高阶矩模式模拟对流边界层的可行性研究

本文建立了二阶矩闭合的大气边界层数值模式,并模拟了Wangara资料第33天09:00—18:00时对流边界层的发展过程。计算结果与实测资料比较吻合,同时利用该模式研究了高阶矩模式模拟对流边界层的可行性,结果指出:二阶矩方程中的湍流扩散项对模拟对流边界层内的挟卷和反梯度现象起主要作用。而局地时间变化项仅影响对流边界层内的边界湍流扩散项。因此,假如处理好二阶矩方程中的湍流扩散项,高阶矩模式和大涡模式一样可以很好地模拟对流边界层的发生、发展。     

对流边界层中泡状结构的大涡模拟研究

本文提出“连续垂直运动区”的概念，对边界层中的对流泡状运动进行了重新定义。由此将对流边界层划分为上升泡区、下沉泡区和环境气流区，并利用大涡模拟提供的对流边界层数值模拟结果研究这种泡状运动的结构。研究结果较好地解释了一些有关泡状运动结构方面的似乎相互矛盾的观测事实，并揭示了对流泡状运动的一些新的特征。     

一维大气边界层二阶闭合的有限元数值模式 I. 对流边界层模拟

利用有限元法用于二阶湍流闭合大气对流边界层模式,并模拟了Wangara试验33天的对流边界层的发展过程,计算结果表明,该模式能真实的模拟出对流边界层的发展过程,并且准确地反映对流边界层中湍流扩散和输送过程。     

大气对流边界层发展的模拟研究

室内水槽模拟是大气边界层研究的一种重要手段。利用室内模拟水槽对大气边界层的发展进行了模拟,通过处理平均温度廓线和光斑图像得到了对流边界层顶部位置h2和边界层高度zi。结果表明,不同测量方法得到的结果一致性很好,与实际大气的边界层发展情况也较为接近。同时,根据试验情况确定初始条件和边界条件,使用边界层参数化模型进行了数值模拟,其结果与室内模拟的结果也较吻合。     

夏季巴丹吉林沙漠残余层与深厚对流边界层的关系研究

利用2012年7月"巴丹吉林沙漠陆气相互作用及其对区域气候的影响研究"实验所得到的观测资料和中尺度气象模式WRF,对夏季巴丹吉林沙漠对流边界层高度发展的特征及其影响因素进行了研究。结果表明:(1)2012年7月在巴丹吉林沙漠连续观测到厚度超过3500 m的深厚对流边界层,其最大高度可达4000 m以上;当这种深厚对流边界层出现之前,当地中低层大气(1000~4000 m)存在近中性的残余层,而在没有近中性残留层出现时,即便地表感热通量较大,当天最大对流边界层高度却明显偏低;(2)WRF模式模拟结果表明残余层稳定度和对流边界层高度之间的负相关关系在空间区域成立,残余层位温直减率与当地对流边界层高度在时间和空间分布上都呈现显著的负相关关系;残余层位温直减率与对流边界层高度的空间相关系数最大值可达-0.51;(3)观测和模拟结果均表明残余层稳定度会直接影响由感热通量产生的对流边界层的发展效率,进而影响对流边界层的最大高度。通过研究发现,除感热通量外,近中性的残余层是巴丹吉林地区深厚对流边界层出现的关键条件之一。     

青藏高原一次对流降水模拟中边界层参数化和云微物理的影响研究

利用WRF模式模拟青藏高原那曲地区一次对流降水过程。将模拟结果与实测资料进行对比分析,以了解不同微物理和边界层参数化方案组合对降水过程的模拟差异。结果表明,WRF模式能够模拟此次对流降水的发生,但对降水中心位置的模拟存在一定偏差,因此模拟结果与站点实测资料存在一定的差异。将模拟结果与TRMM卫星降水资料进行对比发现,两者的对流发生时间较为吻合。另外,使用不同的初边界条件对本次对流过程的模拟也存在一定差异,总体来说,ERA-Interim资料为初边界场时模拟的降水分布与TRMM降水观测资料的较吻合。通过对不同微物理和边界层参数化方案模拟的水汽通量、水汽通量散度和垂直运动分析,模式对本次降水过程的模拟对边界层参数化方案的敏感性超过微物理参数化方案。     

