最低气温预报效果显著,通过了0. 05信度显著性检验。对各月做相关分析,相关性均较好。利用前一日ECMWF细网格2 m温度预报值与长兴岛站实况差值,根据统计的ECMWF细网格2 m温度预报订正值,做出长兴岛站未来24 h的气温预报。交流岛站温度预报是在长兴岛站温度预报的基础上订正做出,经统计分析,交流岛站和长兴岛站的气温差值与地面形势场和风场有较好的对应关系,根据不同类型的地面形势场和风场订正值,做出交流岛站的温度预报。应用Matlab计算机语言的开发功能,提取ECMWF细网格2 m温度预报的最高、最低气温值,并录入当日长兴岛站和交流岛站最高、最低气温实况值,自动预报各站未来24 h最高气温、最低气温。创建可视化预报工作界面,实现乡镇温度预报自动化。     

用大涡模式研究对流边界层湍流

利用三维对流边界层的大涡模拟模式研究对流边界层湍流统计特征量,模拟结果与前人的同类模拟工作及实验观测结果相比较,得到了一致的结论.       

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

采用隐式立方样条计算平流过程的数值模式及理想实验

本文介绍了一种用隐式立方样条求解平流方程的数值方法,并从理论上对其无条件稳定性进行了证明,在此基础上建立了一个在地形坐标系下的两维原始方程模式,模式在行星边界层参数化中引入了湍流动能方程,在模式顶部引入了吸收层.数值实验表明:模式有较好的计算稳定性,对较高的模式水平分辨率和复杂地形均有较强的适应能力;对复杂地形和下垫面非均匀热源条件下中尺度系统的模拟能获得合理的结果,并具有较高的精确度.     

Numerical simulation of internal boundary-layer development and comparison with atmospheric data

A finite-volume numerical model is employed to investigate the adaptation of the atmospheric boundary layer to a change in the underlying surface roughness, such as that existing in the transition from land to the free surface of a water body. Numerical results are validated by comparison with neutral stratification atmospheric data and compared with the internal boundary-layer (IBL) heights computed using a number of existing empirical formulae. The numerical analysis allows an extension of the fetch range in which the existing formulae, calibrated only by comparison with short fetch data, may be applied. An argument is offered that the spatial variability of the water surface roughness should be also taken into account for the IBL development over the surface of a water body.     

WRF模式边界层参数化方案对西南低涡模拟的影响

应用中尺度数值模式WRF(V3.3版本)选用4种行星边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和NOPBL)对2011年6月16—18日造成强降水的西南低涡过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对西南低涡过程模拟的影响。模拟结果表明:4种边界层参数化方案均能较好地模拟出西南低涡以及暴雨带的东移,其中YSU方案对低涡路径、强度及降水的总体模拟效果最好。YSU和ACM2方案,与MYJ和NOPBL方案相比,模拟的低涡中心区域正涡度柱和垂直上升运动较强,达到的垂直高度更高。造成这种差异的主要原因是对边界层上的夹卷效应以及垂直混合作用考虑的不同。不考虑边界层作用的NOPBL方案模拟的地表风速异常偏大,造成地表热通量明显偏强、边界层高度偏高。YSU、ACM2和MYJ 3种方案模拟的边界层高度和热通量的日变化比较一致,夜间基本维持少变,白天变化大,其中MYJ模拟的边界层高度和热通量较大,ACM2模拟的较小。地表风速是造成热量输送以及边界层高度模拟差异的主要因子。     

三种数值模式对山西降水预报性能的对比检验

利用MM5、T213和Grapes3种数值模式的降水预报产品和山西省108个标准测站的降水实况资料,采用客观统计检验方法,对2008年7月各模式在山西省的累加降水预报进行了对比检验。结果表明：24h中雨以下预报1、213优于MM5,中雨以上MM5则略优于T213,48h预报各级降水MM5都优于T213,T213和MM5对暴雨都有一定的预报能力。无论哪个预报时效和降水量级,Grapes均无明显优势。Grapes预报降水量级和降水范围都偏小,空报较少,漏报严重,尤其48h和72h10mm以上降水基本都漏报。MM5预报降水量级和预报范围都偏大,10mm以上降水TS评分较其它模式高,但同时空报也比较严重。3种模式TS评分均随降水量级的增大而减小,T213和Grapes的TS评分随预报时效的增加而减小,MM5的TS评分随预报时效的增加变化不大。     