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。     

对流边界层的大涡模拟研究

本文建立了一个均匀平坦地面上对流边界层的大涡模式,模式考虑了水汽,采用了考虑浮力和固壁影响订正的一阶闭合。并用所建模式进行了由热扰动发展的对流边界层的模拟及其对地表热状况变化响应的初步探讨性模拟工作。通过模拟认为,模式较好地反映了对流边界层的主要结构。     

一个直接考虑大涡、小涡作用的大气对流边界层模式

本文建立了一个大气对流边界层模式,构造此模式时,假设对流边界层中水平动量和热量在垂直方向上的湍流输送、扩散是由大涡与小涡组成的系统完成的。文中,用此模式作了一实例模拟,计算结果表明:模拟的结果与实测的结果相当一致。     

对流边界层大涡模式的改进及对夹卷速度的研究

对已建的对流边界层(CBL)大涡模式进行了改进，将次网格闭合方案改为次网格能量闭合，并考虑了水汽的源汇项和水汽相变潜热的作用。通过对均匀下垫面上由热扰动发展的对流边界层的模拟及与实验结果的比较表明，模式较好地模拟了对流边界层的主要物理结构，较好地反映了各物理量之间的对应关系。本文在一定的对流理查森数(Ri*)范围内给出了一些算例，对无量纲夹卷速度(We/W*)进行了研究。结果表明，无量纲夹卷速度随地表热通量(Qs)的增大而增大，随对流边界层上部温度递减率（γ)的增大而减小。当9.06≤Ri*≤45.29时，无量纲夹卷速度We/W*可以拟合成A(Ri*)-1的形式，其中A=0.226。并且与我们的对流槽实验结果，Sullivan等人的大涡模拟结果以及Deardorff等人的对流槽实验结果作了比较，四者吻合较好。     

城市建筑动力学效应对对流边界层影响的敏感性试验

本文将大涡模拟应用于城市对流边界层(CBL)湍流结构和流场特征的研究,在大涡模式中,拖曳系数取与建筑物高度及建筑物高度标准差有关的表达式以考虑次网格建筑物对风速和湍流动能(TKE)的面积平均影响.模拟结果表明,由于城市建筑物对气流的拖曳作用,使建筑物冠层及整个CBL内风速大幅度减小,城市冠层内部风速减小尤为明显,在夹卷层内,风速有一明显的跃变.在边界层中部对流运动已经发展成为较强的热泡,城市建筑物的动力学效应使热泡的水平尺度增大,CBL内平均上升气流速度和下沉气流速度减小,同时使CBL中上升气流所占比例比平坦地面增大.城市建筑物使CBL低层热通量、动量通量、速度方差和位温方差明显增大,但对近地层高度以上的湍流量影响不大.     

涡旋相关法测定湍流通量偏低的研究

针对野外实验所发现的不同观测法测定地表能通量不平衡问题,进行了均匀加热大气边界层的大涡模拟实验.用模拟的湍流风、温度和湿度涨落的时间序列证实,对流边界层低频涡普遍存在,并经常以一簇一簇热泡的形式出现.风速较小时,有限时长的取样不足以捕捉低频涡的贡献,可造成涡旋相关法测量的统计量异常偏低.仿照涡旋相关法的步骤进行数据处理发现,经去除平均或趋势计算的温度和湿度通量偏低程度在边界层下部随观测高度的增高而显著,其中尤以湿度通量为甚.其结果在一定程度上可以解释低风速条件下地表能通量测量的不闭合问题,但是尚不能完全解释诸如青藏高原实验出现的严重不闭合.文中对此作了探讨性的讨论.     

一个对流边界层大涡模式的建立与调试

本文介绍一个适合于对流边界层的大涡模式的建立及其调试结果。该大涡模式建立过程中注重于计算的节省，同时也强调原理与方法的简单和合理性。模式的调试表明，对于平坦均一地形的情况，模拟可以获得合理的结果。调试同时显示了模式对较低水平分辨率的适用条件，以及模式应用于模拟较大水平范围问题的可能性。     

Spatial representativeness of single tower measurements and the imbalance problem with eddy-covariance fluxes: results of a large-eddy simulation study

A large-eddy simulation (LES) study is presented that investigates the spatial variability of temporal eddy covariance fluxes and the systematic underestimation of representative fluxes linked to them. It extends a prior numerical study by performing high resolution simulations that allow for virtual measurements down to 20 m in a convective boundary layer, so that conditions for small tower measurement sites can be analysed. It accounts for different convective regimes as the wind speed and the near-surface heat flux are varied. Moreover, it is the first LES imbalance study that extends to the stable boundary layer. It reveals shortcomings of single site measurements and the necessity of using horizontally-distributed observation networks. The imbalances in the convective case are attributed to a locally non-vanishing mean vertical advection due to turbulent organised structures (TOS). The strength of the TOS and thus the imbalance magnitude depends on height, the horizontal mean wind and the convection type. Contrary to the results of a prior study, TOS cannot generally be responsible for large energy imbalances: at low observation heights (corresponding to small towers and near-surface energy balance stations) the TOS related imbalances are generally about one order of magnitude smaller than those in field experiments. However, TOS may cause large imbalances at large towers not only in the case of cellular convection and low wind speeds, as found in the previous study, but also in the case of roll convection at large wind speeds. In the stably stratified boundary layer for all observation heights neither TOS nor significant imbalances are observed. Attempting to reduce imbalances in convective situations by applying the conventional linear detrending method increases the systematic flux underestimation. Thus, a new filter method is proposed.     

黄河源区鄂陵湖湖面和湖边草地对流边界层湍流结构特征的大涡模拟研究

为研究黄河源区边界层湍流特征及其对物质和能量输送的影响,本文首次采用大涡模拟的方法,对比分析了黄河源区两种不同下垫面上（鄂陵湖和湖边草地）对流边界层（CBL）中精细的湍流结构特征。使用资料为2012年夏季黄河源区鄂陵湖流域野外观测实验的GPS探空资料、涡动相关观测资料。分析表明,模拟的黄河源区草地和湖上CBL的平均结构与实测结果吻合较好,但草地和湖上CBL的湍流结构特征差异较明显。模拟结果显示,草地CBL内湍能收支、湍流特征量的时空分布和湍涡结构特征均与陆地上热力驱动CBL的研究结果一致;湖上CBL顶部存在明显的对流卷特征,且夹卷层的湍流强度比草地的强,而草地近地面湍强则更大。通过改变水平分辨率的模拟试验,发现两个不同下垫面上模拟结果对模式分辨率的敏感性不同,湖面CBL的模拟要选择较高的水平分辨率（50～100 m）,以提高近湖面和夹卷层对湍流动能和湍流通量模拟的精度,也充分模拟出各种尺度的波对湍流通量的累积贡献。考虑到计算时间等影响,模拟草地边界层精细的湍流结构时建议选择网格距为100～200 m。     