Impact of a sea breeze on the boundary-layer dynamics and the atmospheric stratification in a coastal area of the North Sea

In-situ sodar and lidar measurements were coupled with numerical simulations for studying a sea-breeze event in a flat coastal area of the North Sea. The study’s aims included the recognition of the dynamics of a sea-breeze structure, and its effects on the lower troposphere stratification and the three-dimensional (3D) pollutant distribution. A sea breeze was observed with ground-based remote sensing instruments and analysed by means of numerical simulations using the 3D non-hydrostatic atmospheric model Meso-NH. The vertical structure of the lower troposphere was experimentally determined from the lidar and sodar measurements, while numerical simulations focused on the propagation of the sea breeze inland. The sea-breeze front, the headwind, the thermal internal boundary layer, the gravity current and the sea-breeze circulation were observed and analysed. The development of a late stratification was also observed by the lidar and simulated by the model, suggesting the formation of a stable multilayered structure. The transport of passive tracers inside the sea breeze and their redistribution above the gravity current was simulated too. Numerical modelling showed that local pollutants may travel backward to the sea above the gravity current at relatively low speed due to the shearing between the landward gravity current and the seaward synoptic wind. Such dynamic conditions may enhance an accumulation of pollutants above coastal industrial areas.     

WRF模式对青藏高原那曲地区大气边界层模拟适用性研究

采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式4种边界层参数化方案对青藏高原那曲地区边界层特征进行了数值模拟,并利用"第三次青藏高原大气科学试验"在青藏高原那曲地区5个站点的观测资料对模拟结果进行验证,分析不同参数化方案在那曲地区的适用性。研究表明,YSU、MYJ、ACM2和BouLac方案对2 m气温和地表温度的模拟偏低。BouLac方案模拟的地表温度偏差较小。通过对能量平衡各分量的对比分析发现,温度模拟偏低可能是向下长波辐射模拟偏低以及感热通量和潜热通量交换过强导致的。对于边界层风、位温和相对湿度垂直结构的模拟,局地方案的模拟效果均优于非局地方案。BouLac方案对那曲地区近地层温度、边界层内位温和相对湿度的垂直分布模拟效果较好。      

宁波一次罕见持续重度污染事件的成因分析

2013年12月1—10日宁波市出现历史罕见持续性重度污染事件。基于常规天气观测、浙江省自动气象站、宁波慈溪边界层风廓线雷达和凉帽山岛370 m高塔、宁波市和舟山市污染物监测等资料,应用美国NOAA HYSPLIT4模式进行粒子后向轨迹分析,并将CALMET诊断模式应用到WRF中尺度数值模式输出,对本次污染发展和消散过程宁波市3 km以下气象要素进行精细化诊断分析,计算通风系数。结果表明：（1）合适的环流背景是污染发展和持续的主要原因。气溶胶粒子浓度升高过程中有3次弱冷空气影响,主要表现在800 m以上层次,为粒子的输送提供了好的动力条件,却又不影响边界层风速和稳定性。弱冷空气间歇期风力弱,风向快速变化,利于粒子的循环滞留。（2）污染发展和持续阶段宁波市区3000 m以下持续弱下沉气流,夜间边界层高度低,200 m以下存在明显逆温层,导致气溶胶粒子在低层的堆积和能见度的降低。（3）污染发展和持续阶段夜间通风系数均小于1 m²/s,扩散条件很差,而污染消散阶段通风系数明显增大。没有外源性粒子输入时,通风系数与气溶胶粒子浓度成负相关。