基于大涡模拟评估GRAPES模式对对流边界层的模拟性能

为检验GRAPES半拉格朗日动力框架在大涡尺度上的模拟性能,为未来发展千米及其以下高分辨尺度的数值模式奠定基础,并构造GRAPES大涡模式以检验和发展边界层湍流参数化提供科学工具。通过在GRAPES模式中加入Smagorinsky-Lilly小尺度湍涡参数化,并将模式分辨率提高至50 m,构建GRAPES大涡模式(GRAPES_LES),以便分析GRAPES模式在大涡尺度上的适用性。同时利用广泛应用的已有大涡模式UCLA_LES作为参考,通过对干对流边界层湍流的模拟分析及与UCLA_LES模拟结果的对比,得出如下主要结论:GRAPES半拉格朗日动力框架能够模拟出与已有的大涡模式相似的边界层湍流特征;同时,通过分析也证明GRAPES存在由于采用半拉格朗日平流计算而带来过度耗散的问题:当使用相同的滤波尺度(Smagorinsky 常数)时,GRAPES_LES模拟出的速度场更为平滑,小尺度湍流结构过于光滑,通过对湍流能量的能谱分析更清楚地表明了这一点。进一步,对不同的Smagorinsky常数(对应不同的滤波尺度)进行了敏感性试验,表明可以通过改变滤波尺度,有效地缓解半拉格朗日框架隐含的耗散问题,得到更接近UCLA_LES所模拟的湍流特征。     

A comparison of local and non-local turbulence closure methods for the case of a cold air outbreak

Numerical experiments have shown that large-eddy-simulation models (LES) are able to reproduce the common features of convective boundary layers (CBL) quite well. Models which cannot resolve the convective motions due to their grid structure (1D-models or models with coarse horizontal and/or vertical resolution) have to take into account the effects of large eddies within their subgrid diffusion terms. Turbulent fluxes are frequently parameterized through first-order-closure methods (K-theory). Recently, non-local closure schemes have also been developed. In this paper we compare 1D-and 2D-models using different local and non-local first-order closure methods. The analysis is carried out for the case of an idealized cold air outbreak (CAO). One of the non-local closures is based on the so-called transilient turbulence theory. The reference states are given by a bulk-model and a 2D-model which resolves the large eddies explicitly. A comparison of the results is presented for characteristic quantities such as evolution of boundary-layer height and surface heat flux as well as mean wind and temperature profiles. It is found that simple local first-order closure does not give good agreement with the reference models. The results of the transilient turbulence model shows that a non-local closure is able to parameterize the effects of the large eddies. Comparable results are produced by a local closure where eddy diffusivities are parameterized by dimensionless gradient-functions.     

BOUNDARY LAYER GROWTH AND LAPSE RATE CHANGES DETERMINED BY LIDAR AND SURFACE HEAT FLUX IN SOFIA*

In this study the results from a boundary layer experiment,conducted in autumn 1991 over a flat,build-up urban area in Southeast Sofia,together with some models for mixed layer growth rates are used to investigate the layered structure of the vertical atmospheric stability distribution in the Sofia Valley.Lidar measurements of aerosol layer heights and morning boundary layer development are combined with surface eddy correlation measurements of kinematic heat and moisture fluxes,profiles of temperature and humidity,wind speed and wind direction.A diagnostic method is presented for determining vertical lapse rates using surface meteorological measurements and lidar returns observed during the transition from nighttime stable stratification to daytime convective boundary layer after the sunrise.     

BOUNDARY LAYER GROWTH AND LAPSE RATE CHANGES DETERMINED BY LIDAR AND SURFACE HEAT FLUX IN SOFIA

In this study the results from a boundary layer experiment,conducted in autumn 1991 over a flat,build-up urbanarea in Southeast Sofia,together with some models for mixed layer growth rates are used to investigate the layered struc-ture of the vertical atmospheric stability distribution in the Sofia Valley.Lidar measurements of aerosol layer heightsand morning boundary layer development are combined with surface eddy correlation measurements of kinematic heatand moisture fluxes,profiles of temperature and humidity,wind speed and wind direction.A diagnostic method is pres-ented for determining vertical lapse rates using surface meteorological measurements and lidar returns observed duringthe transition from nighttime stable stratification to daytime convective boundary layer after the sunrise.